Engineering

שיפור ביצועי הבעירה של מנוע רקטות היברידי באמצעות דגן דלק חדשני עם מבנה הליקל מקוננים

Published: January 18, 2021 doi: 10.3791/61555

Zezhong Wang^1,2, Xin Lin¹, Fei Li¹, Zelin Zhang¹, Xilong Yu^1,2

¹Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences, ²School of Engineering Science, University of Chinese Academy of Sciences

Summary

טכניקה תוך שימוש בתבואת דלק מוצקה עם מבנה הליקל מקוננים חדשני כדי לשפר את ביצועי הבעירה של מנוע רקטות היברידי מוצג.

Abstract

טכניקה לשיפור ביצועי הבעירה של מנוע רקטות היברידי באמצעות מבנה תבואה דלק חדשני מוצג. טכניקה זו מנצלת את שיעורי הרגרסיה השונים של אקרילוניטריל סטירן ודלקים מבוססי פרפין, אשר מגבירים את חילופי החומר והאנרגיה על ידי זרימת מערבולת ואזורי recirculation שנוצרו חריצים בין vanes הסמוכים. טכניקת הליהוק הצנטריפוגלי משמש כדי להשליך את הדלק מבוסס פרפין לתוך תכלת סטירן אסטרילוניטריל שנעשו על ידי הדפסה תלת ממדית. באמצעות חמצן כחמצון, נערכו סדרה של בדיקות כדי לחקור את ביצועי הבעירה של תבואת הדלק הרומן. בהשוואה גרגרי דלק מבוססי פרפין, גרגר הדלק עם מבנה הליקל מקוננים, אשר ניתן לשמור לאורך כל תהליך הבעירה, הראה שיפור משמעותי בקצב רגרסיה ופוטנציאל גדול לשיפור יעילות בעירה.

Introduction

טכניקה לשיפור ביצועי הבעירה של מנוע רקטות היברידי נדרשת בדחיפות. עד כה, יישומים מעשיים של מנועי רקטות היברידיים הם עדיין הרבה פחות מאלה של מנועי רקטות מוצק^{ונוזלי 1,}². קצב הרגרסיה הנמוך של דלקים מסורתיים מגביל את שיפור ביצועי הדחף עבור מנוע הרקטות^{ההיברידי 3}^,⁴. בנוסף, יעילות הבעירה שלה נמוכה במקצת מזה של רקטות אנרגיה כימית אחרות^{בשל בעירה פנימית 5}, כפי שמוצג באות 1. למרות טכניקות שונות נחקרו ופיתחו, כגון השימוש ביציאות^{מרובות 6}, שיפור^{תוספים 7}^,⁸^,⁹, דלק נוזלי 10^,¹¹^,¹²,^{הזרקת מערבולת 13},^{בלוטות 14}, וגוף^{בלוף 15}, גישות אלה קשורות לבעיות בניצול נפח, יעילות בעירה, ביצועים מכניים, ואיכות יתירות. עד כה, שיפור מבני של תבואת הדלק, אשר אין חסרונות אלה, משך יותר תשומת לב כאמצעי יעיל לשיפור ביצועי בעירה¹⁶^,¹⁷. הופעתה של הדפסה תלת מימדית (תלת-ממדית) הביאה לדרך יעילה להגביר את הביצועים של מנועי רקטות היברידיים באמצעות היכולת לייצר במהירות ובצול גם עיצובי תבואה קונבנציונליים מורכבים או גרגרי דלק לא^{קונבנציונליים 18,}^19,^20,^21,^22,^23,^24,^25,^26,^27,^28,^29,³⁰. עם זאת, במהלך תהליך הבעירה, שיפורים אלה בביצועי בעירה פוחתת עם שריפת המבנה האופייני, וכתוצאה מכך ירידה בביצועי^{בעירה 23}. הוכחנו כי עיצוב חדשני שימושי בשיפור הביצועים של מנועי רקטות היברידיים^31. הפירוט עבור טכניקה זו ותוצאות מייצגות מוצג בנייר זה.

