Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Améliorer les performances de combustion d’un moteur-fusée hybride à l’aide d’un nouveau grain de carburant avec une structure héliétique imbriquée

Published: January 18, 2021 doi: 10.3791/61555
Automatic Translation
1,2, 1, 1, 1, 1,2
1Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences, 2School of Engineering Science, University of Chinese Academy of Sciences

Summary

Une technique utilisant un grain de combustible solide avec une nouvelle structure hélitique imbriquée pour améliorer les performances de combustion d’un moteur-fusée hybride est présentée.

Abstract

Une technique visant à améliorer les performances de combustion d’un moteur-fusée hybride à l’aide d’une nouvelle structure de grain de carburant est présentée. Cette technique utilise les différents taux de régression des combustibles acrylonitriles à base de butadiène et de paraffine, qui augmentent les échanges de matière et d’énergie par des zones de flux tourbillonnant et de recirculation formées aux rainures entre les vanes adjacentes. La technique de coulée centrifuge est utilisée pour jeter le combustible à base de paraffine dans un substrat de styrène acrylonitrile au butadiène fabriqué par impression tridimensionnelle. En utilisant l’oxygène comme oxydant, une série d’essais ont été effectués pour étudier les performances de combustion du nouveau grain de carburant. Par rapport aux grains de carburant à base de paraffine, le grain de carburant à structure hélicétique imbriquée, qui peut être maintenu tout au long du processus de combustion, a montré une amélioration significative du taux de régression et un grand potentiel d’amélioration de l’efficacité de combustion.

Introduction

Une technique pour améliorer les performances de combustion d’un moteur-fusée hybride est nécessaire de toute urgence. À ce jour, les applications pratiques des moteurs-fusées hybrides sont encore bien inférieures à celles des moteurs-fuséessolides et liquides 1,2. Le faible taux de régression des carburants traditionnels limite l’amélioration des performances de poussée pour le moteur-fuséehybride 3,4. De plus, son efficacité de combustion est légèrement inférieure à celle des autres fusées à énergie chimique en raison de la combustion de diffusion interne5, comme le montre la figure 1. Bien que diverses techniques aient été étudiées et développées, telles que l’utilisation de multi-ports6,l’amélioration des additifs7,8,9, liquéfiant le carburant10,11,12, injectiontourbillonnante 13, saillies14, et bluff corps15, ces approches sont associées à des problèmes dans l’utilisation du volume, l’efficacité de combustion, la performance mécanique, et la qualité de redondance. Jusqu’à présent, l’amélioration structurelle du grain de carburant, qui n’a pas ces lacunes, a attiré plus d’attention en tant que moyen efficace d’améliorer les performances de combustion16,17. L’avènement de l’impression tridimensionnelle (3D) a permis d’augmenter efficacement les performances des moteurs-fusées hybrides grâce à la capacité de produire rapidement et à peu de frais des conceptions de céréales conventionnelles complexes ou des grains de carburant nonconventionnels 18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30. Toutefois, au cours du processus de combustion, ces améliorations des performances de combustion diminuent avec la combustion caractéristique de la structure, ce qui entraîne une diminution des performances de combustion23. Nous avons démontré qu’une nouvelle conception est utile pour améliorer les performances des moteurs-fuséeshybrides 31. Le détail de cette technique et les résultats représentatifs sont présentés dans ce document.

