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Artigo de método

Melhorando o desempenho de combustão de um motor de foguete híbrido usando um novo grão de combustível com uma estrutura helicoidal aninhada

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DOI:

10.3791/61555

⸱

18 de janeiro de 2021

 ,  ,  ,  , 
1Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences, 2School of Engineering Science, University of Chinese Academy of Sciences

Neste artigo

Resumo

Uma técnica utilizando um grão de combustível sólido com uma nova estrutura helicoidal aninhada para melhorar o desempenho de combustão de um motor de foguete híbrido é apresentada.

Resumo

Uma técnica para melhorar o desempenho de combustão de um motor de foguete híbrido usando uma nova estrutura de grãos de combustível é apresentada. Esta técnica utiliza as diferentes taxas de regressão de estireno butadieno acrilonitrilo e combustíveis à base de parafina, que aumentam as trocas de matéria e energia por fluxo de redemoinho e zonas de recirculação formadas nas ranhuras entre as palhetas adjacentes. A técnica de fundição centrífuga é usada para lançar o combustível à base de parafina em um substrato de estireno de acrilonitrilo butadieno feito por impressão tridimensional. Usando oxigênio como oxidante, uma série de testes foram realizados para investigar o desempenho de combustão do novo grão combustível. Em comparação com os grãos de combustível à base de parafina, o grão de combustível com estrutura helicoidal aninhada, que pode ser mantida durante todo o processo de combustão, apresentou melhora significativa na taxa de regressão e grande potencial de melhoria da eficiência da combustão.

Introdução

Uma técnica para melhorar o desempenho de combustão de um motor de foguete híbrido é urgentemente necessária. Até o momento, as aplicações práticas de motores híbridos de foguetes ainda são muito inferiores às dos motores de foguetes sólidos e líquidos1,2. A baixa taxa de regressão dos combustíveis tradicionais limita a melhoria do desempenho do impulso para o motor de foguete híbrido3,4. Além disso, sua eficiência de combustão é ligeiramente menor do que a de outros foguetes de energia química devido à combustão de difusão interna5,como mostrado na Figura 1. Embora várias técnicas tenham sido estudadas e desenvolvidas, como o uso de multi-portas6, aditivos de aprimoramento7,8,9, liquefazer combustível10,11,12, injeção de redemoinho13, saliências14, e corpo blefe15, essas abordagens estão associadas a problemas na utilização do volume, eficiência de combustão, desempenho mecânico e qualidade de redundância. Até agora, a melhoria estrutural do grão combustível, que não apresenta essas deficiências, tem atraído mais atenção como meio efetivo de melhorar o desempenho da combustão16,17. O advento da impressão tridimensional (3D) trouxe uma maneira eficaz de aumentar o desempenho dos motores de foguetes híbridos através da capacidade de produzir de forma rápida e barata tanto projetos de grãos convencionais complexos quanto grãos de combustível não convencionais18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30. No entanto, durante o processo de combustão, essas melhorias no desempenho da combustão diminuem com a queima da estrutura característica, resultando em uma diminuição no desempenho de combustão23. Demonstramos que um novo design é útil para melhorar o desempenho dos motores híbridos de foguetes31. O detalhe para esta técnica e os resultados representativos são apresentados neste artigo.

O grão de combustível consiste em um substrato helicoidal feito por acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS) e um combustível aninhado à base de parafina. Com base na impressão centrífuga e 3D, foram combinadas as vantagens dos dois combustíveis com diferentes taxas de regressão. A estrutura helicoidal especial do grão de combustível após a combustão é mostrada na Figura 2. Quando o gás passa pelo grão de combustível, inúmeras zonas de recirculação são criadas simultaneamente em ranhuras entre as lâminas, o que é mostrado na Figura 3. Essa estrutura característica na superfície interna aumenta a turbulência da energia cinética e do número de redemoinhos na câmara de combustão, que aumentam as trocas de matéria e energia na câmara de combustão. Em última análise, a taxa de regressão do novo grão de combustível é efetivamente melhorada. O efeito da melhoria da taxa de regressão tem sido bem comprovado: em particular, a taxa de regressão do novo grão combustível foi demonstrada como 20% maior do que a do combustível à base de parafina no fluxo de massa de 4 g/s·cm2,32.

