Summary
Es wird eine Technik vorgestellt, bei der ein Festbrennstoffkorn mit einer neuartigen verschachtelten Spiralstruktur verwendet wird, um die Verbrennungsleistung eines Hybridraketenmotors zu verbessern.
Abstract
Es wird eine Technik zur Verbesserung der Verbrennungsleistung eines Hybridraketenmotors mit einer neuartigen Kraftstoffkornstruktur vorgestellt. Diese Technik nutzt die unterschiedlichen Regressionsraten von Acrylnitril-Butadien-Styrol und Paraffin-basierten Brennstoffen, die den Austausch von Materie und Energie durch Wirbelfluss- und Umwälzzonen erhöhen, die an den Rillen zwischen den angrenzenden Schaufeln gebildet werden. Die Zentrifugalgießtechnik wird verwendet, um den Paraffin-basierten Brennstoff in ein Acrylnitril-Butadien-Styrol-Substrat durch dreidimensionalen Druck zu gießen. Unter Verwendung von Sauerstoff als Oxidationsmittel wurden eine Reihe von Tests durchgeführt, um die Verbrennungsleistung des neuartigen Brennstoffkorns zu untersuchen. Im Vergleich zu Paraffin-basierten Brennstoffkörnern zeigte das Brennstoffkorn mit einer verschachtelten Spiralstruktur, das während des gesamten Verbrennungsprozesses erhalten werden kann, eine signifikante Verbesserung der Regressionsrate und ein großes Potenzial zur Verbesserung der Verbrennungseffizienz.
Introduction
Eine Technik zur Verbesserung der Verbrennungsleistung eines Hybridraketenmotors ist dringend erforderlich. Bis heute sind die praktischen Anwendungen von Hybridraketentriebwerken noch weit geringer als die von festigen und flüssigen Raketentriebwerken1,2. Die niedrige Regressionsrate traditioneller Kraftstoffe begrenzt die Verbesserung der Schubleistung für den Hybridraketenmotor3,4. Darüber hinaus ist seine Verbrennungseffizienz aufgrund der Verbrennungsverbrennung5etwas geringer als die anderer chemischer Energieraketen, wie in Abbildung 1dargestellt. Obwohl verschiedene Techniken untersucht und entwickelt wurden, wie die Verwendung von Multi-Ports6, Verbesserung der Additive7,8,9, Verflüssigung Kraftstoff10,11,12, Wirbelinjektion13, Vorsprünge14, und Bluff Körper15, Diese Ansätze sind mit Problemen in der Volumenauslastung verbunden, Verbrennungseffizienz, mechanische Leistung, und Redundanzqualität. Bisher hat die strukturelle Verbesserung des Brennstoffkorns, das diese Mängel nicht aufweist, mehr Aufmerksamkeit als wirksames Mittel zur Verbesserung der Verbrennungsleistung erregt16,17. Das Aufkommen des dreidimensionalen (3D) Drucks hat eine effektive Möglichkeit, die Leistung von Hybrid-Raketenmotoren durch die Fähigkeit zu erhöhen, schnell und kostengünstig entweder komplexe konventionelle Korndesigns oder unkonventionelle Brennstoffkörner18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30zu produzieren. Während des Verbrennungsprozesses verringern sich diese Verbesserungen der Verbrennungsleistung jedoch mit der charakteristischen Strukturverbrennung, was zu einer Abnahme der Verbrennungsleistungführt 23. Wir haben gezeigt, dass ein neuartiges Design nützlich ist, um die Leistung von Hybridraketentriebwerken zu verbessern31. Die Einzelheiten zu dieser Technik und repräsentative Ergebnisse werden in diesem Papier vorgestellt.