Le grain de carburant se compose d’un substrat hélicoïque fabriqué à partir d’acrylonitrile-butadiène-styrène (ABS) et d’un combustible imbriqué à base de paraffine. Sur la base de l’impression centrifuge et 3D, les avantages des deux carburants avec des taux de régression différents ont été combinés. La structure hélioïque spéciale du grain de carburant après combustion est indiquée dans la figure 2. Lorsque le gaz traverse le grain de carburant, de nombreuses zones de recirculation sont simultanément créées à des rainures entre les pales, ce qui est indiqué dans la figure 3. Cette structure caractéristique sur la surface intérieure augmente l’énergie cinétique de turbulence et le nombre tourbillonnant dans la chambre de combustion, qui augmentent les échanges de matière et d’énergie dans la chambre de combustion. En fin de compte, le taux de régression du nouveau grain de carburant est effectivement amélioré. L’effet de l’amélioration du taux de régression a été bien prouvé: en particulier, le taux de régression du nouveau grain de carburant s’est avéré 20% plus élevé que celui du carburant à base de paraffine au flux de masse de 4 g/s·cm2,32.

Un avantage du grain de carburant avec une structure hélicétique imbriquée est qu’il est simple à fabriquer. Le processus de moulage nécessite principalement un mélangeur de fonte, une centrifugeuse et une imprimante 3D. Le substrat ABS formé par l’impression 3D réduit considérablement le coût de fabrication. Un autre avantage important et unique est que l’effet d’amélioration ne disparaît pas pendant le processus de combustion.

Cet article présente le système expérimental et la procédure pour améliorer les performances de combustion d’un moteur-fusée hybride à l’aide de la nouvelle structure de grain de carburant. En outre, cet article présente trois comparaisons représentatives des paramètres de performance de combustion pour prouver la faisabilité de la technique, y compris la fréquence d’oscillation de la pression de chambre de combustion, le taux de régression, et l’efficacité de combustion caractérisée par la vitesse caractéristique.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Configuration expérimentale et procédures

