Summary
En teknik, der udnytter et fast brændsel korn med en ny indlejret spiralformet struktur til at forbedre forbrændingen ydeevne en hybrid raketmotor præsenteres.
Abstract
En teknik til at forbedre forbrændingen ydeevne en hybrid raketmotor ved hjælp af en ny brændstof korn struktur præsenteres. Denne teknik udnytter de forskellige regressionsrater af acrylonitrile butadien styren og paraffinbaserede brændstoffer, som øger udvekslingen af både stof og energi ved at hvirvle flow og recirkulation zoner dannet på rillerne mellem de tilstødende lameller. Centrifugalstøbningsteknikken anvendes til at kaste det paraffinbaserede brændstof i et acrylonitrile butadienstyrensubstrat fremstillet ved tredimensional trykning. Ved hjælp af ilt som iltningsmiddel, en række tests blev udført for at undersøge forbrændingen ydeevne af den nye brændstof korn. Sammenlignet med paraffinbaserede brændselskorn viste brændstofkornet med en indlejret spiralformet struktur, som kan opretholdes under hele forbrændingsprocessen, en betydelig forbedring i regressionshastigheden og et stort potentiale for forbedring af forbrændingseffektiviteten.
Introduction
En teknik til at forbedre forbrændingen ydeevne en hybrid raketmotor er presserende påkrævet. Til dato, praktiske anvendelser af hybrid raketmotorer er stadig langt mindre end den faste og flydende raketmotorer1,2. Den lave regressionshastighed for traditionelle brændstoffer begrænser forbedringen af trykyevnen for hybridraketmotoren3,4. Desuden er forbrændingseffektiviteten lidt lavere end for andre kemiske energiraketter som følge af forbrænding af intern diffusion5, som vist i figur 1. Selv om forskellige teknikker er blevet undersøgt og udviklet, såsom brug af multi-ports6, styrke tilsætningsstoffer7,8,9,flydende brændstof10,11,12, swirl injektion13,fremspring 14, og bluff krop15, disse tilgange er forbundet med problemer i volumen udnyttelse, forbrænding effektivitet, mekanisk ydeevne, og redundans kvalitet. Hidtil har den strukturelle forbedring af brændstofkornet, som ikke har disse mangler, tiltrukket sig større opmærksomhed som et effektivt middel til at forbedre forbrændingsydelsen16,17. Fremkomsten af tre-dimensionelle (3D) udskrivning har brough en effektiv måde at øge ydeevnen af hybrid raketmotorer gennem evnen til hurtigt og billigt producere enten komplekse konventionelle korn design eller ikke-konventionelle brændstof korn18,19,20,21,22,23,24,25, 26,27,28,29,30. Under forbrændingsprocessen mindskes disse forbedringer i forbrændingens ydeevne imidlertid med den karakteristiske struktur, der brænder, hvilket resulterer i et fald i forbrændingsydelsen23. Vi har vist, at et nyt design er nyttigt til at forbedre ydeevnen af hybrid raketmotorer31. Detaljerne for denne teknik og repræsentative resultater præsenteres i dette dokument.
Brændstoffet korn består af en spiralformet substrat lavet af acrylonitrile-butadien-styren (ABS) og en indlejret paraffin-baseret brændstof. Baseret på centrifugal- og 3D-printning blev fordelene ved de to brændstoffer med forskellige regressionsrater kombineret. Brændstofkornets særlige spiralformede struktur efter forbrænding er vist i figur 2. Når gassen passerer gennem brændstofkornet, skabes der samtidig talrige recirkulationszoner ved riller mellem vingerne, hvilket er vist i figur 3. Denne karakteristiske struktur på den indre overflade øger turbulens kinetisk energi og hvirvle nummer i forbrændingskammeret, hvilket øger udvekslingen af både stof og energi i forbrændingskammeret. I sidste ende er regressionsraten for det nye brændstofkorn effektivt forbedret. Det er blevet bevist, at regressionsraten er 20 % højere end det paraffinbaserede brændstof ved massefødsel på 4 g/s·cm2,32.