Das Brennstoffkorn besteht aus einem Spiralsubstrat aus Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) und einem verschachtelten Paraffin-basierten Kraftstoff. Basierend auf Zentrifugal- und 3D-Druck wurden die Vorteile der beiden Kraftstoffe mit unterschiedlichen Regressionsraten kombiniert. Die spezielle Spiralstruktur des Brennstoffkorns nach der Verbrennung ist in Abbildung 2 dargestellt. Wenn Gas durch das Brennstoffkorn fließt, entstehen gleichzeitig zahlreiche Umwälzzonen an Nuten zwischen den Klingen, wie in Abbildung 3dargestellt. Diese charakteristische Struktur auf der inneren Oberfläche erhöht die Turbulenzen kinetische Energie und Wirbelzahl in der Brennkammer, die den Austausch von Materie und Energie in der Brennkammer erhöhen. Letztlich wird die Regressionsrate des neuartigen Brennstoffkorns effektiv verbessert. Die Wirkung der Verbesserung der Regressionsrate ist gut bewiesen: Insbesondere wurde die Regressionsrate des neuartigen Brennstoffkorns als 20 % höher als die des Paraffin-basierten Brennstoffs bei einem Massenstrom von 4 g/cm2,32nachgewiesen.
Ein Vorteil des Brennstoffkorns mit einer verschachtelten Spiralstruktur ist, dass es einfach herzustellen ist. Der Formprozess erfordert hauptsächlich einen Schmelzmischer, eine Zentrifuge und einen 3D-Drucker. Das durch 3D-Druck gebildete ABS-Substrat reduziert die Herstellungskosten erheblich. Ein weiterer wesentlicher und einzigartiger Vorteil ist, dass der Verbesserungseffekt während des Verbrennungsprozesses nicht verschwindet.
In diesem Beitrag werden das experimentelle System und verfahren zur Verbesserung der Verbrennungsleistung eines Hybridraketenmotors unter Verwendung der neuartigen Kraftstoffkornstruktur dargestellt. Darüber hinaus stellt dieses Papier drei repräsentative Vergleiche von Verbrennungsleistungsparametern vor, um die Durchführbarkeit der Technik zu beweisen, einschließlich der Schwingungsfrequenz des Verbrennungsraumdrucks, der Regressionsrate und der Verbrennungseffizienz, die durch die charakteristische Geschwindigkeit gekennzeichnet sind.
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Protocol
1. Versuchsaufbau und Verfahren
- Zubereitung von Brennstoffgetreide
ANMERKUNG: Das Brennstoffkorn mit neuartiger Struktur bestand aus zwei Teilen, die in Abbildung 4dargestellt sind. Als Hauptteil des neuartigen Getreides macht der Paraffin-brennstoff mehr als 80 % der Gesamtmasse aus. Das ABS-Substrat wird als zusätzlicher Kraftstoff verwendet. Die Herstellung dieses Brennstoffkorns wurde durch die Kombination von 3D-Druck und Zentrifugalguss realisiert.- Substratvorbereitung
- Öffnen Sie 3D-Software für ABS-Substratzeichnung.
HINWEIS: Das ABS-Substrat, das das Spiralgerüst und die Unterstützung für den Paraffin-basierten Kraftstoff liefern sollte, besteht aus zwölf integrierten Klingen, die sich im Uhrzeigersinn in axialer Richtung und an der Wand um 360° drehen. - Speichern Sie die 3D-Struktur des ABS-Substrats als STL-Datei.
- Öffnen Sie die 3D-Schneidsoftware und importieren Sie die Struktur des ABS-Substrats.
- Klicken Sie auf Slicing starten, und wählen Sie den Druckmodus "Beschleunigen" aus der Hauptvorlage aus.
HINWEIS: Für den Primärextruder wählen Sie ABS 1,75 mm. - Doppelklicken Sie auf Geschwindigkeit, ändern Sie die Fülldichte auf 100 % und wählen Sie Raft mit Rock für die Plattformaddition.
HINWEIS: Um die Druckqualität zu verbessern und Verformungen zu verhindern, ist es notwendig, eine Struktur der Druckbasis (Raft mit Rock) zu verwenden, um die Kontaktfläche zwischen dem Druckkörper und der Bodenplatte zu erhöhen. - Klicken Sie auf Speichern und Schließen, und klicken Sie dann auf Slice.
- Schalten Sie den 3D-Drucker ein, und importieren Sie die ABS-Substrat-Slice-Datei.
- Stellen Sie die Temperatur des beheizten Bettes und der Düse auf 100 bzw. 240 °C ein.
- Klicken Sie auf Start, um nach der Stabilisierung zu drucken.
- Öffnen Sie 3D-Software für ABS-Substratzeichnung.