  1. Préparation du grain de carburant
    REMARQUE : Le grain de carburant à structure nouvelle se composait de deux parties, qui sont indiquées à la figure 4. En tant que partie principale du nouveau grain, le carburant à base de paraffine représente plus de 80% de la masse totale. Le substrat ABS est utilisé comme combustible supplémentaire. La préparation de ce grain de carburant a été réalisée en combinant l’impression 3D et le moulage centrifuge.
    1. Préparation du substrat
      1. Ouvrez le logiciel 3D pour le dessin de substrat ABS.
        REMARQUE : Le substrat ABS, qui visait à fournir le cadre hélicétique et le support du carburant à base de paraffine, est composé de douze pales intégrées qui tournent à 360° dans le sens des aiguilles d’une montre dans le sens axial et le mur.
      2. Enregistrez la structure 3D du substrat ABS en tant que fichier STL.
      3. Ouvrez le logiciel de tranchage 3D et importez la structure du substrat ABS.
      4. Cliquez sur Démarrer le tranchage, et sélectionnez le mode d’impression de vitesse à partir du modèle principal.
        REMARQUE : Pour l’extrème primaire choisissez ABS 1.75 mm.
      5. Vitesse à double clic, changer la densité de remplissage à 100% et sélectionnez Radeau avec jupe pour l’ajout de plate-forme.
        REMARQUE: Afin d’améliorer la qualité d’impression et d’éviter la déformation, il est nécessaire d’utiliser une structure de base d’impression (Radeau avec jupe) pour augmenter la zone de contact entre le corps d’impression et la plaque inférieure.
      6. Cliquez sur Enregistrer et fermer, puis cliquez sur Tranche.
      7. Allumez l’imprimante 3D et importez le fichier de tranche de substrat ABS.
      8. Réglez la température du lit chauffé et de la buse à 100 et 240 °C, respectivement.
      9. Cliquez sur Démarrer pour imprimer après la stabilisation.
    2. Préparation de carburant à base de paraffine
      1. Préparer des matières premières de paraffine, de cire de polyéthylène (PE), d’acide stéarique, d’acétate éthylène-vinyle (EVA) et de poudre de carbone. Configurer le carburant à base de paraffine en fonction du rapport de ces composants comme 0.58:0.2:0.1:0.1:0.0.02.
        REMARQUE : Les informations spécifiques de chaque matière première sont indiquées dans le tableau des matières premières. Le rapport de distribution du carburant à base de paraffine n’est pas fixe et peut être ajusté de façon appropriée en fonction de l’objectif de l’expérience. Le but de l’ajout de poudre de carbone est de bloquer le transfert de chaleur radiante et d’empêcher le grain de carburant de ramollir et de s’effondrer pendant la combustion.
      2. Placer les matières premières configurées dans le mélangeur à fondre, et bien fondre et remuer jusqu’à ce qu’elles soient complètement mélangées.
        REMARQUE : Le carburant à base de paraffine est chauffé à 120 °C pour assurer une fonte complète tout en empêchant la déformation des lames ABS.
    3. Fabrication de céréales à combustible
      REMARQUE : Pour mieux démontrer l’effet de l’amélioration des performances de combustion, des grains de carburant à base de paraffine ayant la même composition ont été réglés que le contrôle.
      1. Placez le substrat ABS dans la centrifugeuse et fixez-le avec un bouchon d’extrémité.
      2. Branchez l’alimentation et allumez l’interrupteur de la pompe de refroidissement à l’eau.
      3. Allumez le relais de centrifugeuse et augmentez la vitesse à 1400 rpm.
      4. Ouvrez la vanne sur le mélangeur de fusion et commencez à moulage.
        REMARQUE : Le carburant fondu à base de paraffine s’écoule dans la section initiale du moule à travers le tuyau et le couvercle d’extrémité avec une ouverture centrale. Sous l’effet de la gravité, le carburant liquide se propage le long de la direction axiaale du moule. Combinée à un refroidissement efficace, une méthode à coulée multiple, qui consiste à diviser le processus de remplissage unique d’origine en plusieurs fois, est nécessaire pour réduire le stress thermique.
      5. Retirer le grain de carburant et couper la forme.
    4. Mesure et enregistrement du grain de carburant
      1. Mesurez et enregistrez le poids, la longueur et le diamètre intérieur du grain de carburant.
      2. Photographiez le grain de carburant complet.
  2. Préparation du système hybride de moteur de fusée
    REMARQUE : Comme le montre la figure 5,le système hybride des moteurs-fusées se composait de quatre parties : le système d’alimentation, le système d’allumage, le moteur et le système de mesure et de contrôle. La partie du moteur comprenait cinq parties : l’allumeur de torche, la tête, la chambre de combustion, la chambre de postcombustion et la buse. La longueur totale du moteur-fusée hybride est d’environ 300 mm, et le diamètre intérieur de la chambre de combustion est de 70 mm.
    1. Assemblage hybride de moteur de fusée
      REMARQUE : Les détails exhaustifs de la fusée hybride à l’échelle du laboratoire et de la composition du système expérimental se trouvent dans l’articleprécédent 32.
      1. Fixez la section de chambre de combustion du moteur-fusée hybride sur le rail de glissière.
      2. Chargez le grain de carburant et installez la section de la chambre après combustion.
      3. Installez la tête et la buse.
      4. Installez l’allumeur de torche sur la tête du moteur-fusée hybride.
      5. Installez la bougie d’allumage et connectez l’alimentation électrique.
    2. Connectez les lignes d’approvisionnement en azote, oxydant, méthane d’allumage et gaz d’oxygène d’allumage entre le banc d’essai et la bouteille de gaz.
    3. Connectez l’ordinateur industriel, la carte d’acquisition de données multifoncière, le contrôleur de flux de masse et la boîte de commande du banc d’essai.
    4. Puissance sur le banc d’essai, le contrôleur de flux de masse et l’allumeur.
  3. Vérifiez le système d’essai et définissez les conditions expérimentales.
    1. Ouvrez le logiciel FlowDDE et cliquez sur Paramètres de communication à partir de la communication.
    2. Cliquez sur l’interface de connexion correspondante et cliquez sur OK.
    3. Cliquez sur Communication ouverte pour établir la communication avec le contrôleur de débit et ouvrir le programme de mesure et de contrôle (MCP).
    4. Définissez le canal I/O de la carte d’acquisition de données multifonfonnelle et cliquez sur Exécuter pour établir la communication avec l’ensemble du système.
    5. Vérifiez l’état d’exécution mcp et définissez le mode de commande manuelle.
      REMARQUE : Le MCP comprend deux modes : le contrôle manuel est utilisé pour le débogage et le contrôle automatique est utilisé pendant les expériences. Le MCP écrit par LabVIEW est montré dans la figure 6.
    6. Vérifiez l’état de fonctionnement de la bougie d’allumage et effectuez un test de vanne.
    7. Testez la fonction d’enregistrement de données.
    8. Ouvrez l’interface de réglage et définissez l’heure de test, y compris l’heure d’ouverture et de fermeture de la vanne, le temps d’allumage et la durée de l’enregistrement des données.
      REMARQUE : Il faut un certain temps pour que le contrôleur de débit de masse régule le débit oxydant à la valeur définie, de sorte que le temps d’allumage a été réglé à 2 s après l’approvisionnement en oxydant.
    9. Établir les exigences de sécurité et dégager le personnel de la zone expérimentale.
    10. Ouvrez la vanne du cylindre et ajustez la pression de sortie de la vanne régulatrice en fonction des différentes conditions de débit de masse.
      REMARQUE : Avec la pression d’approvisionnement de 6MPa, la plage de débit de masse de l’oxydant se situe entre 7 g/s et 29 g/s.
    11. Ouvrez l’interface de réglage et réglez le débit de masse oxydant.
  4. Allumage du moteur de fusée hybride
    1. Allumez la caméra.
    2. Réglez le MCP en mode de commande automatique et attendez la gâchette.
    3. Cliquez sur Démarrer sur le MCP pour démarrer l’expérience.
    4. Après environ une minute, cliquez sur Arrêtez-vous sur le MCP et éteignez la caméra.
    5. Fermez la bouteille de gaz et ouvrez la vanne dans le pipeline pour soulager la pression.
    6. Éteindre le banc d’essai et retirer le grain de carburant.
    7. Répétez l’étape 1.1.4.

