Summary
提出了一种利用固体燃料颗粒与新型嵌套级级结构技术，提高混合火箭发动机的燃烧性能。
Abstract
提出了一种利用新型燃料粒结构提高混合火箭发动机燃烧性能的技术。该技术利用丙烯酸苯乙烯和石蜡燃料的不同回归率，通过相邻叶片之间的凹槽形成的涡流和再循环区增加物质和能量的交换。离心铸造技术用于将石蜡燃料铸造成由三维印刷制造的丙烯酸二苯乙烯苯乙烯基板。以氧为氧化剂，对新型燃料粒的燃烧性能进行了一系列试验。与石蜡燃料颗粒相比，具有嵌套的半节式半节式半价的燃料颗粒在整个燃烧过程中可保持，其回归率显著改善，燃烧效率提高潜力巨大。
Introduction
迫切需要一种提高混合动力火箭发动机燃烧性能的技术。迄今为止，混合动力火箭发动机的实际应用仍然远远低于固体和液体火箭发动机1、2。传统燃料的低回归率限制了混合动力火箭发动机3、4的推力性能的提高。此外，由于内扩散燃烧5，其燃烧效率略低于其他化学能火箭，如图1所示。虽然已经研究和开发了各种技术，如使用多端口6，增强添加剂7，8，9，液化燃料10，11，12，涡流喷射13，突起14，和虚张声势体15，这些方法与体积利用率，燃烧效率，机械性能和冗余质量的问题有关。到目前为止，燃料谷物的结构改进，没有这些缺点，已引起更多的关注，作为提高燃烧性能的有效手段16，17。三维（3D）打印的出现，通过快速和廉价地生产复杂的常规谷物设计或非常规燃料谷物18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30，为提高混合火箭发动机的性能提供了有效的方法。然而，在燃烧过程中，燃烧性能的这些改善随着特性结构的燃烧而降低，导致燃烧性能下降23。我们已经证明，一个新的设计是有用的，以提高混合动力火箭发动机31的性能。本文介绍了该技术的细节和代表性的结果。
燃料颗粒由丙烯酸酯-二苯乙烯（ABS）和嵌套石蜡基燃料制造的利状基板组成。基于离心和3D打印，结合了两种不同回归率的燃料的优点。图2显示了燃烧后燃料颗粒的特殊节状结构。当气体通过燃料颗粒时，在叶片之间的凹槽中同时创建多个再循环区，如图3所示。内表面的这种特性结构增加了燃烧室中的湍流动能和涡流数，增加了燃烧室中物质和能量的交换。最终，新型燃料粒的回归率得到有效提高。提高回归率的效果已充分证明：特别是，在4克/厘米2，32的质量通量下，新型燃料粒的回归率比石蜡燃料的回归率高20%。
具有嵌套的升谷结构的燃料颗粒的一个优点是制造简单。成型工艺主要需要熔体搅拌机、离心机和 3D 打印机。3D 打印形成的 ABS 基材大大降低了制造成本。另一个重要和独特的优点是，增强效果在燃烧过程中不会消失。
本文介绍了利用新型燃料粒结构提高混合动力火箭发动机燃烧性能的实验系统和程序。此外，本文还提出了三种具有代表性的燃烧性能参数比较，论证了该技术的可行性，包括燃烧室压力的振荡频率、回归率和以特征速度为特征的燃烧效率。
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Protocol
1. 实验设置和程序
- 燃料谷物的准备
注：结构新颖的燃料颗粒由两部分组成，如图 4所示。石蜡燃料作为新谷物的主要部分，占总质量的80%以上。ABS 基板用作附加燃料。这种燃料颗粒的制备是通过3D打印和离心铸造相结合实现的。- 基底制备
- 打开用于 ABS 基板绘图的 3D 软件。
注：ABS 基板旨在为石蜡燃料提供倾斜框架和支持，由 12 个集成叶片组成，这些叶片在轴向和壁上顺时针旋转 360°。 - 将 ABS 基板的 3D 结构保存为 STL 文件。
- 打开 3D 切片软件并导入 ABS 基板的结构。
- 单击"开始切片"，然后从主模板中选择"速度打印模式"。
注：对于 主挤出机选择 ABS 1.75 mm。 - 双击速度 ，将填充密度更改为 100%，并选择 "带裙子的 Raft" 进行 平台添加。