- Kraftstoffzubereitung auf Paraffinbasis
- Rohstoffe aus Paraffin, Polyethylen (PE)-Wachs, Stearinsäure, Ethylen-Vinylacetat (EVA) und Kohlenstoffpulver zubereiten. Konfigurieren Sie den Paraffin-basierten Kraftstoff entsprechend dem Verhältnis dieser Komponenten als 0.58:0.2:0.1:0.1:0.0.02.
HINWEIS: Die spezifischen Informationen der einzelnen Rohstoffe sind in der Materialtabelle dargestellt. Das Verteilungsverhältnis von Paraffin-basiertem Kraftstoff ist nicht festgelegt und kann entsprechend dem Zweck des Experiments entsprechend angepasst werden. Der Zweck der Zugabe von Kohlenstoffpulver ist es, strahlungsstrahlungswärmeübertragung zu blockieren und zu verhindern, dass das Brennstoffkorn während der Verbrennung erweicht und zusammenbricht. - Die konfigurierten Rohstoffe in den Schmelzmischer geben und vollständig schmelzen und rühren, bis sie vollständig vermischt sind.
HINWEIS: Der Kraftstoff auf Paraffinbasis wird auf 120 °C erhitzt, um ein vollständiges Schmelzen zu gewährleisten und gleichzeitig eine Verformung der ABS-Klingen zu verhindern.
- Rohstoffe aus Paraffin, Polyethylen (PE)-Wachs, Stearinsäure, Ethylen-Vinylacetat (EVA) und Kohlenstoffpulver zubereiten. Konfigurieren Sie den Paraffin-basierten Kraftstoff entsprechend dem Verhältnis dieser Komponenten als 0.58:0.2:0.1:0.1:0.0.02.
- Herstellung von Brennstoffgetreide
ANMERKUNG: Um die Wirkung der Verbesserung der Verbrennungsleistung besser zu demonstrieren, wurden Paraffin-basierte Kraftstoffkörner mit der gleichen Zusammensetzung wie die Steuerung eingestellt.- Legen Sie das ABS-Substrat in die Zentrifuge und sichern Sie es mit einer Endkappe.
- Schließen Sie die Stromversorgung an und schalten Sie den Wasserkühlpumpenschalter ein.
- Schalten Sie das Zentrifugenrelais ein und erhöhen Sie die Geschwindigkeit auf 1400 U/min.
- Öffnen Sie das Ventil am Schmelzmischer und starten Sie das Gießen.
HINWEIS: Der geschmolzene Paraffin-basierte Kraftstoff fließt durch das Rohr und die Endabdeckung mit einer zentralen Öffnung in den anfangsen Formabschnitt. Unter dem Einfluss der Schwerkraft breitet sich der flüssige Brennstoff entlang der axialen Richtung der Form aus. In Kombination mit einer effektiven Kühlung ist ein Mehrfachgussverfahren erforderlich, bei dem der ursprüngliche einmalige Befüllungsprozess mehrfach aufgeteilt werden soll, um die thermische Belastung zu reduzieren. - Entfernen Sie die Kraftstoffkorn und trimmen Sie die Form.
- Messung und Aufzeichnung von Kraftstoffkorn
- Messen und erfassen Sie das Gewicht, die Länge und den Innendurchmesser des Kraftstoffkorns.
- Fotografieren Sie das komplette Kraftstoffkorn.
- Substratvorbereitung
- Vorbereitung des Hybridraketentriebwerks
HINWEIS: Wie in Abbildung 5dargestellt, bestand das Hybrid-Raketenmotorsystem aus vier Teilen: dem Versorgungssystem, dem Zündsystem, dem Motor und dem Mess- und Steuersystem. Der Motorteil bestand aus fünf Teilen: dem Brennerzünder, dem Kopf, dem Brennraum, dem Nachbrennraum und der Düse. Die Gesamtlänge des Hybridraketenmotors beträgt ca. 300 mm, der Innendurchmesser der Brennkammer 70 mm.- Hybrid-Raketentriebwerksmontage
HINWEIS: Die erschöpfenden Details der Hybridrakete im Labormaßstab und die Zusammensetzung des Versuchssystems finden Sie in der vorherigen Arbeit32.- Befestigen Sie den Brennkammerabschnitt des Hybridraketenmotors auf der Gleitschiene.