En fordel ved brændstofkorn med en indlejret spiralformet struktur er, at det er nemt at fremstille. Støbningsprocessen kræver hovedsageligt en smelteblander, en centrifuge og en 3D-printer. ABS-underlaget dannet af 3D-print reducerer i høj grad produktionsomkostningerne. En anden væsentlig og unik fordel er, at forbedringseffekten ikke forsvinder under forbrændingsprocessen.
Dette papir præsenterer forsøgssystemet og procedure for at forbedre forbrændingen ydeevne af en hybrid raketmotor ved hjælp af den nye brændstof korn struktur. Derudover præsenterer dette papir tre repræsentative sammenligninger af forbrændingsydelsesparametre for at bevise gennemførligheden af teknikken, herunder svingningsfrekvensen for forbrændingskammertryk, regressionshastighed og forbrændingseffektivitet karakteriseret ved karakteristisk hastighed.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Eksperimentel opsætning og procedurer
- Tilberedning af brændselskorn
BEMÆRK: Brændstofkornet med ny struktur bestod af to dele, som er vist i figur 4. Som den vigtigste del af det nye korn tegner det paraffinbaserede brændstof sig for mere end 80% af den samlede masse. ABS-underlaget anvendes som ekstra brændstof. Udarbejdelsen af dette brændstof korn blev realiseret ved at kombinere 3D-print og centrifugal støbning.- Forberedelse af substrat
- Åbn 3D-software til ABS-substrattegning.
BEMÆRK: ABS-substratet, som har til formål at give den spiralformede ramme og støtte til det paraffinbaserede brændstof, består af tolv integrerede knive, der roterer 360° med uret i aksial retning og væggen. - Gem 3D-strukturen i ABS-substratet som en STL-fil.
- Åbn 3D udskæring software og importere strukturen af ABS substrat.
- Klik på Start udskæring, og vælg Hurtig udskrivningstilstand fra Hovedskabelon.
BEMÆRK: For primary extruder skal du vælge ABS 1,75 mm. - Dobbeltklik på Hastighed, skift infill-tætheden til 100 %, og vælg Tømmerflåde med nederdel til platformens tilføjelse.
BEMÆRK: For at forbedre udskriftskvaliteten og forhindre vridning er det nødvendigt at bruge en struktur af printbase (Raft with Skirt) for at øge kontaktområdet mellem udskriftshuset og bundpladen. - Klik på Gem og luk, og klik derefter på Udsnit.
- Tænd for 3D-printeren, og importer abs-underlagets udsnitsfil.
- Temperaturen på den opvarmede seng og dysen indstilles til henholdsvis 100 og 240 °C.
- Klik på Start for at udskrive efter stabilisering.
- Åbn 3D-software til ABS-substrattegning.
- Paraffinbaseret brændstofforberedelse
- Forbered råvarer af paraffin, polyethylen (PE) voks, stearinsyre, ethylen-vinyl acetat (EVA), og kulstof pulver. Konfigurer det paraffinbaserede brændstof i henhold til forholdet mellem disse komponenter som 0,58:0,2:0.1:0.1:0.0.02.
BEMÆRK: De specifikke oplysninger om hver råvare er vist i materialetabellen. Fordelingsforholdet for paraffinbaseret brændstof er ikke fast og kan justeres korrekt i overensstemmelse med forsøgets formål. Formålet med tilsætning af kulstofpulver er at blokere strålevarmeoverførsel og forhindre brændstofkornet i at blødgøre og kollapse under forbrændingen. - Placer de konfigurerede råvarer i smelteblanderen, og smelt og rør helt rundt, indtil de er helt blandet.
BEMÆRK: Det paraffinbaserede brændstof opvarmes til 120 °C for at sikre fuldstændig smeltning, samtidig med at ABS-knivene forhindres.
- Forbered råvarer af paraffin, polyethylen (PE) voks, stearinsyre, ethylen-vinyl acetat (EVA), og kulstof pulver. Konfigurer det paraffinbaserede brændstof i henhold til forholdet mellem disse komponenter som 0,58:0,2:0.1:0.1:0.0.02.