2. Analyse des performances de combustion

  1. Analyse de l’oscillation de pression
    REMARQUE : Les données de pression de chambre de combustion enregistrées sont représentées sous le nom de Pc(t).
    1. Ouvrez Pc(t) avec le logiciel de traitement des données.
    2. Choisissez la période pendant le processus de combustion du moteur-fusée hybride.
    3. Sélectionnez Analyse > Traitement du signal > FFT pour analyser l’oscillation de pression.
    4. Utilisez les paramètres par défaut et cliquez sur OK.
  2. Analyse du taux de régression
    1. Calculez le taux de régression du grain de carburant selon la fonction suivante :
      Equation 1
      où ΔD représente le changement des diamètres intérieurs moyens du grain à combustible solide après l’essai de cuisson; Equation 5 représentent le changement de qualité du grain de carburant; L est la longueur du grain de carburant; c’est la densité moyenne du combustible solide; t est le temps de travail.
      REMARQUE : La densité moyenne du grain nouveau a été exprimée comme :
      Equation 2
      où Equation 6 et représenter la densité du combustible Equation 7 imbriqué à base de paraffine et du matériel ABS, respectivement; et représenter la fraction de masse du Equation 8 combustible imbriqué à base de paraffine et du matériel Equation 9 ABS, respectivement.
    2. Adapter le taux de régression en fonction du flux oxydant.
      REMARQUE : La fonction de montage a été sélectionnée comme Allometric1 Equation 10 , et l’algorithme itératif a été choisi comme algorithme d’optimisation Levenberg-Marquardt.
  3. Analyse de l’efficacité de la combustion
    1. Calculer la pression moyenne de la chambre de combustion Pc par la fonction suivante :
      Equation 3
      où Pc(t) représente la pression de la chambre de combustion à différents moments; t1 et t n représentent les heures initiales et finales auxquelles la pression de la chambre de combustion était supérieure à 50 % de la pression moyenne, respectivement; n représente le nombre de points de données de pression entre et t1 et tn.
    2. Calculez la vitesse caractéristique de combustion C⃰ en fonction de la fonction suivante :
      Equation 4
      où pc est la pression moyenne de chambre de combustion ; Unt est la zone de gorge ; ḿ est le débit de masse total.
    3. Calculez la vitesse caractéristique théorique du carburant paraffine C⃰P par le codeCEA 33 de laNASA.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