- Laden Sie das Brennkorn und installieren Sie den Nachbrennkammerabschnitt.
- Installieren Sie den Kopf und die Düse.
- Installieren Sie den Brennerzünder auf dem Kopf des Hybridraketenmotors.
- Installieren Sie den Zündkerzen und schließen Sie das Netzteil an.
- Verbinden Sie die Stickstoff-, Oxidations-, Zündmethan- und Zündsauerstoffgasleitungen zwischen Prüfstand und Gasflasche.
- Schließen Sie den Industriecomputer, die Multifunktions-Datenerfassungskarte, den Massenstromregler und die Steuerbox des Prüfstandes an.
- Stromversorgung des Prüfstandes, des Massenstromreglers und des Zünders.
- Hybrid-Raketentriebwerksmontage
- Überprüfen Sie das Testsystem und legen Sie die Versuchsbedingungen fest.
- Öffnen Sie die FlowDDE-Software, und klicken Sie in der Kommunikation auf Kommunikationseinstellungen.
- Klicken Sie auf die entsprechende Verbindungsschnittstelle und klicken Sie auf OK.
- Klicken Sie auf Kommunikation öffnen, um die Kommunikation mit dem Durchflussregler herzustellen und das Mess- und Regelprogramm (MCP) zu öffnen.
- Stellen Sie den E/A-Kanal der Multifunktionsdatenerfassungskarte ein und klicken Sie auf Ausführen, um die Kommunikation mit dem gesamten System herzustellen.
- Überprüfen Sie den MCP-Laufstatus und legen Sie den manuellen Steuermodus fest.
HINWEIS: Der MCP enthält zwei Modi: Die manuelle Steuerung wird zum Debuggen und die automatische Steuerung während der Experimente verwendet. Das von LabVIEW geschriebene MCP ist in Abbildung 6dargestellt. - Überprüfen Sie den Betriebszustand des Zündkerzens und führen Sie einen Ventiltest durch.
- Testdatenaufzeichnungsfunktion.
- Öffnen Sie die Einstellschnittstelle und stellen Sie die Testzeit ein, einschließlich Ventilöffnungs- und -schließzeit, Zündzeit und Datenaufzeichnungsdauer.
HINWEIS: Es dauert einige Zeit, bis der Massenstromregler den Oxidationsfluss auf den eingestellten Wert reguliert, so dass die Zündzeit nach der Lieferung von Oxidationsmittel auf 2 s eingestellt wurde. - Stellen Sie Sicherheitsanforderungen und klares Personal aus dem Versuchsgebiet.
- Öffnen Sie das Zylinderventil und stellen Sie den Ausgangsdruck des Regelventils entsprechend den unterschiedlichen Massendurchflussbedingungen ein.
HINWEIS: Bei einem Versorgungsdruck von 6MPa liegt der Massendurchflussbereich des Oxidationsmittels zwischen 7 g/s und 29 g/s. - Öffnen Sie die Einstellungsschnittstelle und legen Sie die Oxidator-Massendurchflussrate fest.
- Hybrid-Raketenmotorzündung
- Schalten Sie die Kamera ein.
- Stellen Sie den MCP auf den automatischen Steuermodus ein und warten Sie auf den Trigger.
- Klicken Sie auf MCP starten, um das Experiment zu starten.
- Klicken Sie nach etwa einer Minute auf Beenden des MCP, und schalten Sie die Kamera aus.
- Schließen Sie die Gasflasche und öffnen Sie das Ventil in der Rohrleitung, um den Druck zu entlasten.
- Schalten Sie den Prüfstand aus und entfernen Sie das Kraftstoffkorn.
- Wiederholen Sie Schritt 1.1.4.
2. Analyse der Verbrennungsleistung
- Analyse der Druckschwingung
HINWEIS: Die gespeicherten Brennkammerdruckdaten werden als Pc(t) dargestellt.- Öffnen Sie Pc(t) mit der Datenverarbeitungssoftware.
- Wählen Sie den Zeitraum während des Verbrennungsprozesses des Hybridraketenmotors aus.