注：为了提高打印质量，防止扭曲，有必要使用打印底座（带裙子的Raft）结构来增加打印体与底板之间的接触面积。 - 单击"保存并关闭"，然后单击"切片"。
- 打开 3D 打印机并导入 ABS 基板切片文件。
- 将加热床和喷嘴的温度分别设置为 100 和 240 °C。
- 单击 "开始 "在稳定后打印。
- 打开用于 ABS 基板绘图的 3D 软件。
- 基于石蜡的燃料制备
- 准备石蜡、聚乙烯（PE）蜡、硬脂酸、醋酸乙烯（EVA）和碳粉的原料。根据这些部件的比例将基于石蜡的燃油配置为 0.58：0.2：0.1：0.1：1：0.0.02。
注：每种原材料的具体信息显示在材料表中。石蜡燃料的分布比不固定，可根据实验目的进行适当调整。添加碳粉的目的是阻止辐射热传递，防止燃料颗粒在燃烧过程中软化和折叠。 - 将配置的原材料放入熔体搅拌机中，完全熔化和搅拌，直到完全混合。
注：石蜡基燃料加热至120°C，以确保完全熔化，同时防止ABS叶片变形。
- 准备石蜡、聚乙烯（PE）蜡、硬脂酸、醋酸乙烯（EVA）和碳粉的原料。根据这些部件的比例将基于石蜡的燃油配置为 0.58：0.2：0.1：0.1：1：0.0.02。
- 燃料谷物制造
注：为了更好地展示提高燃烧性能的效果，对与控制成分相同的石蜡燃料颗粒进行设置。- 将 ABS 基板放入离心机中，用端盖固定。
- 插上电源并打开水冷泵开关。
- 打开离心机继电器，将转速提高至 1400 rpm。
- 打开熔体搅拌机上的阀并开始铸造。
注：熔融石蜡基燃料通过管道和端盖流入模具的初始部分，并配有中央开口。在重力作用下，液体燃料沿模具的轴向扩散。结合有效的冷却，需要一种多铸法，即将原来的一次灌装过程划分为多个次，以减少热应力。 - 拆下燃油颗粒并修剪形状。
- 燃料颗粒测量和记录
- 测量并记录燃油颗粒的重量、长度和内径。
- 拍摄完整的燃料颗粒。
- 基底制备
- 混合动力火箭发动机系统的制备
注：如图 5所示，混合火箭发动机系统由四部分组成：供应系统、点火系统、发动机和测量控制系统。发动机部件包括五个部分：手电筒点火器、头部、燃烧室、燃烧后室和喷嘴。混合动力火箭发动机总长度约300毫米，燃烧室内径70毫米。- 混合动力火箭发动机总成
注：实验室规模混合火箭的详尽细节和实验系统的组成，可以在上一篇论文32中找到。- 将混合动力火箭发动机的燃烧室部分固定在滑轨上。
- 装载燃油颗粒并安装燃烧后室部分。
- 安装头和喷嘴。
- 将火炬点火器安装在混合动力火箭发动机的头上。
- 安装火花塞并连接电源。
- 连接测试台和气瓶之间的氮气、氧化剂、点火甲烷和点火氧气供应管路。
- 连接工业计算机、多功能数据采集卡、质量流量控制器和测试台的控制箱。
- 打开测试台、质量流量控制器和点火器的电源。
- 混合动力火箭发动机总成
- 检查测试系统并设置实验条件。
- 打开 FlowDDE 软件 并单击 通信中的 通信 设置。
- 单击相应的连接接口，然后单击"确定 "。
- 单击 "打开 通信"与流量控制器建立通信并打开测量和控制程序 （MCP）。
- 设置多功能数据采集卡的 I/O 通道，然后单击" 运行 "以建立与整个系统的通信。
- 检查 MCP 运行状态并设置为手动控制模式。
注：MCP 包括两种模式：手动控制用于调试，在实验期间使用自动控制。由 LabVIEW 编写的 MCP 如图 6 所示。 - 检查火花塞的工作条件并执行阀门测试。
- 测试数据记录功能。
- 打开设置接口并设置测试时间，包括阀门打开和关闭时间、点火时间和数据记录持续时间。
注：质量流量控制器需要一些时间来调节氧化剂流量到设定值，因此在氧化剂供应后，点火时间设置为 2 秒。 - 设置实验区的安全要求和明确人员。
- 打开气缸阀，根据不同的质量流速条件调节调节阀的输出压力。