La figure 7 montre les changements dans la pression de la chambre de combustion et le débit de masse oxydant. Pour fournir le temps nécessaire à la régulation du débit, l’oxydant entre à l’avance dans la chambre de combustion. Lorsque le moteur augmente la pression dans la chambre de combustion, le débit de masse d’oxygène diminue rapidement, puis maintient un changement relativement régulier. Pendant le processus de combustion, la pression dans la chambre de combustion reste relativement stable.

Des images montrant une comparaison de la fréquence d’oscillation de pression de chambre de combustion sont présentées dans la figure 8. Le spectre de fluctuation de pression du nouveau grain de carburant contenait trois pics distincts, qui ont été associés à la basse fréquence hybride, au mode Helmholtz et à la demi-onde acoustique dans la chambre de combustion,respectivement 34. La position des pics de pression correspondant au nouveau grain de carburant était essentiellement la même que celle des carburants à base de paraffine, ce qui indique qu’une nouvelle structure n’est pas susceptible d’introduire des oscillations de combustion supplémentaires. En outre, on peut clairement voir à partir de la courbe lissée que l’amplitude de l’oscillation dominante de basse fréquence de pression a été légèrement amplifiée par la nouvelle structure. Par conséquent, avant l’application réelle du nouveau grain de carburant, une optimisation structurelle supplémentaire est nécessaire pour réduire l’amplitude des oscillations de pression.

La figure 9 montre une comparaison du taux de régression en fonction du flux oxydant entre les nouveaux grains de carburant et les grains de carburant à base de paraffine. Par rapport aux carburants HTPB traditionnels, le taux de régression des carburants à base de paraffine a été à peu près doublé. Néanmoins, au même taux d’écoulement de masse oxydant, il a été démontré que le taux de régression du nouveau grain de carburant était plus élevé que celui du carburant à base de paraffine. Et l’écart entre les taux de régression de deux carburants s’est également progressivement creusé à mesure que le flux oxydant augmentait.

Une image comparant l’efficacité de combustion en fonction de la vitesse caractéristique est présentée à la figure 10. Le nouveau grain de carburant présentait une vitesse (caractéristique) plus élevée que les grains à base de paraffine à divers rapports oxydants/carburant. En conséquence, facilitée par la structure hélicétique imbriquée, l’efficacité moyenne de combustion du nouveau grain de carburant a été augmentée d’environ 2 % (±0,7 %). En raison de la faible valeur calorifique des matériaux commerciaux ABS et des différents ratios d’équivalence, l’amélioration de l’efficacité de combustion apportée par la nouvelle structure n’était pas évidente.

Les résultats des essais de mise à feu ont démontré que le rendement du taux de régression du grain de carburant à structure hélicétique imbriquée pouvait êtreeffectivement amélioré 32. En outre, la nouvelle structure montre également un grand potentiel d’amélioration de l’efficacité de combustion. Les deux nombreuses zones de recirculation aux rainures entre les girouettes adjacentes et la structure héliale augmentent la turbulence et le nombre de tourbillons dans la chambre de combustion. L’échange de matière et d’énergie entre le grain de carburant et la zone de combustion est accru, améliorant ainsi les performances de combustion.