- Wählen Sie Analyse > Signalverarbeitung > FFT, um die Druckschwingung zu analysieren.
- Verwenden Sie die Standardeinstellungen, und klicken Sie auf OK.
- Analyse der Regressionsrate
- Berechnen Sie die Regressionsrate des Brennstoffkorns nach der folgenden Funktion:
wobeiD die Veränderung der durchschnittlichen Innendurchmesser des Festbrennstoffkorns nach der Brennprüfung darstellt;
die Änderung der Qualität des Brennkorns darstellen; L ist die Länge des Brennstoffkorns; ist die durchschnittliche Dichte des festen Brennstoffs; t ist die Arbeitszeit.
ANMERKUNG: Die durchschnittliche Dichte des neuartigen Korns wurde wie:
wobei
und stellen die Dichte des 
verschachtelten Paraffin-basierten Brennstoffs bzw. ABS-Materials dar; 
und stellen den 
Massenanteil des verschachtelten Paraffin-basierten Brennstoffs bzw. ABS-Materials dar. - Passen Sie die Regressionsrate als Funktion des Oxidationsmittelflusses an.
HINWEIS: Die Anpassungsfunktion wurde als Allometric1
ausgewählt, und der iterative Algorithmus wurde als Levenberg-Marquardt-Optimierungsalgorithmus ausgewählt.
- Berechnen Sie die Regressionsrate des Brennstoffkorns nach der folgenden Funktion:
- Analyse der Verbrennungseffizienz
- Berechnen Sie den durchschnittlichen Brennkammerdruck Pc anhand der folgenden Funktion:
wobei Pc(t) den Brennkammerdruck zu unterschiedlichen Zeiten darstellt; t1 und tn stellen die Anfangs- und Endzeiten dar, in denen der Brennkammerdruck mehr als 50 % des Durchschnittlichen Drucks betrug; n stellt die Anzahl der Druckdatenpunkte zwischen und t1 und tndar. - Berechnen Sie die Verbrennungskenngeschwindigkeit C nach folgender Funktion:
wobei Pc der durchschnittliche Brennkammerdruck ist; At ist der Halsbereich; ḿ ist die Gesamtmassendurchflussrate. - Berechnen Sie die theoretische charakteristische Geschwindigkeit des Paraffinbrennstoffs C-P durch den NASA CEA-Code33.
- Berechnen Sie den durchschnittlichen Brennkammerdruck Pc anhand der folgenden Funktion:
die Änderung der Qualität des Brennkorns darstellen; L ist die Länge des Brennstoffkorns; ist die durchschnittliche Dichte des festen Brennstoffs; t ist die Arbeitszeit.
und stellen die Dichte des 
verschachtelten Paraffin-basierten Brennstoffs bzw. ABS-Materials dar; 
und stellen den 
Massenanteil des verschachtelten Paraffin-basierten Brennstoffs bzw. ABS-Materials dar.
ausgewählt, und der iterative Algorithmus wurde als Levenberg-Marquardt-Optimierungsalgorithmus ausgewählt.
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Representative Results
Abbildung 7 zeigt die Veränderungen des Brennkammerdrucks und der Oxidatormassendurchflussrate. Um die notwendige Zeit für die Strömungsregelung zu schaffen, gelangt der Oxidationsmittel im Voraus in den Brennraum. Wenn der Motor Druck im Brennraum aufbaut, sinkt die Sauerstoffmassendurchflussrate schnell und behält dann eine relativ stetige Veränderung bei. Während des Verbrennungsprozesses bleibt der Druck im Brennraum relativ stabil.
Bilder, die einen Vergleich der Schwingungsfrequenz des Brennkammerdrucks zeigen, sind in Abbildung 8dargestellt. Das Druckschwankungsspektrum des neuartigen Brennstoffkorns enthielt drei unterschiedliche Spitzen, die mit der Hybrid-Niederfrequenz, dem Helmholtz-Modus und der akustischen Halbwelle im Brennraum bzw.34assoziiert waren. Die Position der Druckspitzen, die dem neuartigen Brennstoffkorn entsprachen, entsprach im Wesentlichen der positionierung der auf Paraffin basierenden Brennstoffe, was darauf hindeutet, dass eine neuartige Struktur wahrscheinlich keine zusätzlichen Verbrennungsschwingungen mit sich bringen wird. Darüber hinaus lässt sich deutlich an der geglätteten Kurve absehen, dass die Amplitude der dominanten Niederfrequenzdruckschwingung durch die neuartige Struktur leicht verstärkt wurde. Daher ist vor der eigentlichen Anwendung des neuartigen Brennstoffkorns eine weitere strukturelle Optimierung erforderlich, um die Amplitude von Druckschwingungen zu reduzieren.