- Fremstilling af brændstofkorn
BEMÆRK: For bedre at kunne påvise effekten af at forbedre forbrændingsydelsen blev der sat paraffinbaserede brændselskorn med samme sammensætning som styringen.- Anskaf ABS-substratet i centrifugen, og fastgør det med en endehætte.
- Tilslut strømmen, og tænd for strømkølingspumpekontakten.
- Tænd centrifugerelæet, og forøg hastigheden til 1400 omdrejninger i minuttet.
- Åbn ventilen på smelteblanderen og begynd at støbe.
BEMÆRK: Det smeltede paraffinbaserede brændstof strømmer ind i den indledende del af formen gennem røret og endedækslet med en central åbning. Under effekten af tyngdekraften spredes det flydende brændstof langs formens aksiale retning. Kombineret med effektiv køling kræves der en flerstøbningsmetode, som er at opdele den oprindelige engangsfyldningsproces i flere gange for at reducere den termiske belastning. - Fjern brændstofkornet, og trim formen.
- Måling og registrering af brændselskorn
- Mål og journal brændstoffets vægt, længde og indre diameter.
- Fotografer hele brændstofkornet.
- Forberedelse af substrat
- Forberedelse af hybrid raketmotor system
BEMÆRK: Som vist i figur 5bestod hybridraketmotorsystemet af fire dele: forsyningssystemet, tændingssystemet, motoren og måle- og styresystemet. Motordelen omfattede fem dele: brænderen antændelse, hovedet, forbrændingskammeret, efterforbrændingskammeret, og dysen. Den samlede længde af hybrid raketmotor er omkring 300 mm, og den indre diameter af forbrændingskammeret er 70 mm.- Hybrid raketmotor samling
BEMÆRK: De udtømmende oplysninger om hybridraket i laboratorieskala og forsøgssystemets sammensætning findes i det foregående dokument32.- Fastgør forbrændingskammeret del af hybrid raketmotor på glideskinnen.
- Læg brændstofkornet på, og monter sektionen efter forbrændingskammeret.
- Monter hoved og dyse.
- Monter brænderen tænder på hovedet af hybrid raketmotor.
- Monter tændrøret, og tilslut strømforsyningen.
- Tilslut nitrogen, iltningsmiddel, tændingsanan og tændingilgasforsyningsledninger mellem prøvebænken og gasflasken.
- Tilslut industricomputeren, multifunktionsdataopekøbskortet, masseflowcontrolleren og kontrolboksen på testbænken.
- Tænd for prøvebænken, masseflowregulatoren og tændsats.
- Hybrid raketmotor samling
- Kontroller testsystemet, og angiv forsøgsbetingelserne.
- Åbn FlowDDE-softwaren, og klik på Kommunikationsindstillinger fra meddelelsen.
- Klik på den tilsvarende forbindelsesgrænseflade, og klik på OK.
- Klik på Åbn kommunikation for at etablere kommunikation med flowcontrolleren og åbne målings- og kontrolprogrammet (MCP).
- Angiv I/O-kanalen på multifunktionsdataopeopkøbskortet, og klik på Kør for at etablere kommunikation med hele systemet.
- Kontroller MCP-kørselsstatus, og indstil til manuel kontroltilstand.
BEMÆRK: MCP indeholder to tilstande: Manuel styring bruges til fejlfinding, og der bruges automatisk kontrol under eksperimenter. DEN MCP skrevet af LabVIEW er vist i figur 6. - Kontroller tændrørets arbejdstilstand, og udfør en ventiltest.
- Test dataregistreringsfunktion.
- Åbn indstillingsgrænsefladen, og angiv testtid, herunder ventilåbning og lukketid, antændelsestid og dataregistreringsvarighed.
BEMÆRK: Det tager lidt tid for masseflowregulatoren at regulere iltningsflowet til den indstillede værdi, så tændingstiden blev indstillet til 2 s efter tilførslen af iltningsmiddel. - Sæt sikkerhedskrav og klart personale fra forsøgsområdet.
- Åbn cylinderventilen, og juster udgangstrykket på reguleringsventilen i henhold til de forskellige massestrømningsforhold.