注：在6MPa的供应压力下，氧化剂的质量流速范围在7克/s至29克/s之间。 - 打开设置接口并设置氧化剂质量流速。
- 混合动力火箭发动机点火
- 打开相机。
- 将 MCP 设置为自动控制模式并等待触发。
- 单击 MCP 上的"开始"以开始实验。
- 大约一分钟后， 单击 "停止 MCP"并关闭相机。
- 关闭气瓶并打开管道中的阀门以释放压力。
- 关闭测试台电源并拆下燃油颗粒。
- 重复步骤 1.1.4。
2. 燃烧性能分析
- 压力振荡分析
注：保存的燃烧室压力数据表示为 Pc（t）。- 使用数据处理软件打开 P c （t）。
- 选择混合动力火箭发动机燃烧过程中的时间周期。
- 选择 分析 > 信号处理 > FFT 分析压力振荡。
- 使用默认设置，然后单击"确定 "。
- 回归率分析
- 根据以下函数计算燃油粒的回归率：
其中+D 表示燃烧试验后固体燃料颗粒平均内径的变化;
代表燃料谷物质量的变化; L 是燃料颗粒的长度; = 是固体燃料的平均密度; t 是工作时间。
注：新 颗粒的平均 密度 = 表示为：
其中
和分别表示嵌套石蜡基燃料和ABS材料的密度; 
分别表示嵌套石蜡基燃料和ABS材料的质量分数。 - 将回归速率作为氧化剂助焊剂的函数拟合。
注：拟合函数被选为全对称
1，迭代算法被选为Levenberg-Marquardt优化算法。
- 根据以下函数计算燃油粒的回归率：
- 燃烧效率分析
- 通过以下功能计算平均燃烧室压力 Pc：
其中Pc（t） 表示不同时间燃烧室压力;t1 和 tn分别表示燃烧室压力分别大于平均压力 50% 的初始和最后时间;n表示和 t 1 和 t n之间的压力数据点数。 - 根据以下函数 计算C⃰ 特性速度：
其中 Pc 是平均燃烧室压力; At 是喉咙区域; ḿ 是总质量流速。 - 计算石蜡燃料的理论特性C⃰美国宇航局CEA代码33计算P。
- 通过以下功能计算平均燃烧室压力 Pc：
代表燃料谷物质量的变化; L 是燃料颗粒的长度; = 是固体燃料的平均密度; t 是工作时间。
和分别表示嵌套石蜡基燃料和ABS材料的密度; 
分别表示嵌套石蜡基燃料和ABS材料的质量分数。
1，迭代算法被选为Levenberg-Marquardt优化算法。
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Representative Results
图 7 显示了燃烧室压力和氧化剂质量流速的变化。为了提供调节流量的必要时间，氧化剂提前进入燃烧室。当发动机在燃烧室中制造压力时，氧质量流速会迅速下降，然后保持相对稳定的变化。在燃烧过程中，燃烧室中的压力保持相对稳定。
图8中显示了燃烧室压力振荡频率 的比较图像。新型燃料颗粒的压力波动光谱包含三个不同的峰值，分别与混合低频、赫尔姆霍尔茨模式和燃烧室的声学半波有关。与新型燃料颗粒对应的压力峰值位置与石蜡燃料的位置基本相同，表明新结构不太可能引入额外的燃烧振荡。此外，从平滑曲线上可以清楚地看到，新结构对主导低频压力振荡的振幅略有放大。因此，在新型燃料颗粒的实际应用之前，需要进一步的结构优化，以降低压力振荡的振幅。
图9 显示了新燃料颗粒和石蜡燃料颗粒之间氧化剂通量回归率的比较。与传统HTPB燃料相比，石蜡燃料的回归率大约翻了一番。然而，在相同的氧化剂质量流速下，新型燃料粒的回归率证明高于石蜡燃料。随着氧化剂通量的增加，两种燃料的回归率差距也逐渐拉大。
图10中显示了一个基于特性速度比较 燃烧效率的图像。新型燃料颗粒在各种氧化剂/燃料比下比的石蜡颗粒（特性速度）更高。相应地，在嵌套的利柱结构的推动下，新型燃料粒的平均燃烧效率提高了2%左右（±0.7%）。由于商用ABS材料的热值低，等价比不同，新型结构带来的燃烧效率提高并不明显。
点火试验结果表明，具有嵌套的升谷结构的燃料粒回归率能得到有效提高。此外，这种新颖的结构在提高燃烧效率方面也显示出了巨大的潜力。相邻叶片和下层结构之间的凹槽处的多个再循环区都增加了燃烧室中的湍流和涡流数。增加了燃料颗粒与燃烧区之间的物质和能量交换，从而提高了燃烧性能。