Figure 1
Figure 1 : Processus de combustion impliqué dans la fusée hybride.
Les processus de mélange et de combustion de la fusée hybride sont différents des liquides ou des solides. Chez les hybrides, le mélange et la combustion se produisent dans la zone de combustion de diffusion qui a la même longueur que la chambre de combustion. La nature du modèle de combustion de diffusion conduit à une réduction du degré d’efficacité de mélange et de combustion, qui varie de 50% à 99% dans les applications pratiques27,35. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2
Figure 2 : Structure caractéristique du nouveau grain de carburant.
En raison des différents taux de régression entre deux combustibles, cette structure hélicical imbriquée est formée et maintenue pendant le processus de combustion. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 3
Figure 3 : Zone de recirculation formée.
Lorsque le gaz traverse les rainures entre les girouettes adjacentes, une zone de recirculation se forme. Les perturbations s’intensifient et les échanges de matière et d’énergie dans la chambre de combustion sont renforcés. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 4
Figure 4 : Images structurelles de nouveaux grains de carburant.
(a) impression 3D du substrat ABS d’un diamètre extérieur de 70 mm, d’un diamètre intérieur de 30 mm et d’une longueur de 125 mm.b)Structure hélicétique imbriquée du nouveau grain de carburant, dans lequel le carburant à base de paraffine et les lames ABS maintiennent le même diamètre intérieur initial. (c) Image du carburant en forme. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 5
Figure 5 : Configuration expérimentale.
Schéma du moteur-fusée hybride à l’échelle du laboratoire. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 6
Figure 6 : Interface du programme de mesure et de contrôle LabVIEW.
(a) Interface d’installation (b) interface de mode automatique (c) interface de mode manuel ( d ) interfacedesurveillance en cours d’exécution du programme. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 7
Figure 7 : Changement de la pression de la chambre de combustion et du débit de masse oxydant.
Pendant le processus de combustion, le débit de masse de l’oxydant et de la pression de la chambre de combustion reste relativement stable. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 8
Figure 8 : Comparaison de la fréquence d’oscillation de la pression de la chambre de combustion.
L’oscillation à basse fréquence est le mode dominant d’oscillation de combustion des fusées hybrides. Par rapport aux grains de carburant à base de paraffine, l’amplitude de l’oscillation dominante pour le grain de carburant à structure hélicétique imbriquée a légèrement augmenté. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 9
Figure 9 : Comparaison du taux de régression avec le flux oxydant.
À mesure que le flux de l’oxydant augmente, l’effet de la nouvelle structure sur l’augmentation du taux de régression devient plus important. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 10
Figure 10 : Comparaison de l’efficacité de combustion basée sur la vitesse caractéristique.
a)L’efficacité moyenne de combustion du grain de carburant à base de paraffine est de 77 %. b)L’efficacité moyenne de combustion des nouveaux grains est de 79 %. Étant donné que la valeur calorifique de combustion du matériau ABS utilisé est extrêmement faible, l’efficacité de combustion est légèrement améliorée. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

La technique présentée dans cet article est une nouvelle approche utilisant un grain de carburant avec une structure hélitique imbriquée. Il n’y a aucune difficulté à mettre en place l’équipement et les installations nécessaires. La structure hélicoïque peut être facilement produite par impression 3D, et la nidification des carburants à base de paraffine peut être facilement effectuée par coulée centrifuge. Les imprimantes 3D de moulage de dépôt fondu (FDM) ne sont pas chères et le coût des centrifugeuses est faible.

Lorsque la surface intérieure du grain de carburant en forme a été trouvée pour avoir des fissures qui ne peuvent pas être ignorées, la température de chauffage dans le mélangeur de fonte a été augmenté à 200 °C. Ensuite, les caractéristiques de faible viscosité du carburant à base de paraffine ont été utilisées pour effectuer une réparation pour combler les vides du grain de carburant. Après que le grain ait été complètement refroidi, le trou intérieur a été poli jusqu’à ce que le diamètre soit compatible avec la conception originale.