BEMÆRK: Med forsyningstrykket på 6MPa er iltningsmiddelets massestrømningshastighed mellem 7 g/s og 29 g/s. - Åbn indstillingsgrænsefladen, og angiv iltningsmiddelmassestrømningshastigheden.
- Hybrid raketmotor tænding
- Tænd for kameraet.
- Indstil MCP til automatisk kontroltilstand, og vent på udløser.
- Klik på Start på MCP for at starte eksperimentet.
- Efter ca. et minut skal du klikke på Stop på MCP og slukke kameraet.
- Luk gasflasken og åbn ventilen i rørledningen for at aflaste trykket.
- Slukke prøvebænken og fjerne brændstofkornet.
- Gentag trin 1.1.4.
2. Analyse af forbrændingens ydeevne
- Analyse af trykoscillation
BEMÆRK: De gemte trykdata for forbrændingskammeret repræsenteres som Pc(t).- Åbn Pc(t) sammen med databehandlingssoftwaren.
- Vælg den periode under forbrændingsprocessen af hybrid raketmotor.
- Vælg Analyse > Signalbehandling > FFT for at analysere trykoscilleringen.
- Brug standardindstillingerne, og klik på OK.
- Analyse af regressionsrate
- Brændselskornets regressionshastighed beregnes efter følgende funktion:
hvis ΔD repræsenterer ændringen af de gennemsnitlige indvendige diameterer af fast brændselskornet efter affyringsprøvningen
repræsenterer ændringen af brændstofkornets kvalitet L er længden af brændstofkornet; ρ er fast brændsels gennemsnitlige tæthed t er arbejdstiden.
BEMÆRK: Den gennemsnitlige tæthed ρ af romanen korn blev udtrykt som:
hvor
og 
repræsenterer tætheden af det indlejrede paraffinbaserede brændsels- og ABS-materiale, og repræsenterer 
massefraktionen af henholdsvis det indlejrede paraffinbaserede brændstof og ABS-materiale. - Sæt regressionshastigheden som en funktion af iltningsmiddel flux.
BEMÆRK: Monteringsfunktionen blev valgt som Allometric1
, og den iterative algoritme blev valgt som Levenberg-Marquardt optimeringsalgoritme.
- Brændselskornets regressionshastighed beregnes efter følgende funktion:
- Analyse af forbrændingseffektiviteten
- Gennemsnitligt forbrændingskammertryk Pc beregnes ved hjælp af følgende funktion:
hvor Pct) repræsenterer forbrændingskammerets tryk på forskellige tidspunkter t1 og tn repræsenterer de indledende og sidste tidspunkter, hvor forbrændingskammertrykket var større end henholdsvis 50 % af det gennemsnitlige tryk n repræsenterer antallet af trykdatapunkter mellem og t1 og tn. - Forbrændingskarakteristikashastigheden beregnes C⃰ i henhold til følgende funktion:
hvor Pc er det gennemsnitlige forbrændingskammertryk Ent er halsen område; ḿ er den samlede massestrømningshastighed. - Den teoretiske karakteristiske hastighed for paraffinbrændstof C⃰P ved NASA CEA-kode33.
- Gennemsnitligt forbrændingskammertryk Pc beregnes ved hjælp af følgende funktion:
repræsenterer ændringen af brændstofkornets kvalitet L er længden af brændstofkornet; ρ er fast brændsels gennemsnitlige tæthed t er arbejdstiden.
og 
repræsenterer tætheden af det indlejrede paraffinbaserede brændsels- og ABS-materiale, og repræsenterer 
massefraktionen af henholdsvis det indlejrede paraffinbaserede brændstof og ABS-materiale.
, og den iterative algoritme blev valgt som Levenberg-Marquardt optimeringsalgoritme.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 7 viser ændringerne i forbrændingskammerets tryk og iltningsmiddelmassestrømningshastigheden. For at give den nødvendige tid til flowregulering kommer ilteratoren ind i forbrændingskammeret på forhånd. Når motoren bygger tryk i forbrændingskammeret, falder iltmassens strømningshastighed hurtigt og opretholder derefter en relativt stabil ændring. Under forbrændingsprocessen forbliver trykket i forbrændingskammeret relativt stabilt.