图1：混合火箭的燃烧过程。
混合火箭的混合和燃烧过程不同于液体或固体。在混合动力车中，混合和燃烧发生在与燃烧室长度相同的扩散燃烧区域。扩散燃烧模型的性质导致混合和燃烧效率的降低，在实际应用中，混合和燃烧效率从50%到99%不等。请单击此处查看此图的较大版本。
图2：新型燃料粒的特征结构。
由于两种燃料之间的回归率不同，这种嵌套的升海结构在燃烧过程中形成并维持。 请单击此处查看此图的较大版本。
图3：形成再循环区。
当气体穿过相邻叶片之间的凹槽时，形成再循环区。干扰加剧，燃烧室中物质和能量的交流得到加强。 请单击此处查看此图的较大版本。
图4：新型燃料颗粒的结构图像。
（a） 外径为70毫米、内径为30毫米、长度为125毫米的ABS基板的3D打印。）新型燃料颗粒的嵌套的半边形结构，其中石蜡基材和ABS叶片保持相同的初始内径。（c） 形状燃料的图像。 请单击此处查看此图的较大版本。
图5：实验设置。
实验室规模混合动力火箭发动机的示意图。 请单击此处查看此图的较大版本。
图6：LabVIEW测量和控制程序接口。
（a） 设置接口 （b） 自动模式接口 （c） 手动模式接口 （d） 程序运行监控接口. 请单击此处查看此图的较大版本。
图7：燃烧室压力变化和氧化剂质量流速。
在燃烧过程中，氧化剂和燃烧室压力的质量流速保持相对稳定。 请单击此处查看此图的较大版本。
图8：燃烧室压力振荡频率比较。
低频振荡是混合火箭的主要燃烧振荡模式。与石蜡燃料颗粒相比，嵌套的半节式升热结构的燃料颗粒的主导振荡幅度略有增加。 请单击此处查看此图的较大版本。
图9：回归率与氧化剂通量的比较。
随着氧化剂的通量增加，新结构对回归率增加的影响也越来越大。 请单击此处查看此图的较大版本。
图10：基于特性速度的燃烧效率比较。
（a） 石蜡燃料粒的平均燃烧效率为77%。（b） 新谷物的平均燃烧效率为79%。由于所用ABS材料的燃烧热值极低，燃烧效率略有提高。 请单击此处查看此图的较大版本。
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Discussion
本文提出的技术是采用嵌套的利高结构的燃料颗粒的一种新方法。在建立必要的设备和设施方面没有困难。通过3D打印可以轻松生产下形结构，离心铸造可以方便地进行石蜡燃料的嵌套。熔融沉积成型 （FDM） 3D 打印机不贵，离心机成本低。
当发现形状燃料颗粒的内表面有不容忽视的裂缝时，熔融混合器中的加热温度升高到200°C。 然后，利用石蜡基燃料的低粘度特性进行修复浇注，以填补燃料颗粒的空隙。颗粒完全冷却后，内孔抛光，直到直径与原始设计一致。
协议中有几个关键步骤。在步骤 1.1.1.5 中，由于 ABS 基板和打印台之间的接触面积较小，因此基板底部很容易变形，在打印过程中可能会打滑，最终导致打印失败。通过增加底部表面的接触面积，可以大大缓解这一问题。发现使用带裙子的 Raft 参数 效果最好。必须将填充密度设置为 100%，以减少 ABS 基材中的打印空隙并增加打印密度。此外，在步骤 1.1.1.8 中，将加热床温度设置为 100°C 可以有效防止 ABS 基板扭曲。
在步骤1.1.2.2中，根据ABS的热变形温度和石蜡燃料的最低熔化温度，将配置的石蜡燃料加热至120°C的温度证明是可行的。当温度过高时，必须防止 ABS 基材变形。同时，在温度过低时，必须避免石蜡燃料的不完全熔化和混合。
在步骤1.1.3中，为了缩短成型时间，避免由于一次成型过程中冷却过程中产生的过热压力而容易破裂的燃油颗粒问题，增加浇注数量和有效冷却是快速、高质量的燃油颗粒成型所必需的。根据实际成型质量和制造经验，这项工作需要四个或四个或更多浇注时间才能使燃料粒尺寸。