Il y a plusieurs étapes critiques dans le protocole. Dans l’étape 1.1.1.5, parce que la zone de contact entre le substrat ABS et la table d’impression est petite, le fond du substrat est facilement déformé et peut glisser pendant le processus d’impression, ce qui entraîne finalement une défaillance de l’impression. Ce problème peut être considérablement atténué en augmentant la zone de contact de la surface inférieure. Il a été constaté que l’utilisation du radeau avec paramètre jupe fonctionne le mieux. La densité du remplissage doit être réglée à 100 % pour réduire les vides d’impression dans le substrat ABS et augmenter la densité d’impression. En outre, à l’étape 1.1.1.8, le réglage de la température du lit chauffé à 100 °C peut effectivement empêcher le substrat ABS d’être déformé.

Dans l’étape 1.1.2.2, basée sur la température de déformation thermique de l’ABS et la température minimale de fusion du combustible à base de paraffine, le chauffage du combustible configuré à base de paraffine à une température de 120 °C s’est avéré faisable. Il est nécessaire d’empêcher le substrat ABS de se déformer lorsque la température est trop élevée. En même temps, il est nécessaire d’éviter la fonte incomplète et le mélange du carburant à base de paraffine lorsque la température est trop basse.

Dans l’étape 1.1.3, afin de raccourcir le temps de moulage, et d’éviter le problème que le grain de carburant est facilement fissuré en raison du stress thermique excessif généré pendant le processus de refroidissement du processus de moulage d’un seul coup, l’augmentation du nombre de coulées et le refroidissement efficace sont nécessaires pour le moulage rapide et de haute qualité du grain de carburant. Selon la qualité réelle du moulage et l’expérience de fabrication, quatre temps de coulée ou plus sont nécessaires pour la taille du grain de carburant dans ce travail.

Cette technique a deux limites. La première est que les matériaux sont incompatibles. En raison des erreurs de stress thermique et de coulée, le nouveau grain de carburant est susceptible d’avoir des fissures, des défauts ou un désossage pendant le processus de coulée. Toutefois, en comparant les résultats des essais de cuisson entre le grain de carburant fissuré et le grain de carburant normal, il a été constaté que la structure caractéristique des deux types de grains de carburant, qui est indiquée à la figure 2,est demeurée essentiellement la même après la combustion. Aucun phénomène évident de brûlure érosive n’a été observé à la surface intérieure du grain de carburant. Étant donné que les caractéristiques de faible viscosité du carburant à base de paraffine le font remplir spontanément les fissures pendant le processus de combustion, ce nouveau grain de carburant n’est pas sensible aux fissures.

Deuxièmement, en raison des caractéristiques de la centrifugeuse, les carburants à base de paraffine ne sont pas facilement refroidis à temps pendant la formation du grain de carburant, ce qui entraîne la délamination. Pour éviter un impact aussi important sur l’uniformité radiale du grain de carburant, l’augmentation du nombre de coulées peut surmonter cette difficulté.

Sur la base de l’optimisation structurelle, un nouveau grain de carburant avec une structure hélicicale imbriquée est proposé. En raison des différents taux de régression entre les deux matériaux, cette structure caractéristique peut exister tout au long du processus de combustion et fournir des améliorations de performance. Par rapport au grain de carburant à base de paraffine, cette nouvelle structure montre une amélioration efficace, y compris le taux global de régression et l’efficacité de combustion.