Billeder, der viser en sammenligning af trykoscillationsfrekvensen for forbrændingskammeret, findes i figur 8. Trykudsvingsspektret i det nye brændselskorn indeholdt tre forskellige toppe, som var forbundet med hybridlavfrekvensen, Helmholtz-tilstanden og den akustiske halvbølge iforbrændingskammeret, henholdsvis 34. Placeringen af de tryktoppe, der svarede til det nye brændselskorn, var stort set den samme som for de paraffinbaserede brændstoffer, hvilket indikerer, at det ikke er sandsynligt, at nye konstruktioner vil medføre yderligere forbrændingssvingninger. Desuden fremgår det tydeligt af den glattede kurve, at amplituden af den dominerende lavfrekvente trykoscillation blev forstærket en smule af den nye struktur. Derfor, før den faktiske anvendelse af den nye brændstof korn, yderligere strukturel optimering er nødvendig for at reducere amplitude af trykslanger.
Figur 9 viser en sammenligning af regressionshastigheden som funktion af iltningsmiddelfvas mellem nye brændselskorn og paraffinbaserede brændselskorn. Sammenlignet med traditionelle HTPB-brændstoffer blev regressionsraten for paraffinbaserede brændstoffer ca. fordoblet. Ikke desto mindre viste det sig, at regressionshastigheden for det nye brændselskorn med samme iltningsmiddels massehastighed var højere end det paraffinbaserede brændstofs. Og forskellen mellem regressionsraten for to brændstoffer blev også gradvist større, efterhånden som iltningsmiddelfluksen steg.
Et billede, der sammenligner forbrændingseffektiviteten baseret på den karakteristiske hastighed, præsenteres i figur 10. Den nye brændstof korn udstillet en højere (karakteristisk hastighed) end paraffin-baserede korn på forskellige iltningsmiddel / brændstof forhold. Tilsvarende lettet af den indlejrede spiralformede struktur, den gennemsnitlige forbrændingseffektivitet af det nye brændstof korn er blevet øget med omkring 2% (±0,7%). På grund af den lave brændværdi af kommercielle ABS materialer og de forskellige ækvivalens nøgletal, forbedring af forbrændingseffektiviteten anlagt af den nye struktur var ikke indlysende.
Resultaterne af fyringsprøverne viste , at regressionshastigheden for brændstofkornet med en indlejret spiralstruktur effektivt kunne forbedres32. Desuden viser den nye struktur også et stort potentiale for forbedring af forbrændingseffektiviteten. Begge talrige recirkulationszoner ved rillerne mellem tilstødende lameller og den spiralformede struktur øger turbulensen og hvirvlenummeret i forbrændingskammeret. Udvekslingen af stof og energi mellem brændstofkornet og forbrændingszonen øges, hvilket forbedrer forbrændingsydelsen.
Figur 1: Forbrændingsproces involveret i hybridraket.
Blandings- og forbrændingsprocesserne i hybridraketten er forskellige fra enten væsker eller faste stoffer. I hybrider forekommer blanding og forbrænding i området med diffusionsforbrænding, der har samme længde som forbrændingskammeret. Arten af diffusionsforbrændingsmodellen fører til en reduktion i blandings- og forbrændingseffektiviteten, som varierer fra 50 % til 99 % i praktiske anvendelser27,35. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: Karakteristisk struktur af nyt brændselskorn.
På grund af de forskellige regressionsrater mellem to brændstoffer dannes og vedligeholdes denne indlejrede spiralstruktur under forbrændingsprocessen. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3: Recirkulationszone dannet.
Når gassen passerer gennem rillerne mellem tilstødende lameller, dannes der en recirkulationszone. Forstyrrelserne intensiveres, og udvekslingen af stof og energi i forbrændingskammeret er blevet forbedret. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4: Strukturelle billeder af nyt brændselskorn.
a) 3D-trykning af ABS-substrat med en ydre diameter på 70 mm, en indvendig diameter på 30 mm og en længde på 125 mm.b) Indlejret spiralkonstruktion af det nye brændselskorn, hvor paraffinbaserede brændstof- og ABS-blade opretholder samme oprindelige indre diameter. c) Billede af det formede brændstof. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5: Eksperimentel opsætning.