Uma vantagem do grão de combustível com uma estrutura helicoidal aninhada é que é simples de fabricar. O processo de moldagem requer principalmente uma batedeira de derretimento, uma centrífuga e uma impressora 3D. O substrato ABS formado pela impressão 3D reduz consideravelmente o custo de fabricação. Outra vantagem significativa e única é que o efeito de aprimoramento não desaparece durante o processo de combustão.

Este artigo apresenta o sistema experimental e o procedimento para melhorar o desempenho de combustão de um motor de foguete híbrido usando a nova estrutura de grãos de combustível. Além disso, este artigo apresenta três comparações representativas dos parâmetros de desempenho de combustão para comprovar a viabilidade da técnica, incluindo a frequência de oscilação da pressão da câmara de combustão, taxa de regressão e eficiência de combustão caracterizada pela velocidade característica.

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Protocolo

1. Configuração e procedimentos experimentais

  1. Preparação de grãos de combustível
    NOTA: O grão de combustível com nova estrutura consistiu em duas partes, que são mostradas na Figura 4. Como parte principal do novo grão, o combustível à base de parafina é responsável por mais de 80% da massa total. O substrato ABS é usado como combustível adicional. A preparação deste grão de combustível foi realizada combinando impressão 3D e fundição centrífuga.
    1. Preparação de substrato
      1. Abra o software 3D para desenho de substrato ABS.
        NOTA: O substrato ABS, que pretendia fornecer a estrutura helicoidal e suporte para o combustível à base de parafina, é composto por doze lâminas integradas que giram 360° no sentido horário na direção axial e na parede.
      2. Salve a estrutura 3D do substrato ABS como um arquivo STL.
      3. Abra o software de fatiamento 3D e importe a estrutura do substrato ABS.
      4. Clique em Iniciar fatiamentoe selecione Modo de impressão velocidade do modelo principal.
        NOTA: Para a Extrusora Primária escolha ABS 1,75 mm.
      5. Velocidadede duplo clique, altere a densidade de enchimento para 100% e selecione Jangada com Saia para a Adição da Plataforma.
        NOTA: Para melhorar a qualidade da impressão e evitar a deformagem, é necessário utilizar uma estrutura de base de impressão (Jangada com Saia) para aumentar a área de contato entre o corpo de impressão e a placa inferior.
      6. Clique em Salvar e Fechare, em seguida, clique em Fatiar.
      7. Ligue a impressora 3D e importe o arquivo de fatia de substrato ABS.
      8. Ajuste a temperatura da cama aquecida e o bocal para 100 e 240 °C, respectivamente.
      9. Clique em Iniciar para imprimir após a estabilização.
    2. Preparação de combustível à base de parafina
      1. Prepare matérias-primas de parafina, cera de polietileno (PE), ácido esteárico, acetato de etileno-vinil (EVA) e pó de carbono. Configure o combustível à base de parafina de acordo com a razão desses componentes em 0,58:0.0.0.1:0.1:0.02.
        NOTA: As informações específicas de cada matéria-prima são mostradas na tabela do material. A razão de distribuição do combustível à base de parafina não é fixa e pode ser ajustada adequadamente de acordo com o propósito do experimento. O objetivo de adicionar pó de carbono é bloquear a transferência de calor radiante e evitar que o grão de combustível amoleça e entre em colapso durante a combustão.
      2. Coloque as matérias-primas configuradas na batedeira de derretimento, derreta e mexa completamente até misturar completamente.
        NOTA: O combustível à base de parafina é aquecido a 120 °C para garantir o derretimento completo, evitando a deformação das lâminas ABS.
    3. Fabricação de grãos de combustível
      NOTA: Para demonstrar melhor o efeito da melhoria do desempenho da combustão, foram definidos grãos de combustível à base de parafina com a mesma composição como o controle.
      1. Coloque o substrato ABS na centrífuga e fixe-o com uma tampa final.
      2. Conecte a energia e ligue o interruptor da bomba de resfriamento de água.
      3. Ligue o relé centrífuga e aumente a velocidade para 1400 rpm.
      4. Abra a válvula na batedeira de derretimento e comece a fundar.
        NOTA: O combustível à base de parafina derretida flui para a seção inicial do molde através do tubo e da tampa final com uma abertura central. Sob o efeito da gravidade, o combustível líquido se espalha ao longo da direção axial do molde. Combinado com o resfriamento eficaz, um método de fundição múltipla, que é dividir o processo original de enchimento único em várias vezes, é necessário para reduzir o estresse térmico.
      5. Retire o grão de combustível e corte a forma.
    4. Medição e registro de grãos de combustível
      1. Meça e regisse o peso, o comprimento e o diâmetro interno do grão de combustível.
      2. Fotografe o grão de combustível completo.
  2. Preparação do sistema híbrido de motores de foguetes
    NOTA: Como mostrado na Figura 5,o sistema híbrido de motor de foguete consistia em quatro partes: o sistema de alimentação, o sistema de ignição, o motor e o sistema de medição e controle. A parte do motor incluiu cinco partes: o ignitodeiro, a cabeça, a câmara de combustão, a câmara pós-combustão e o bocal. O comprimento total do motor de foguete híbrido é de cerca de 300 mm, e o diâmetro interno da câmara de combustão é de 70 mm.
    1. Montagem do motor de foguete híbrido
      NOTA: Os detalhes exaustivos do foguete híbrido em escala laboratorial e a composição do sistema experimental podem ser encontrados no artigo anterior32.
      1. Fixar a seção da câmara de combustão do motor de foguete híbrido no trilho de deslizamento.
      2. Carregue o grão de combustível e instale a seção da câmara pós-combustão.
      3. Instale a cabeça e o bocal.
      4. Instale o ignitodeiro na cabeça do motor de foguete híbrido.
      5. Instale a vela de ignição e conecte a fonte de alimentação.
    2. Conecte as linhas de nitrogênio, oxidante, metano de ignição e gás de ignição entre o banco de teste e o cilindro de gás.
    3. Conecte o computador industrial, o cartão de aquisição de dados multifuncionais, o controlador de fluxo de massa e a caixa de controle do banco de teste.
    4. Potência no banco de teste, no controlador de fluxo de massa e no ignitora.
  3. Verifique o sistema de teste e defina as condições experimentais.
    1. Abra o software FlowDDE e clique em Configurações de Comunicação a partir da Comunicação.
    2. Clique na interface de conexão correspondente e clique em OK.
    3. Clique em Abrir comunicação para estabelecer comunicação com o controlador de fluxo e abrir o programa de medição e controle (PCM).
    4. Defina o canal de I/O do cartão de aquisição de dados multifunções e clique em Executar para estabelecer a comunicação com todo o sistema.
    5. Verifique o status de execução do MCP e defina o modo de controle manual.
      NOTA: O PCM inclui dois modos: o controle manual é usado para depuração e o controle automático é usado durante os experimentos. O PCM escrito pelo LabVIEW é mostrado na Figura 6.
    6. Verifique a condição de trabalho da vela de ignição e realize um teste de válvula.
    7. Teste a função de gravação de dados.
    8. Abra a interface de configuração e defina o tempo de teste, incluindo tempo de abertura e fechamento da válvula, tempo de ignição e duração do registro de dados.
      NOTA: Leva algum tempo para o controlador de fluxo de massa regular o fluxo de oxidante para o valor definido, de modo que o tempo de ignição foi definido para 2 s após o fornecimento de oxidante.
    9. Estabeleça requisitos de segurança e limpe o pessoal da área experimental.
    10. Abra a válvula do cilindro e ajuste a pressão de saída da válvula reguladora de acordo com as diferentes condições de taxa de fluxo de massa.
      NOTA: Com a pressão de alimentação de 6MPa, a faixa de fluxo de massa do oxidante está entre 7 g/s e 29 g/s.
    11. Abra a interface de configuração e defina a taxa de fluxo de massa oxidante.
  4. Ignição híbrida do motor de foguete
    1. Ligue a câmera.
    2. Defina o PCM para o modo de controle automático e aguarde o gatilho.
    3. Clique em Iniciar no MCP para iniciar o experimento.
    4. Após cerca de um minuto, clique em Parar no PCM e desligue a câmera.
    5. Feche o cilindro de gás e abra a válvula no gasoduto para aliviar a pressão.
    6. Desligo o banco de testes e remova o grão de combustível.
    7. Repita o passo 1.1.4.