Abbildung 9 zeigt einen Vergleich der Regressionsrate in Abhängigkeit von Oxidationsfluss zwischen neuartigen Brennstoffkörnern und paraffinbasierten Brennstoffkörnern. Im Vergleich zu herkömmlichen HTPB-Brennstoffen wurde die Regressionsrate von Paraffin-basierten Kraftstoffen etwa verdoppelt. Bei der gleichen Oxidator-Massendurchflussrate wurde jedoch nachgewiesen, dass die Regressionsrate des neuartigen Brennstoffkorns höher war als die des Paraffin-basierten Brennstoffs. Und auch die Kluft zwischen den Regressionsraten zweier Brennstoffe vergrößerte sich allmählich, als der Oxidationsfluss zunahm.
Abbildung 10zeigt ein Bild, das die Verbrennungseffizienz anhand der Charakteristischen Geschwindigkeit vergleicht. Das neuartige Brennkorn zeigte eine höhere (charakteristische Geschwindigkeit) als Paraffin-basierte Körner bei verschiedenen Oxidations-/Kraftstoffverhältnissen. Entsprechend wurde die durchschnittliche Verbrennungseffizienz des neuartigen Brennkorns um etwa 2% (±0,7%) erhöht. Aufgrund des geringen Heizwerts kommerzieller ABS-Materialien und der unterschiedlichen Äquivalenzverhältnisse war die Verbesserung der Verbrennungseffizienz durch die neuartige Struktur nicht offensichtlich.
Die Ergebnisse der Brennversuche zeigten, dass die Leistung der Regressionsrate für das Brennstoffkorn mit einer verschachtelten Spiralstruktur effektiv verbessert werden konnte32. Darüber hinaus zeigt die neuartige Struktur auch ein großes Potenzial zur Verbesserung der Verbrennungseffizienz. Sowohl zahlreiche Umwälzzonen an den Rillen zwischen benachbarten Schaufeln als auch die Spiralstruktur erhöhen die Turbulenzen und Wirbelzahlen im Brennraum. Der Austausch von Materie und Energie zwischen dem Brennstoffkorn und der Verbrennungszone wird erhöht und damit die Verbrennungsleistung verbessert.
Abbildung 1: Verbrennungsprozess in Hybridrakete beteiligt.
Die Misch- und Verbrennungsprozesse der Hybridrakete unterscheiden sich von Flüssigkeiten oder Feststoffen. Bei Hybriden erfolgt das Mischen und Verbrennen im Bereich der Diffusionsverbrennung, der die gleiche Länge wie der Brennraum hat. Die Art des Diffusionsverbrennungsmodells führt zu einer Verringerung des Misch- und Verbrennungswirkungsgrades, der in praktischen Anwendungen von 50% bis 99% reicht27,35. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 2: Charakteristische Struktur neuartiger Brennstoffkörner.
Aufgrund der unterschiedlichen Regressionsraten zwischen zwei Brennstoffen wird diese verschachtelte Spiralstruktur während des Verbrennungsprozesses gebildet und aufrechterhalten. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 3: Gebildete Umwälzzone.
Wenn Gas durch die Rillen zwischen benachbarten Schaufeln fließt, bildet sich eine Umwälzzone. Die Störung wird verstärkt, und der Austausch von Materie und Energie in der Brennkammer wurde verbessert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 4: Strukturelle Bilder von neuartigem Brennstoffkorn.
(a) 3D-Druck von ABS-Substrat mit einem Außendurchmesser von 70 mm, einem Innendurchmesser von 30 mm und einer Länge von 125 mm. (b) Verschachtelte Spiralstruktur des neuartigen Brennkorns, in dem Paraffin-basierte Kraftstoff- und ABS-Klingen den gleichen Anfangsinnendurchmesser behalten. (c) Bild des geformten Kraftstoffs. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 5: Versuchsaufbau.