Skematisk af laboratorie-skala hybrid raketmotor. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6: LabVIEW måle- og kontrolprogramgrænseflade.
a) Installation af grænseflade (b) grænseflade (c) brugergrænseflade i manuel tilstand (d) program, der kører overvågningsgrænsefladen. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 7: Ændring af forbrændingskammertryk og iltningsmiddelmassestrømningshastighed.
Under forbrændingsprocessen forbliver massestrømningshastigheden af iltningsmiddel og forbrændingskammertryk relativt stabil. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 8: Sammenligning af trykoscillationsfrekvensen for forbrændingskammeret.
Lavfrekvente svingninger er den dominerende forbrændingsoscillation tilstand af hybrid raketter. Sammenlignet med paraffinbaserede brændselskorn er amplituden af dominerende svingninger for brændstofkornet med indlejret spiralstruktur steget en smule. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 9: Sammenligning af regressionshastighed med iltningsmiddelf flux.
Efterhånden som iltningsmiddelfødning øges, bliver effekten af den nye struktur på at øge regressionsraten større. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 10: Sammenligning af forbrændingseffektivitet baseret på karakteristisk hastighed.
a) Den gennemsnitlige forbrændingseffektivitet for paraffinbaseret brændselskorn er 77 %. b) Den gennemsnitlige forbrændingseffektivitet for nye kerner er 79 %. Da forbrændingsbrændværdien af det anvendte ABS-materiale er ekstremt lav, forbedres forbrændingseffektiviteten en smule. Klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Teknikken præsenteres i dette papir er en ny tilgang ved hjælp af et brændstof korn med en indlejret spiralformet struktur. Det er ikke vanskeligt at etablere det nødvendige udstyr og de nødvendige faciliteter. Den spiralformede struktur kan let fremstilles ved 3D-printning, og indlejring af paraffinbaserede brændstoffer kan nemt udføres ved centrifugalstøbning. Fused deposition støbning (FDM) 3D-printere er ikke dyre, og omkostningerne ved centrifuger er lav.
Når den indersiden af den formede brændstofkorn viste sig at have revner, der ikke kan ignoreres, blev varmetemperaturen i smelteblanderen forhøjet til 200 °C. Derefter blev de lavviskositetskarakteristika for paraffinbaseret brændstof brugt til at udføre en reparationssende til at udfylde hulrummene i brændstofkornet. Efter kornet var helt afkølet, blev det indre hul poleret, indtil diameteren var i overensstemmelse med det oprindelige design.
Der er flere kritiske trin i protokollen. I trin 1.1.1.5, fordi kontaktområdet mellem ABS-underlaget og udskriftstabellen er lille, er bunden af substratet let deformeret og kan glide under udskrivningsprocessen, hvilket i sidste ende resulterer i udskrivningsfejl. Dette problem kan afhjælpes betydeligt ved at øge kontaktområdet på den nederste overflade. Det blev konstateret, at bruge Tømmerflåde med nederdel parameter fungerer bedst. Infill-tætheden skal indstilles til 100 % for at reducere tryktomrum i ABS-underlaget og øge tryktætheden. I trin 1.1.1.8 kan indstilling af den opvarmede sengetemperatur til 100 °C desuden effektivt forhindre, at ABS-substratet bliver skævt.
I trin 1.1.2.2, baseret på ABS's termiske deformationstemperatur og den mindste smeltetemperatur for det paraffinbaserede brændstof, viste det sig muligt at opvarme det konfigurerede paraffinbaserede brændstof til en temperatur på 120 °C. Det er nødvendigt at forhindre ABS-substratet i at deformere, når temperaturen er for høj. Samtidig er det nødvendigt at undgå ufuldstændig smeltning og blanding af paraffinbaseret brændstof, når temperaturen er for lav.