2. Análise do desempenho da combustão

  1. Análise da oscilação da pressão
    NOTA: Os dados de pressão da câmara de combustão salvos são representados como Pc(t).
    1. Abra Pc(t) com o software de processamento de dados.
    2. Escolha o período de tempo durante o processo de combustão do motor de foguete híbrido.
    3. Selecione Análise > Processamento de sinal > FFT para analisar a oscilação da pressão.
    4. Use as configurações padrão e clique em OK.
  2. Análise da taxa de regressão
    1. Calcule a taxa de regressão do grão de combustível de acordo com a seguinte função:
      figure-protocol-1
      onde ΔD representa a mudança dos diâmetros internos médios do grão de combustível sólido após o teste de disparo; figure-protocol-2 representam a mudança de qualidade do grão combustível; L é o comprimento do grão de combustível; ρ é a densidade média do combustível sólido; t é o tempo de trabalho.
      NOTA: A densidade média ρ do grão novo foi expressa como:
      figure-protocol-3
      onde figure-protocol-4 representam a densidade do combustível figure-protocol-5 aninhado à base de parafina e do material ABS, respectivamente; figure-protocol-6 e representam a figure-protocol-7 fração de massa do combustível aninhado à base de parafina e do material ABS, respectivamente.
    2. Encaixe a taxa de regressão em função do fluxo oxidante.
      NOTA: A função de montagem foi selecionada como Allometric1 figure-protocol-8 , e o algoritmo iterativo foi selecionado como algoritmo de otimização Levenberg-Marquardt.
  3. Análise da eficiência da combustão
    1. Calcule a pressão média da câmara de combustão Pc pela seguinte função:
      figure-protocol-9
      onde Pc(t) representa a pressão da câmara de combustão em diferentes momentos; t1 e tn representam os tempos iniciais e finais em que a pressão da câmara de combustão foi superior a 50% da pressão média, respectivamente; n representa o número de pontos de dados de pressão entre e t1 e tn.
    2. Calcule a velocidade característica da combustão C⃰ de acordo com a seguinte função:
      figure-protocol-10
      onde Pc é a pressão média da câmara de combustão; Umt é a área da garganta; é a taxa total de fluxo de massa.
    3. Calcule a velocidade característica teórica do combustível de parafina C⃰P pelo códigoCEA 33da NASA .

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Resultados

A Figura 7 mostra as mudanças na pressão da câmara de combustão e na taxa de fluxo de massa oxidante. Para fornecer o tempo necessário para a regulação do fluxo, o oxidante entra na câmara de combustão com antecedência. Quando o motor constrói pressão na câmara de combustão, a taxa de fluxo de massa de oxigênio cai rapidamente e, em seguida, mantém uma mudança relativamente constante. Durante o processo de combustão, a pressão na câmara de combustão permanece relativamente estável.

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Discussão

A técnica apresentada neste artigo é uma nova abordagem utilizando um grão de combustível com uma estrutura helicoidal aninhada. Não há dificuldades na instalação dos equipamentos e instalações necessários. A estrutura helicoidal pode ser facilmente produzida pela impressão 3D, e o ninho de combustíveis à base de parafina pode ser facilmente realizado por fundição centrífuga. As impressoras 3D de deposição fundida (FDM) não são caras e o custo das centrífugas é baixo.

Quando a superfície inter...

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Divulgações

Os autores não têm nada a revelar.

Agradecimentos

Este trabalho foi apoiado pela Fundação Nacional de Ciência Natural da China (Grant nº 11802315, 11872368 e 11927803) e pela Fundação de Pré-Pesquisa de Equipamentos do Laboratório De Chaves de Defesa Nacional (Grant nº 6142701190402).

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Impressora 3DRaise3DN2 Plus305 &vezes; 305 &vezes; 605 mm
Software de desenho 3DAutodeskInventor
ABSRaise3DABS preto1,75 mm
CâmeraSonyA6000
CarbonAibeisiATP-88AT
Máquina centrífugaLuqiao Langbo Motor Co.LtdCustom≤ Software
de processamento de dadosOriginLabOrigin 2020
EVADuPont Company360aglutinante
Controlador de fluxo de massaBronkhostF-203AV0-1500 ln/min
Misturador de fusãoWinzhou Chengyi Jixie Co.LtdCartão de
NIUSB-6211
ParafinaSinopec Group Company58#Parafina totalmente refinada, Ponto de fusão≈ 58° C
PE ceraQatar petróleo indústria química Empresa
Slicing softwareRaise3DideaMaker
igniçãoNGKPFR7S8EG
Ácido esteáricoical Reagente EmpresaEndurecedorpersonalizado
de 1450 rpm aquisição de dados multifuncional personalizado Custom Vela de

Referências

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