Schemat des Hybridraketentriebwerks im Labormaßstab. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 6: LabVIEW-Mess- und Steuerprogrammschnittstelle.
(a) Setup-Schnittstelle (b) Auto-Mode-Schnittstelle (c) manuelle-Mode-Schnittstelle (d) Programm läuft Überwachungsschnittstelle. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 7: Änderung des Brennkammerdrucks und der Oxidoxid-Massendurchflussrate.
Während des Verbrennungsprozesses bleibt die Massendurchflussrate von Oxidationsmittel und Brennkammerdruck relativ stabil. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 8: Vergleich der Brennkammerdruck-Oszillationsfrequenz.
Niederfrequenz-Oszillation ist der vorherrschende Verbrennungsschwingungsmodus von Hybridraketen. Im Vergleich zu Paraffin-basierten Brennstoffkörnern hat sich die Amplitude dominanter Schwingung enthäut für das Brennstoffkorn mit verschachtelter Spiralstruktur leicht erhöht. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 9: Vergleich der Regressionsrate mit dem Oxidationsmittelfluss.
Mit zunehmendem Fluss des Oxidationsmittels wird die Wirkung der neuartigen Struktur auf die Erhöhung der Regressionsrate signifikanter. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 10: Vergleich der Verbrennungseffizienz basierend auf der Charakteristischen Geschwindigkeit.
(a) Der durchschnittliche Verbrennungswirkungsgrad von Paraffin-basiertem Brennkorn beträgt 77 %. (b) Die durchschnittliche Verbrennungseffizienz von Neugetreide beträgt 79 %. Da der Verbrennungsbrennwert des verwendeten ABS-Materials extrem gering ist, wird die Verbrennungseffizienz leicht verbessert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
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Discussion
Die in diesem Papier vorgestellte Technik ist ein neuartiger Ansatz, bei dem ein Brennstoffkorn mit einer verschachtelten Spiralstruktur verwendet wird. Es gibt keine Schwierigkeiten bei der Einrichtung der erforderlichen Ausrüstung und Einrichtungen. Die Spiralstruktur kann leicht durch 3D-Druck hergestellt werden, und die Verschachtelung von Paraffin-basierten Brennstoffen kann leicht durch Zentrifugalguss durchgeführt werden. FDM-3D-Drucker (Fused Deposition Forming) sind nicht teuer und die Kosten für Zentrifugen sind gering.
Wenn die innere Oberfläche des geformten Brennkorns Risse aufweist, die nicht ignoriert werden können, wurde die Heiztemperatur im Schmelzmischer auf 200 °C erhöht. Dann wurden die niedrigviskosen Eigenschaften des Paraffin-basierten Kraftstoffs verwendet, um eine Reparatur durchzuführen, um die Hohlräume des Kraftstoffkorns zu füllen. Nachdem das Korn vollständig abgekühlt war, wurde das innere Loch poliert, bis der Durchmesser mit dem ursprünglichen Design übereinstimmte.
Es gibt mehrere wichtige Schritte im Protokoll. Da die Kontaktfläche zwischen ABS-Substrat und Drucktisch klein ist, ist in Schritt 1.1.1.5 die Unterseite des Substrats leicht verformt und kann während des Druckprozesses verrutschen, was letztlich zu Druckfehlern führt. Dieses Problem kann durch die Vergrößerung der Kontaktfläche der Bodenfläche erheblich gemildert werden. Es wurde festgestellt, dass die Verwendung des Raft with Skirt-Parameters am besten funktioniert. Die Fülldichte muss auf 100 % eingestellt werden, um die Druckhohlräume im ABS-Substrat zu reduzieren und die Druckdichte zu erhöhen. Darüber hinaus kann die Einstellung der beheizten Betttemperatur in Schritt 1.1.1.8 effektiv verhindern, dass das ABS-Substrat verzogen wird.
In Schritt 1.1.2.2, basierend auf der thermischen Verformungstemperatur von ABS und der minimalen Schmelztemperatur des Paraffin-basierten Brennstoffs, erwies sich das Erhitzen des konfigurierten Paraffin-basierten Kraftstoffs auf eine Temperatur von 120 °C als machbar. Es ist notwendig, zu verhindern, dass sich das ABS-Substrat verformt, wenn die Temperatur zu hoch ist. Gleichzeitig ist es notwendig, ein unvollständiges Schmelzen und Mischen des Paraffin-basierten Kraftstoffs zu vermeiden, wenn die Temperatur zu niedrig ist.
In Schritt 1.1.3, um die Formzeit zu verkürzen und das Problem zu vermeiden, dass das Brennstoffkorn leicht durch die übermäßige thermische Belastung während des Kühlprozesses des Ein-Schuss-Formprozesses gerissen wird, sind erhöhung der Anzahl der Gießungen und effektive Kühlung für eine schnelle und qualitativ hochwertige Formung des Brennstoffkorns notwendig. Je nach der tatsächlichen Formqualität und Fertigungserfahrung sind vier oder mehr Gießzeiten für die Größe des Brennstoffkorns in dieser Arbeit erforderlich.
Es gibt zwei Einschränkungen für diese Technik. Zum einen sind die Materialien inkompatibel. Aufgrund der thermischen Belastung und Gießfehler kann das neuartige Brennkorn während des Gießprozesses Risse, Defekte oder Debonding aufweisen. Vergleicht man jedoch die Ergebnisse der Brennversuche zwischen dem geknackten Brennstoffkorn und dem normalen Brennstoffkorn, so wurde festgestellt, dass die charakteristische Struktur der beiden Arten von Brennstoffkörnern, die in Abbildung 2dargestellt ist, nach der Verbrennung im Wesentlichen gleich geblieben ist. Auf der inneren Oberfläche des Brennstoffkorns wurde kein offensichtliches Phänomen der erosiven Verbrennung beobachtet. Da die geringen Viskositätseigenschaften des Paraffin-basierten Kraftstoffs dazu führen, dass er die Risse während des Verbrennungsprozesses spontan füllt, ist dieses neuartige Brennstoffkorn nicht empfindlich gegenüber Rissen.
Zweitens lassen sich Paraffin-basierte Brennstoffe aufgrund der Eigenschaften der Zentrifuge während der Bildung des Brennstoffkorns nicht einfach rechtzeitig abkühlen, was zu einer Delamination führt. Um einen derart großen Einfluss auf die radiale Gleichmäßigkeit des Brennstoffkorns zu vermeiden, kann die Erhöhung der Anzahl der Gießereien diese Schwierigkeit überwinden.
Basierend auf der strukturellen Optimierung wird ein neuartiges Brennstoffkorn mit einer verschachtelten Spiralstruktur vorgeschlagen. Aufgrund der unterschiedlichen Regressionsraten zwischen den beiden Materialien kann diese charakteristische Struktur während des gesamten Verbrennungsprozesses bestehen und Leistungssteigerungen ermöglichen. Im Vergleich zu Paraffin-basiertem Brennstoffkorn zeigt diese neuartige Struktur eine effektive Verbesserung, einschließlich der Gesamtregressionsrate und der Verbrennungseffizienz.
Die vorgestellte Technik kann verwendet werden, um die Verbrennungsleistung von traditionellen Kraftstoffen wie HTPB (Hydroxyl-terminiertem Polybutadien), Paraffin-basiertem Kraftstoff und Carboxyl-terminiertem Polybutadien zu verbessern. Wir glauben, dass diese Technik das Hauptproblem der niedrigen Regressionsrate, die derzeit die Entwicklung des Hybridraketentriebwerks einschränkt, effektiv lösen kann. Darüber hinaus zeigt diese Technik ein großes Potenzial zur Verbesserung der Verbrennungseffizienz. Weitere Optimierungen von Parametern wie der Klingenstruktur, der Anzahl der Klingen und der Klingendicke sind erforderlich, um die Verbrennungsleistung zu maximieren.
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Disclosures
Die Autoren haben nichts zu verraten.
Acknowledgments
Diese Arbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China (Grant No. 11802315, 11872368 und 11927803) und Equipment Pre-Research Foundation of National Defense Key Laboratory (Grant No. 6142701190402) unterstützt.
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
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