I trin 1.1.3, for at forkorte støbning tid, og for at undgå det problem, at brændstofkornet er let revnet på grund af den overdrevne termiske stress genereret under afkølingsprocessen af one-shot støbning proces, øge antallet af hældninger og effektiv køling er nødvendige for hurtig og høj kvalitet støbning af brændstofkornet. Ifølge den faktiske støbning kvalitet og fremstilling erfaring, fire eller flere hælde gange er nødvendige for størrelsen af brændstof korn i dette arbejde.
Der er to begrænsninger ved denne teknik. Den ene er, at materialerne er uforenelige. På grund af den termiske stress og støbning fejl, den nye brændstof korn vil sandsynligvis have revner, defekter eller afbenede under støbning processen. Ved at sammenligne resultaterne af fyringsprøverne mellem krakket brændselskorn og det normale brændstofkorn blev det imidlertid konstateret, at den karakteristiske struktur af de to typer brændstofkorn, som er vist i figur 2,stort set forblev den samme efter forbrændingen. Intet indlysende fænomen af erosiv brændende blev observeret på den indre overflade af brændstoffet korn. Fordi de lave viskositetskarakteristika for paraffinbaseret brændstof gør det spontant fylde revner under forbrændingsprocessen, denne nye brændstof korn er ikke følsom over for revner.
For det andet er paraffinbaserede brændstoffer på grund af centrifugerens egenskaber ikke let at afkøles i tide under dannelsen af brændstofkornet, hvilket resulterer i delaminering. For at undgå en så stor indvirkning på brændstofkornets radiale ensartethed kan det at øge antallet af hældninger overvinde denne vanskelighed.
Baseret på den strukturelle optimering, en ny brændstof korn med en indlejret spiralformet struktur er foreslået. På grund af de forskellige regressionsrater mellem de to materialer kan denne karakteristiske struktur eksistere gennem hele forbrændingsprocessen og give forbedringer af ydeevnen. Sammenlignet med paraffinbaseret brændstofkorn viser denne nye struktur en effektiv forbedring, herunder den samlede regressionsrate og forbrændingseffektiviteten.
Den præsenterede teknik kan bruges til at forbedre forbrændingen af traditionelle brændstoffer såsom HTPB (hydroxyl-terminated polybutadien), paraffin-baseret brændstof, og carboxyl-afsluttet polybutadien. Vi mener, at denne teknik effektivt kan løse det centrale problem med lav regressionsrate, der i øjeblikket begrænser udviklingen af hybridraketmotoren. Desuden viser denne teknik et stort potentiale for at forbedre forbrændingseffektiviteten. Yderligere optimering af parametre som klingestrukturen, antallet af blade og klingetykkelsen er nødvendig for at maksimere forbrændingens ydeevne.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har intet at afsløre.
Acknowledgments
Dette arbejde blev støttet af National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 11802315, 11872368 og 11927803) og Equipment Pre-Research Foundation of National Defense Key Laboratory (Grant No. 6142701190402).
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 |
References
- Boiron, A. J., Cantwell, B. 49th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. , (2013).
- Mazzetti, A., Merotto, L., Pinarello, G. Paraffin-based hybrid rocket engines applications: A review and a market perspective. Acta Astronautica. 126, 286-297 (2016).
- Karabeyoglu, A., Zilliac, G., Cantwell, B. J., DeZilwa, S., Castellucci, P. Scale-Up Tests of High Regression Rate Paraffin-Based Hybrid Rocket Fuels. Journal of Propulsion and Power. 20 (6), 1037-1045 (2004).
- Jens, E. T., Narsai, P., Cantwell, B., Hubbard, G. S. 50th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. , (2014).
- Kuo, K. K., Chiaverini, M. J. Fundamentals of Hybrid Rocket Combustion and Propulsion. , (2007).
- Boardman, T., et al. 33rd Joint Propulsion Conference and Exhibit. , (1997).
- Connell, T. L., et al. Enhancement of Solid Fuel Combustion in a Hybrid Rocket Motor Using Amorphous Ti-Al-B Nanopowder Additives. Journal of Propulsion and Power. 35 (3), 662-665 (2019).
- Veale, K., Adali, S., Pitot, J., Brooks, M. A review of the performance and structural considerations of paraffin wax hybrid rocket fuels with additives. Acta Astronautica. 141, 196-208 (2017).