תבואת הדלק מורכבת ממצע הליקלי מבעלות אקרילוניטריל-תות-סטירן (ABS) ודלק מקונן המבוסס על פרפין. בהתבסס על הדפסה צנטריפוגלית ותלת-ממדית, היתרונות של שני הדלקים עם שיעורי רגרסיה שונים שולבו. המבנה ההליקלי המיוחד של תבואת הדלק לאחר הבעירה מוצג בדמות 2. כאשר גז עובר דרך תבואת הדלק, אזורי תפוצה רבים נוצרים בו זמנית בגרובים בין להבים, המוצג באות 3. מבנה אופייני זה על פני השטח הפנימי מגביר את מערבולת אנרגיה קינטית ומספר מערבולת בתא הבעירה, אשר להגדיל את חילופי החומר והאנרגיה בתא הבעירה. בסופו של דבר, קצב הרגרסיה של תבואת הדלק הרומן משתפר ביעילות. ההשפעה של שיפור קצב הרגרסיה הוכחה היטב: בפרט, שיעור הרגרסיה של תבואת הדלק הרומן הוכח להיות 20% גבוה יותר מזה של דלק מבוסס פרפין בשטף המסה של 4 g/s·cm^2,³².

אחד היתרונות של תבואת הדלק עם מבנה הליקל מקוננים הוא שזה פשוט לייצר. תהליך היצוק דורש בעיקר מערבל נמס, צנטריפוגה ומדפסת תלת-ממד. מצע ABS שנוצר על ידי הדפסה בתלת-ממד מפחית מאוד את עלות הייצור. יתרון משמעותי וייחודי נוסף הוא שאפקט השיפור אינו נעלם במהלך תהליך הבעירה.

נייר זה מציג את המערכת הניסיונית ואת ההליך לשיפור ביצועי הבעירה של מנוע רקטות היברידי באמצעות מבנה התבואה דלק הרומן. בנוסף, מאמר זה מציג שלוש השוואות מייצגות של פרמטרים של ביצועי בעירה כדי להוכיח את היתכנות הטכניקה, כולל תדירות תנודות של לחץ תא בעירה, קצב רגרסיה, ויעילות בעירה המאופיינת במהירות אופיינית.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. התקנה ניסיונית והליכים