此技术有两个限制。一是材料不兼容。由于热应力和铸造误差，新型燃料颗粒在铸造过程中可能出现裂纹、缺陷或脱压。然而，通过比较开裂的燃料粒和普通燃料粒的燃烧试验结果，发现两种燃料粒的特性 结构在燃烧后基本保持不变。燃料颗粒内表面未发现明显的侵蚀燃烧现象。由于石蜡基燃料的低粘度特性使其在燃烧过程中自发填充裂缝，这种新型燃料颗粒对裂缝不敏感。
其次，由于离心机的特点，石蜡基燃料在形成燃料颗粒时不易及时冷却，导致脱层。为了避免对燃料颗粒的径向均匀性产生如此大的影响，增加浇注数量可以克服这一困难。
在结构优化的基础上，提出了一种具有嵌套的升谷结构的新型燃料颗粒。由于两种材料之间的回归率不同，这种特性结构可以在整个燃烧过程中存在，并提供性能增强。与石蜡燃料颗粒相比，这种新颖的结构显示出有效的改善，包括整体回归率和燃烧效率。
该技术可用于提高传统燃料的燃烧性能，如HTPB（羟基端接聚丁二烯）、石蜡基燃料和碳基端接聚丁二烯。我们相信，该技术能够有效解决目前制约混合动力火箭发动机发展的低回归率关键问题。此外，该技术在提高燃烧效率方面也显示出巨大的潜力。需要进一步优化刀片结构、叶片数量和叶片厚度等参数，以最大限度地提高燃烧性能。
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Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
这项工作得到了国家自然科学基金（第11802315号、11872368号和11927803号）和国防重点实验室设备预研究基金（第614270119402号）的支持。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3D printer | Raise3D | N2 Plus | 305 × 305 × 605 mm |
| 3D drawing software | Autodesk | Inventor | |
| ABS | Raise3D | ABS black | 1.75 mm |
| Camera | Sony | A6000 | |
| Carbon | Aibeisi | ATP-88AT | |
| Centrifugal machine | Luqiao Langbo Motor Co.Ltd | Custom | ≤1450 rpm |
| Data processing software | OriginLab | Origin 2020 | |
| EVA | DuPont Company | 360 | binder |
| Mass flow controller | Bronkhost | F-203AV | 0-1500 ln/min |
| Melt mixer | Winzhou Chengyi Jixie Co.Ltd | Custom | |
| Multi-function data acquisition card | NI | USB-6211 | |
| Paraffin | Sinopec Group Company | 58# | Fully refined paraffin, Melting point≈58°C |
| PE wax | Qatar petroleum chemical industry Company | Custom | |
| Slicing software | Raise3D | ideaMaker | |
| Spark plug | NGK | PFR7S8EG | |
| Stearic acid | ical Reagent Company | Custom | hardener |
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