- Karakas, H., Kara, O., Ozkol, I., Karabeyoglu, A. M. AIAA Propulsion and Energy 2019 Forum. , (2019).
- Di Martino, G. D., Mungiguerra, S., Carmicino, C., Savino, R. Computational fluid-dynamic modeling of the internal ballistics of paraffin-fueled hybrid rocket. Aerospace Science and Technology. 89, 431-444 (2019).
- Leccese, G., Cavallini, E., Pizzarelli, M. AIAA Propulsion and Energy 2019 Forum. , (2019).
- Cardoso, K. P., Ferrão, L. F. A., Kawachi, E. Y., Gomes, J. S., Nagamachi, M. Y. Ballistic Performance of Paraffin-Based Solid Fuels Enhanced by Catalytic Polymer Degradation. Journal of Propulsion and Power. 35 (1), 115-124 (2019).
- Paccagnella, E., Barato, F., Pavarin, D., Karabeyoğlu, A. Scaling Parameters of Swirling Oxidizer Injection in Hybrid Rocket Motors. Journal of Propulsion and Power. 33 (6), 1378-1394 (2017).
- Kumar, R., Ramakrishna, P. A. Effect of protrusion on the enhancement of regression rate. Aerospace Science and Technology. 39, 169-178 (2014).
- Kumar, R., Ramakrishna, P. A. Enhancement of Hybrid Fuel Regression Rate Using a Bluff Body. Journal of Propulsion and Power. 30 (4), 909-916 (2014).
- Degges, M. J., et al. 49th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. , (2013).
- Connell, T., Young, G., Beckett, K., Gonzalez, D. R. AIAA Scitech 2019 Forum. , (2019).
- Whitmore, S., Peterson, Z., Eilers, S. 47th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. , (2011).
- Whitmore, S. A., Armstrong, I. W., Heiner, M. C., Martinez, C. J. 2018 Joint Propulsion Conference. , (2018).
- Whitmore, S. A., Peterson, Z. W., Eilers, S. D. Comparing Hydroxyl Terminated Polybutadiene and Acrylonitrile Butadiene Styrene as Hybrid Rocket Fuels. Journal of Propulsion and Power. 29 (3), 582-592 (2013).
- Whitmore, S. A., Sobbi, M., Walker, S. 50th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. , (2014).
- Whitmore, S. A., Walker, S. D. Engineering Model for Hybrid Fuel Regression Rate Amplification Using Helical Ports. Journal of Propulsion and Power. 33 (2), 398-407 (2017).
- Creech, M., et al. 53rd AIAA Aerospace Sciences Meeting. , (2015).
- Lyne, J. E., et al. 2018 Joint Propulsion Conference. , (2018).
- Elliott, T. S., et al. 52nd AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. , (2016).
- Armold, D., et al. 49th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. , (2013).
- Armold, D. M., et al. 50th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. , (2014).
- Fuller, J., Ehrlich, D., Lu, P., Jansen, R., Hoffman, J. 47th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. , (2011).
- Lee, C., Na, Y., Lee, J. W., Byun, Y. H. Effect of induced swirl flow on regression rate of hybrid rocket fuel by helical grain configuration. Aerospace Science and Technology. 11 (1), 68-76 (2007).
- Tian, H., Li, Y., Li, C., Sun, X. Regression rate characteristics of hybrid rocket motor with helical grain. Aerospace Science and Technology. 68, 90-103 (2017).
- Hitt, M. A. 2018 Joint Propulsion Conference. , (2018).
- Wang, Z., Lin, X., Li, F., Yu, X. Combustion performance of a novel hybrid rocket fuel grain with a nested helical structure. Aerospace Science and Technology. 97, (2020).
- McBride, J. B., Gordon, S. Computer Program for Calculation of Complex Chemical Equilibrium Compositions and APPlications. , (1996).
- De Zilwa, S., Zilliac, G., Karabeyoglu, A., Reinath, M. 39th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit. , (2003).
- Franco, M., et al. Regression Rate Design Tailoring Through Vortex Injection in Hybrid Rocket Motors. Journal of Spacecraft and Rockets. 57 (2), 278-290 (2020).