La technique présentée peut être utilisée pour améliorer les performances de combustion des carburants traditionnels tels que le HTPB (polybutadiène hydroxyl-terminé), le carburant à base de paraffine, et le polybutadiène carboxyl-terminé. Nous croyons que cette technique peut résoudre efficacement le problème clé du faible taux de régression qui limitent actuellement le développement du moteur-fusée hybride. En outre, cette technique montre un grand potentiel pour améliorer l’efficacité de combustion. Une optimisation plus complète des paramètres tels que la structure de la lame, le nombre de lames et l’épaisseur de la lame est nécessaire pour maximiser les performances de combustion.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Acknowledgments

Ces travaux ont été soutenus par la National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 11802315, 11872368 et 11927803) et la Equipment Pre-Research Foundation of National Defense Key Laboratory (Subvention 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Boiron, A. J., Cantwell, B. 49th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. , (2013).
  2. Mazzetti, A., Merotto, L., Pinarello, G. Paraffin-based hybrid rocket engines applications: A review and a market perspective. Acta Astronautica. 126, 286-297 (2016).
  3. 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).
  4. Jens, E. T., Narsai, P., Cantwell, B., Hubbard, G. S. 50th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. , (2014).
  5. Kuo, K. K., Chiaverini, M. J. Fundamentals of Hybrid Rocket Combustion and Propulsion. , (2007).
  6. Boardman, T., et al. 33rd Joint Propulsion Conference and Exhibit. , (1997).
  7. 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).
  8. 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).
  9. Karakas, H., Kara, O., Ozkol, I., Karabeyoglu, A. M. AIAA Propulsion and Energy 2019 Forum. , (2019).
  10. 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).
  11. Leccese, G., Cavallini, E., Pizzarelli, M. AIAA Propulsion and Energy 2019 Forum. , (2019).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Kumar, R., Ramakrishna, P. A. Effect of protrusion on the enhancement of regression rate. Aerospace Science and Technology. 39, 169-178 (2014).
  15. 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).
  16. Degges, M. J., et al. 49th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. , (2013).
  17. Connell, T., Young, G., Beckett, K., Gonzalez, D. R. AIAA Scitech 2019 Forum. , (2019).
  18. Whitmore, S., Peterson, Z., Eilers, S. 47th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. , (2011).
  19. Whitmore, S. A., Armstrong, I. W., Heiner, M. C., Martinez, C. J. 2018 Joint Propulsion Conference. , (2018).
  20. 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).
  21. Whitmore, S. A., Sobbi, M., Walker, S. 50th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. , (2014).
  22. 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).
  23. Creech, M., et al. 53rd AIAA Aerospace Sciences Meeting. , (2015).
  24. Lyne, J. E., et al. 2018 Joint Propulsion Conference. , (2018).
  25. Elliott, T. S., et al. 52nd AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. , (2016).
  26. Armold, D., et al. 49th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. , (2013).
  27. Armold, D. M., et al. 50th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. , (2014).
  28. Fuller, J., Ehrlich, D., Lu, P., Jansen, R., Hoffman, J. 47th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. , (2011).
  29. 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).
  30. 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).
  31. Hitt, M. A. 2018 Joint Propulsion Conference. , (2018).
  32. 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).
  33. McBride, J. B., Gordon, S. Computer Program for Calculation of Complex Chemical Equilibrium Compositions and APPlications. , (1996).
  34. De Zilwa, S., Zilliac, G., Karabeyoglu, A., Reinath, M. 39th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit. , (2003).
  35. 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).

Tags

Ingénierie Numéro 167 Fusée hybride carburants à base de paraffine styrène acrylonitrile impression 3D performance de combustion structure hélicoïque imbriquée
Améliorer les performances de combustion d’un moteur-fusée hybride à l’aide d’un nouveau grain de carburant avec une structure héliétique imbriquée
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Wang, Z., Lin, X., Li, F., Zhang,… More

Wang, Z., Lin, X., Li, F., Zhang, Z., Yu, X. Improving the Combustion Performance of a Hybrid Rocket Engine using a Novel Fuel Grain with a Nested Helical Structure. J. Vis. Exp. (167), e61555, doi:10.3791/61555 (2021).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter