Summary
Een techniek die gebruik maakt van een vaste brandstofkorrel met een nieuwe geneste spiraalvormige structuur om de verbrandingsprestaties van een hybride raketmotor te verbeteren, wordt gepresenteerd.
Abstract
Een techniek om de verbrandingsprestaties van een hybride raketmotor te verbeteren met behulp van een nieuwe brandstofkorrelstructuur wordt gepresenteerd. Deze techniek maakt gebruik van de verschillende regressie tarieven van acrylonitril butadieen styreen en paraffine-gebaseerde brandstoffen, die de uitwisseling van zowel materie en energie te verhogen door swirl flow en recirculatie zones gevormd op de groeven tussen de aangrenzende schensten. De centrifugaal giettechniek wordt gebruikt om de op paraffine gebaseerde brandstof in een acrylonitril butadieen styreensubstraat te gieten gemaakt door driedimensionaal printen. Met behulp van zuurstof als oxidatiemiddel, een reeks tests werden uitgevoerd om de verbranding prestaties van de nieuwe brandstofkorrel te onderzoeken. In vergelijking met paraffinegebaseerde brandstofkorrels vertoonde de brandstofkorrel met een geneste spiraalvormige structuur, die gedurende het gehele verbrandingsproces kan worden gehandhaafd, een aanzienlijke verbetering van het regressiepercentage en een groot potentieel voor verbetering van de verbrandingsefficiëntie.
Introduction
Een techniek om de verbrandingsprestaties van een hybride raketmotor te verbeteren is dringend vereist. Tot op heden zijn de praktische toepassingen van hybride raketmotoren nog steeds veel minder dan die van vaste en vloeibare raketmotoren1,2. De lage regressiesnelheid van traditionele brandstoffen beperkt de verbetering van de stuwkrachtprestaties voor de hybride raketmotor3,4. Bovendien is de verbrandingsefficiëntie iets lager dan die van andere chemische energieraketten als gevolg van interne diffusieverbranding5, zoals blijkt uit figuur 1. Hoewel verschillende technieken zijn bestudeerd en ontwikkeld, zoals het gebruik van multi-ports6, het verbeteren van additieven7,8,9, vloeibaar maken van brandstof10,11,12, swirl injectie13, uitsteeksels14, en bluf lichaam15, worden deze benaderingen geassocieerd met problemen in volumegebruik, verbrandingsefficiëntie, mechanische prestaties en redundantie kwaliteit. Tot nu toe heeft de structurele verbetering van het brandstofgraan, dat deze tekortkomingen niet vertoont , meer aandacht getrokken als een doeltreffend middel om de verbrandingsprestaties te verbeteren16,17. De komst van driedimensionaal (3D) printen heeft brough een effectieve manier om de prestaties van hybride raketmotoren te verhogen door de mogelijkheid om snel en goedkoop complexe conventionele graanontwerpen of niet-conventionele brandstofkorrels18,19,20,21,22,23, 24,25,26,27,28,29,30te produceren . Tijdens het verbrandingsproces verminderen deze verbeteringen in de verbrandingsprestaties echter met de karakteristieke structuurverbranding , wat resulteert in een daling van de verbrandingsprestaties23. We hebben aangetoond dat een nieuw ontwerp nuttig is bij het verbeteren van de prestaties van hybride raketmotoren31. De details voor deze techniek en representatieve resultaten worden in dit document gepresenteerd.
De brandstofkorrel bestaat uit een spiraalvormig substraat gemaakt door acrylonitril-butadieen-styreen (ABS) en een geneste paraffinebrandstof. Op basis van centrifugaal en 3D-printen werden de voordelen van de twee brandstoffen met verschillende regressiepercentages gecombineerd. De speciale spiraalvormige structuur van het brandstofkorrel na verbranding wordt weergegeven in figuur 2. Wanneer gas door de brandstofkorrel gaat, worden er tegelijkertijd talrijke recirculatiezones gecreëerd bij groeven tussen bladen, wat wordt weergegeven in figuur 3. Deze karakteristieke structuur op het binnenoppervlak verhoogt de turbulentie kinetische energie en werveling nummer in de verbrandingskamer, die de uitwisseling van zowel materie en energie in de verbrandingskamer te verhogen. Uiteindelijk wordt de regressiesnelheid van de nieuwe brandstofkorrel effectief verbeterd. Het effect van de verbetering van het regressiepercentage is goed bewezen: met name de regressiesnelheid van de nieuwe brandstofkorrel bleek 20% hoger te zijn dan dat van de op paraffine gebaseerde brandstof bij de massastroom van 4 g/s·cm2,32.
Een voordeel van de brandstofkorrel met een geneste spiraalvormige structuur is dat het eenvoudig te vervaardigen is. Het gietproces vereist voornamelijk een smeltmixer, een centrifuge en een 3D-printer. Het ABS-substraat gevormd door 3D-printen verlaagt de productiekosten sterk. Een ander belangrijk en uniek voordeel is dat het verbeteringseffect niet verdwijnt tijdens het verbrandingsproces.
Dit document presenteert het experimentele systeem en de procedure voor het verbeteren van de verbrandingsprestaties van een hybride raketmotor met behulp van de nieuwe brandstofkorrelstructuur. Daarnaast bevat dit document drie representatieve vergelijkingen van verbrandingsprestatieparameters om de haalbaarheid van de techniek aan te tonen, waaronder oscillatiefrequentie van de druk van de verbrandingskamer, regressiesnelheid en verbrandingsefficiëntie die wordt gekenmerkt door karakteristieke snelheid.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Experimentele opzet en procedures
- Bereiding van brandstofkorrel
LET OP: De brandstofkorrel met nieuwe structuur bestond uit twee delen, die in Figuur 4worden getoond. Als het grootste deel van de nieuwe korrel, de paraffine-gebaseerde brandstof is goed voor meer dan 80% van de totale massa. Het ABS substraat wordt gebruikt als extra brandstof. De voorbereiding van deze brandstofkorrel werd gerealiseerd door het combineren van 3D-printen en centrifugaalgieten.- Substraatbereiding
- Open 3D-software voor ABS substraattekening.
OPMERKING: Het ABS-substraat, dat bedoeld is om het spiraalvormige kader en de ondersteuning van de brandstof op basis van paraffine te bieden, bestaat uit twaalf geïntegreerde bladen die 360° met de klok mee draaien in de axiale richting en de wand. - Sla de 3D-structuur van het ABS-substraat op als een STL-bestand.
- Open de 3D snijsoftware en importeer de structuur van ABS substraat.
- Klik op Snijdenstarten en selecteer De afdrukmodus Snelheid in hoofdsjabloon.
LET OP: Kies voor de primaire extruder abs 1,75 mm. - Dubbelklik op Snelheid,verander de infilldichtheid in 100% en selecteer Raft met Rok voor de Platform Addition.
OPMERKING: Om de afdrukkwaliteit te verbeteren en kromtrekken te voorkomen, is het noodzakelijk om een structuur van printbasis(Raft met Rok)te gebruiken om het contactgebied tussen de printbeslag en de bodemplaat te vergroten. - Klik op Opslaan en sluitenen klik vervolgens op Segment.
- Schakel de 3D-printer in en importeer het ABS-substraatsegmentbestand.
- Stel de temperatuur van het verwarmde bed en het mondstuk in op respectievelijk 100 en 240 °C.
- Klik op Start om af te drukken na stabilisatie.
- Open 3D-software voor ABS substraattekening.
- Paraffine-gebaseerde brandstofvoorbereiding
- Bereid grondstoffen van paraffine, polyethyleen (PE) was, stearic zuur, ethyleen-vinyl acetaat (EVA), en koolstofpoeder. Configureer de brandstof op basis van paraffine op basis van de verhouding van deze componenten als 0,58:0.2:0.1:0.1:0.02.
LET OP: De specifieke informatie van elke grondstof wordt weergegeven in de materiaaltabel. De distributieverhouding van op paraffine gebaseerde brandstof is niet vast en kan op de juiste wijze worden aangepast aan het doel van het experiment. Het doel van het toevoegen van koolstofpoeder is om stralingswarmteoverdracht te blokkeren en te voorkomen dat de brandstofkorrel verzacht en instort tijdens verbranding. - Plaats de geconfigureerde grondstoffen in de smeltmixer en smelt en roer volledig gemengd.
OPMERKING: De op paraffine gebaseerde brandstof wordt verwarmd tot 120 °C om volledig smelten te garanderen en vervorming van de ABS-messen te voorkomen.
- Bereid grondstoffen van paraffine, polyethyleen (PE) was, stearic zuur, ethyleen-vinyl acetaat (EVA), en koolstofpoeder. Configureer de brandstof op basis van paraffine op basis van de verhouding van deze componenten als 0,58:0.2:0.1:0.1:0.02.
- Brandstofkorrelproductie
OPMERKING: Om het effect van het verbeteren van de verbrandingsprestaties beter aan te tonen, werden op paraffine gebaseerde brandstofkorrels met dezelfde samenstelling ingesteld als de controle.- Plaats het ABS-substraat in de centrifuge en bevestig het met een einddop.
- Sluit de stroom aan en schakel de pompschakelaar in.
- Zet het centrifugerelais aan en verhoog de snelheid tot 1400 tpm.
- Open de klep op de smeltmixer en begin met gieten.
OPMERKING: De gesmolten paraffine-gebaseerde brandstof stroomt in het eerste deel van de mal door de pijp en het einddeksel met een centrale opening. Onder invloed van de zwaartekracht verspreidt de vloeibare brandstof zich langs de axiale richting van de mal. In combinatie met effectieve koeling is een meervoudige gietmethode nodig, die het oorspronkelijke eenmalige vulproces in meerdere keren moet verdelen, om de thermische stress te verminderen. - Verwijder de brandstofkorrel en snijd de vorm bij.
- Meting en registratie van brandstofkorrels
- Meet en noteer het gewicht, de lengte en de binnendiameter van de brandstofkorrel.
- Fotografeer de volledige brandstofkorrel.
- Substraatbereiding
- Voorbereiding van hybride raketmotorsysteem
OPMERKING: Zoals aangegeven in figuur 5,bestond het hybride raketmotorsysteem uit vier delen: het toevoersysteem, het ontstekingssysteem, de motor en het meet- en regelsysteem. Het motoronderdeel bestond uit vijf delen: de fakkelontsteker, het hoofd, de verbrandingskamer, de naverbrandingskamer en het mondstuk. De totale lengte van de hybride raketmotor is ongeveer 300 mm, en de binnendiameter van de verbrandingskamer is 70 mm.- Hybride raketmotorassemblage
OPMERKING: De uitputtende details van de hybride raket op laboratoriumschaal en de samenstelling van het experimentele systeem zijn te vinden in het vorige document32.- Bevestig het verbrandingskamergedeelte van de hybride raketmotor op de schuifrail.
- Laad de brandstofkorrel en installeer de naverbrandingskamersectie.
- Installeer het hoofd en mondstuk.
- Installeer de fakkelontbrander op het hoofd van de hybride raketmotor.
- Installeer de bougie en sluit de voeding aan.
- Sluit de stikstof-, oxidatiemiddelen, ontstekingsmethaan en zuurstofgastoevoerleidingen aan tussen de testbank en de gasfles.
- Sluit de industriële computer, de multifunctionele data-acquisitiekaart, de massastroomcontroller en de controlekast van de testbank aan.
- Kracht op de testbank, de massastroomcontroller en de ontsteker.
- Hybride raketmotorassemblage
- Controleer het testsysteem en stel de experimentele omstandigheden in.
- Open de FlowDDE-software en klik op Communicatie-instellingen vanuit de communicatie.
- Klik op de bijbehorende verbindingsinterface en klik op OK.
- Klik op Communicatie openen om de communicatie met de stroomregelaar tot stand te brengen en het meet- en besturingsprogramma (MCP) te openen.
- Stel het I/O-kanaal van de multifunctionele data-acquisitiekaart in en klik op Uitvoeren om de communicatie met het hele systeem tot stand te brengen.
- Controleer de status van MCP-run en stel de handmatige besturingselementmodus in.
OPMERKING: De MCP bevat twee modi: handmatige bediening wordt gebruikt voor foutopsporing en automatische bediening wordt gebruikt tijdens experimenten. De MCP geschreven door LabVIEW is te zien in figuur 6. - Controleer de werktoestand van de bougie en voer een kleptest uit.
- Test gegevens opname functie.
- Open de instellingsinterface en stel de testtijd in, inclusief klepopenings- en sluitingstijd, ontstekingstijd en duur van het registreren van gegevens.
OPMERKING: Het duurt enige tijd voor de massastroom controller om de oxidatiemiddel stroom te regelen om de ingestelde waarde, dus de ontstekingstijd werd ingesteld op 2 s na de levering van oxidatiemiddel. - Stel veiligheidseisen vast en maak het personeel uit het experimentele gebied vrij.
- Open de cilinderklep en pas de uitgangsdruk van de regelklep aan op basis van de verschillende omstandigheden in de massastroomsnelheid.
LET OP: Met de aanvoerdruk van 6MPa ligt het bereik van de massastroom van de oxidatiemiddel tussen 7 g/s en 29 g/s. - Open de instellingsinterface en stel de massastroomsnelheid van de oxidatiemiddel in.
- Hybride raketmotorontsteking
- Zet de camera aan.
- Stel de MCP in op de automatische besturingsmodus en wacht op trigger.
- Klik op Start op de MCP om het experiment te starten.
- Na ongeveer een minuut klikt u op Stoppen op de MCP en schakelt u de camera uit.
- Sluit de gasfles en open de klep in de leiding om de druk te verlichten.
- Schakel de testbank uit en verwijder de brandstofkorrel.
- Herhaal stap 1.1.4.
2. Analyse van de verbrandingsprestaties
- Analyse van drukschoiling
LET OP: De opgeslagen drukgegevens van de verbrandingskamer worden weergegeven als Pc(t).- Open Pc (t)met de data processing software.
- Kies de periode tijdens het verbrandingsproces van de hybride raketmotor.
- Selecteer Analyse > Signaalverwerking > FFT om de drukschoiling te analyseren.
- Gebruik de standaardinstellingen en klik op OK.
- Analyse van regressiepercentage
- Bereken de regressiesnelheid van de brandstofkorrel volgens de volgende functie:
wanneer ΔD de verandering van de gemiddelde binnendiameters van de vaste brandstofkorrel na de vuurproef weerdraagt;
de verandering van kwaliteit van de brandstofkorrel vertegenwoordigen; L is de lengte van de brandstofkorrel; ρ is de gemiddelde dichtheid van de vaste brandstof; t is de werktijd.
OPMERKING: De gemiddelde dichtheid ρ van de nieuwe korrel werd uitgedrukt als:
waar
en 
de dichtheid van het geneste paraffinebrandstof- en ABS-materiaal 
vertegenwoordigen; en de massafractie van respectievelijk het geneste brandstof- en ABS-materiaal op basis van paraffine vertegenwoordigen. - Pas de regressiesnelheid aan als functie van oxidatiefflux.
OPMERKING: De montagefunctie is geselecteerd als Allometric1
en het iteratief algoritme werd geselecteerd als Levenberg-Marquardt optimalisatiealgoritme.
- Bereken de regressiesnelheid van de brandstofkorrel volgens de volgende functie:
- Analyse van de verbrandingsefficiëntie
- Bereken de gemiddelde druk van de verbrandingskamer Pc met de volgende functie:
wanneer Pc(t) de druk van de verbrandingskamer op verschillende tijdstippen vertegenwoordigt; t1 en tn vertegenwoordigen de initiële en laatste tijd waarop de druk van de verbrandingskamer groter was dan respectievelijk 50% van de gemiddelde druk; n vertegenwoordigt het aantal drukgegevenspunten tussen t 1 en tn. - Bereken de snelheid van de verbrandingskenmerken C⃰ volgens de volgende functie:
wanneer Pc de gemiddelde druk van de verbrandingskamer is; Eent is het keelgebied; ḿ is de totale massastroom. - Bereken de theoretische karakteristieke snelheid van paraffinebrandstof C⃰P door NASA CEA code33.
- Bereken de gemiddelde druk van de verbrandingskamer Pc met de volgende functie:
de verandering van kwaliteit van de brandstofkorrel vertegenwoordigen; L is de lengte van de brandstofkorrel; ρ is de gemiddelde dichtheid van de vaste brandstof; t is de werktijd.
en 
de dichtheid van het geneste paraffinebrandstof- en ABS-materiaal 
vertegenwoordigen; en de massafractie van respectievelijk het geneste brandstof- en ABS-materiaal op basis van paraffine vertegenwoordigen.
en het iteratief algoritme werd geselecteerd als Levenberg-Marquardt optimalisatiealgoritme.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figuur 7 toont de veranderingen in de druk van de verbrandingskamer en de massastroom van oxidatiemiddelen. Om de benodigde tijd voor stroomregeling te bieden, komt de oxidatiemiddel op voorhand de verbrandingskamer binnen. Wanneer de motor druk opbouwt in de verbrandingskamer, daalt de zuurstofmassastroom snel en behoudt vervolgens een relatief gestage verandering. Tijdens het verbrandingsproces blijft de druk in de verbrandingskamer relatief stabiel.
Beelden met een vergelijking van de drukg oscillatiefrequentie van de verbrandingskamer worden weergegeven in figuur 8. Het spectrum van de drukschommelingen van de nieuwe brandstofkorrel bevatte drie verschillende pieken, die met de hybride lage frequentie, de wijze Helmholtz en de akoestische halve golf in de verbrandingskamer, respectievelijk34werden geassoci ërd. De positie van de drukpieken die overeenkomen met de nieuwe brandstofkorrel was in principe gelijk aan die van de op paraffine gebaseerde brandstoffen, wat erop wijst dat nieuwe structuur waarschijnlijk geen extra verbrandingsschommelingen zal introduceren. Bovendien is aan de gladgemaakte curve duidelijk te zien dat de amplitude van dominante lage frequentiedruk oscillatie enigszins werd versterkt door de nieuwe structuur. Daarom, vóór de daadwerkelijke toepassing van de nieuwe brandstofkorrel, is verdere structurele optimalisering nodig om de amplitude van drukschommelingen te verminderen.
Figuur 9 toont een vergelijking van regressiesnelheid als functie van oxidatiefflux tussen nieuwe brandstofkorrels en op paraffine gebaseerde brandstofkorrels. Vergeleken met traditionele HTPB-brandstoffen werd het regressiepercentage van paraffinegebaseerde brandstoffen ongeveer verdubbeld. Niettemin bleek bij dezelfde oxidatiemiddelmassastroom de regressiesnelheid van de nieuwe brandstofkorrel hoger te zijn dan die van de brandstof op basis van paraffijnen. En de kloof tussen de regressie tarieven van twee brandstoffen ook geleidelijk groter naarmate de oxidatie flux toegenomen.
Een beeld waarin de verbrandingsefficiëntie wordt vergeleken op basis van de karakteristieke snelheid wordt weergegeven in figuur 10. De nieuwe brandstofkorrel stelde een hogere (kenmerkende snelheid) tentoon dan paraffine-gebaseerde korrels bij diverse oxidizer/brandstofverhoudingen. De gemiddelde verbrandingsefficiëntie van de nieuwe brandstofkorrel, gefaciliteerd door de geneste spiraalvormige structuur, is met ongeveer 2% (±0,7%). Door de lage calorische waarde van commerciële ABS-materialen en de verschillende equivalentieverhoudingen lag de verbetering van de verbrandingsefficiëntie van de nieuwe structuur niet voor de hand.
De resultaten van de vuurproeven toonden aan dat de prestaties van de regressiesnelheid voor het brandstofkorrel met een geneste spiraalvormige structuur effectief kunnen worden verbeterd32. Bovendien toont de nieuwe structuur ook een groot potentieel voor verbetering van de verbrandingsefficiëntie. Zowel talrijke recirculatiezones bij de groeven tussen aangrenzende schensten als de spiraalvormige structuur verhogen de turbulentie en het wervelingsgetal in de verbrandingskamer. De uitwisseling van materie en energie tussen de brandstofkorrel en de verbrandingszone wordt verhoogd, waardoor de verbrandingsprestaties worden verbeterd.
Figuur 1: Verbrandingsproces betrokken bij hybride raket.
De meng- en verbrandingsprocessen van de hybride raket verschillen van vloeistoffen of vaste stoffen. In hybriden komen menging en verbranding voor in het gebied van diffusieverbranding dat dezelfde lengte heeft als de verbrandingskamer. De aard van het diffusieverbrandingsmodel leidt tot een vermindering van de mate van meng- en verbrandingsefficiëntie, die varieert van 50% tot 99% in praktische toepassingen27,35. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 2: Karakteristieke structuur van nieuwe brandstofkorrel.
Door de verschillende regressiesnelheden tussen twee brandstoffen wordt deze geneste spiraalvormige structuur gevormd en onderhouden tijdens het verbrandingsproces. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 3: Recirculatiezone gevormd.
Wanneer gas door de groeven tussen aangrenzende schensten gaat, wordt een recirculatiezone gevormd. De verstoring wordt geïntensiveerd en de uitwisseling van materie en energie in de verbrandingskamer is verbeterd. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 4: Structurele beelden van nieuwe brandstofkorrel.
a) 3D-printen van ABS-substraat met een buitendiameter van 70 mm, een binnendiametervan 30 mm en een lengte van 125 mm. c) Afbeelding van de gevormde brandstof. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 5: Experimentele opstelling.
Schematisch van de hybride raketmotor op laboratoriumschaal. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 6: LabVIEW meet- en besturingsprogramma-interface.
(a) Setup interface (b) auto-mode interface (c) handmatig-modus interface(d)programma met monitoring interface. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 7: Verandering van de druk van de verbrandingskamer en de massastroom van oxidatiemiddelen.
Tijdens het verbrandingsproces blijft de massastroom van oxidatiemiddel en verbrandingskamerdruk relatief stabiel. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 8: Vergelijking van de drukfrequentie van de verbrandingskamer.
Lage frequentie oscillatie is de dominante verbrandingsschoiling modus van hybride raketten. Vergeleken met paraffinegebaseerde brandstofkorrels is de amplitude van dominante oscillatie voor de brandstofkorrel met geneste spiraalvormige structuur iets toegenomen. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 9: Vergelijking van regressie met oxidatieflux.
Naarmate de flux van de oxidatiemiddel toeneemt, wordt het effect van de nieuwe structuur op het verhogen van de regressiesnelheid significanter. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 10: Vergelijking van de verbrandingsefficiëntie op basis van de karakteristieke snelheid.
a) De gemiddelde verbrandingsefficiëntie van paraffinebrandstofkorrel is 77%. b) De gemiddelde verbrandingsefficiëntie van nieuwe granen bedraagt 79%. Omdat de verbrandingswaarde van het gebruikte ABS-materiaal extreem laag is, is de verbrandingsefficiëntie iets verbeterd. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De techniek die in dit document wordt voorgesteld is een nieuwe benadering gebruikend een brandstofkorrel met een geneste spiraalvormige structuur. Er zijn geen problemen bij het opzetten van de benodigde apparatuur en faciliteiten. De spiraalvormige structuur kan gemakkelijk worden geproduceerd door 3D-printen, en nesten van paraffine-gebaseerde brandstoffen kunnen gemakkelijk worden uitgevoerd door centrifugaalgieten. Gesmolten depositie molding (FDM) 3D-printers zijn niet duur en de kosten van centrifuges is laag.
Toen bleek dat het binnenoppervlak van de gevormde brandstofkorrel scheuren had die niet kunnen worden genegeerd, werd de verwarmingstemperatuur in de smeltmixer verhoogd tot 200 °C. Vervolgens werden de lage viscositeitkenmerken van de op paraffine gebaseerde brandstof gebruikt om een reparatie uit te voeren om de holtes van de brandstofkorrel te vullen. Nadat de korrel volledig was afgekoeld, werd het binnenste gat gepolijst totdat de diameter consistent was met het oorspronkelijke ontwerp.
Er zijn verschillende kritieke stappen in het protocol. In stap 1.1.1.5, omdat het contactgebied tussen het ABS-substraat en de printtafel klein is, is de onderkant van het substraat gemakkelijk vervormd en kan het uitglijden tijdens het drukproces, wat uiteindelijk resulteert in een afdrukfout. Dit probleem kan sterk worden verlicht door het vergroten van het contactgebied van het onderste oppervlak. Men vond dat het gebruiken van de Vlot met de parameter van de Rok het beste werkt. De infilldichtheid moet op 100% worden ingesteld om de printholtes in het ABS-substraat te verminderen en de afdrukdichtheid te verhogen. Bovendien kan het instellen van de verwarmde bedtemperatuur in stap 1.1.1.8 effectief voorkomen dat het ABS-substraat wordt vervormd.
In stap 1.1.2.2, op basis van de thermische vervormingstemperatuur van ABS en de minimale smelttemperatuur van de brandstof op basis van paraffine, werd het verwarmen van de geconfigureerde op paraffine gebaseerde brandstof tot een temperatuur van 120 °C haalbaar gebleken. Het is noodzakelijk om te voorkomen dat het ABS-substraat vervormt wanneer de temperatuur te hoog is. Tegelijkertijd is het noodzakelijk om onvolledig smelten en mengen van de paraffinebrandstof te voorkomen wanneer de temperatuur te laag is.
In stap 1.1.3, om de giettijd te verkorten, en om het probleem te voorkomen dat de brandstofkorrel gemakkelijk wordt gekraakt als gevolg van de overmatige thermische stress gegenereerd tijdens het koelproces van de one-shot gietproces, het verhogen van het aantal gietruimtes en effectieve koeling zijn noodzakelijk voor een snelle en hoogwaardige lijst van de brandstofkorrel. Volgens de werkelijke vormkwaliteit en productie-ervaring, vier of meer giettijden nodig zijn voor de grootte van brandstofkorrel in dit werk.
Er zijn twee beperkingen aan deze techniek. Een daarvan is dat de materialen onverenigbaar zijn. Als gevolg van de thermische stress en casting fouten, de nieuwe brandstofkorrel is waarschijnlijk scheuren, gebreken of debonding hebben tijdens het gietproces. Door de resultaten van de vuurproeven tussen het gebarsten brandstofkorrel en de normale brandstofkorrel te vergelijken, bleek echter dat de karakteristieke structuur van de twee soorten brandstofkorrels, die in figuur 2wordt weergegeven, na verbranding in principe hetzelfde bleef. Geen duidelijk fenomeen van erosive verbranding werd waargenomen op het binnenoppervlak van de brandstofkorrel. Omdat de lage viscositeit kenmerken van de paraffine-gebaseerde brandstof maken het spontaan vullen de scheuren tijdens het verbrandingsproces, deze nieuwe brandstofkorrel is niet gevoelig voor scheuren.
Ten tweede, als gevolg van de kenmerken van centrifuge, paraffine gebaseerde brandstoffen zijn niet gemakkelijk te koelen in de tijd tijdens de vorming van de brandstofkorrel, wat resulteert in delaminatie. Om zo'n grote impact op de radiale uniformiteit van de brandstofkorrel te voorkomen, kan het verhogen van het aantal gieten deze moeilijkheid overwinnen.
Op basis van de structurele optimalisatie wordt een nieuwe brandstofkorrel met een geneste spiraalvormige structuur voorgesteld. Door de verschillende regressiesnelheden tussen de twee materialen kan deze karakteristieke structuur gedurende het gehele verbrandingsproces bestaan en prestatieverbeteringen bieden. Vergeleken met paraffinegebaseerde brandstofkorrel, toont deze nieuwe structuur een effectieve verbetering, inclusief de algehele regressiesnelheid en verbrandingsefficiëntie.
De gepresenteerde techniek kan worden gebruikt om de verbrandingsprestaties van traditionele brandstoffen zoals HTPB (hydroxyl-beëindigde polybutadieen), paraffine-gebaseerde brandstof, en carboxyl-beëindigde polybutadieen te verbeteren. Wij zijn van mening dat deze techniek effectief het belangrijkste probleem van lage regressie snelheid die momenteel de ontwikkeling van de hybride raketmotor te beperken kan oplossen. Bovendien toont deze techniek een groot potentieel voor het verbeteren van de verbrandingsefficiëntie. Verdere optimalisatie van parameters zoals de bladstructuur, het aantal messen en de bladdikte is nodig om de verbrandingsprestaties te maximaliseren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Dit werk werd ondersteund door de National Natural Science Foundation of China (Grant No. 11802315, 11872368 en 11927803) en Equipment Pre-Research Foundation of National Defense Key Laboratory (Grant No. 614270190402).
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).