הכנת תבואת דלק
הערה: גרגר הדלק עם מבנה חדשני מורכב משני חלקים, המוצגים באות 4. כחלק העיקרי של התבואה הרומן, דלק מבוסס פרפין מהווה יותר מ 80% של המסה הכוללת. ה-ABS משמש כדלק נוסף. הכנת תבואת דלק זו התממשה על ידי שילוב של הדפסה בתלת-ממד ויציקה צנטריפוגלית.
1. הכנת שקוע
  1. פתח תוכנת תלת-מיוד לציור של קבלנות ABS.
    הערה: ה-ABS, שנועד לספק את המסגרת ההליקית והתמיכה בדלק המבוסס על פרפין, מורכב מ-12 להבים משולבים המסתובבים בכיוון השעון בכיוון הצוק והקיר.
  2. שמור את המבנה תלת-מיוער של ה-ABS כקובץ STL.
  3. פתח את תוכנת החיתוך תלת-מיוער וייבוא המבנה של סאבומת ABS.
  4. לחץ על התחל חיתוךובחר דרג מצב הדפסה מהתבנית הראשית.
    הערה: עבור Extruder הראשי לבחור ABS 1.75 מ"מ.
  5. לחץ פעמיים על מהירות, שנה את צפיפות המי מילוי ל- 100% ובחר רפסודה עם חצאית לתוספת פלטפורמה.
    הערה: על מנת לשפר את איכות ההדפסה ולמנוע עיהום, יש להשתמש במבנה של בסיס הדפסה (רפסודה עם חצאית) כדי להגדיל את אזור המגע בין גוף ההדפסה לצלחת התחתונה.
  6. לחץ על שמור וסגורולאחר מכן לחץ על פרוסה.
  7. הפעל את מדפסת תלת-ממד וייבוא קובץ פרוסת ה-ABS.
  8. הגדר את הטמפרטורה של המיטה המחוממת ואת זרבובית ל 100 ו 240 מעלות צלזיוס, בהתאמה.
  9. לחץ על התחל כדי להדפיס לאחר ייצוב.
2. הכנת דלק מבוססת פרפין
  1. להכין חומרי גלם של פרפין, פוליאתילן (PE) שעווה, חומצה סטרית, אתילן-ויניל אצטט (EVA), ואבקת פחמן. קבע את תצורת הדלק מבוסס פרפין בהתאם ליחס של רכיבים אלה כ- 0.58:0.2:0.1:0.1:0.02.
    הערה: המידע הספציפי של כל חומר גלם מוצג בטבלת החומרים. יחס ההפצה של דלק מבוסס פרפין אינו קבוע וניתן להתאים אותו כראוי בהתאם למטרת הניסוי. המטרה של הוספת אבקת פחמן היא לחסום העברת חום קורנת ולמנוע מתבואת הדלק לרכך ולקרות במהלך הבעירה.
  2. מניחים את חומרי הגלם המוגדרים במיקסר המסה, וממיסים ומערבבים עד לקבלת תערובת מלאה.
    הערה: הדלק מבוסס פרפין מחומם ל-120°C כדי להבטיח התכה מלאה תוך מניעת עיוות של להבי ABS.
3. ייצור תבואת דלק
  הערה: כדי להדגים טוב יותר את ההשפעה של שיפור ביצועי הבעירה, גרגרי דלק מבוססי פרפין עם הרכב זהה הוגבעו כמו הפקד.
  1. הנח את ה-ABS בלמקם את הצנטריפוגה, ואבטח אותה עם מכסה קצה.
  2. חבר את החשמל והפעיל את מתג משאבת קירור המים.
  3. הפעל את ממסר הצנטריפוגה והגביר את המהירות ל-1,400 סל"ד.
  4. פתח את השסתום על מערבל ההמסה והתחיל בליהוק.
    הערה: הדלק על בסיס פרפין מותך זורם לתוך החלק הראשוני של עובש דרך הצינור ואת כיסוי הקצה עם פתח מרכזי. תחת השפעת הכבידה, הדלק הנוזלי מתפשט לאורך הכיוון הקסי של התבנית. בשילוב עם קירור יעיל, נדרשת שיטת יציקה מרובה, שתחלק את תהליך המילוי המקורי חד-פעמיים לפעמים רבות, כדי להפחית את הלחץ התרמי.
  5. הסר את תבואת הדלק ותקצץ את הצורה.
4. מדידה והקלטה של תבואת דלק
  1. למדוד ולתרגם את המשקל, האורך, ואת הקוטר הפנימי של תבואת הדלק.
  2. צלם את תבואת הדלק המלאה.
הכנת מערכת מנוע רקטות היברידית
הערה: כפי שמצג באות 5, מערכת מנוע הרקטות ההיברידית כללה ארבעה חלקים: מערכת האספקה, מערכת ההצתה, המנוע ומערכת המדידה והשליטה. חלק המנוע כלל חמישה חלקים: מצת הלפיד, הראש, תא הבעירה, תא הבעירה והזרבובית. האורך הכולל של מנוע הרקטות ההיברידי הוא כ-300 מ"מ, וקוטרו הפנימי של תא הבעירה הוא 70 מ"מ.
1. הרכבה היברידית של מנוע רקטות
  הערה: הפרטים הממצה של הרקטה ההיברידית בקנה מידה מעבדה ואת הרכב המערכת הניסיונית ניתן למצוא בנייר^{הקודם 32.}
  1. לתקן את קטע תא הבעירה של מנוע רקטות היברידי על מעקה השקופית.
  2. טען את תבואת הדלק והתקן את המקטע שלאחר הבעירה.
  3. תתקין את הראש והתנועע.
  4. להתקין את המצת לפיד על הראש של מנוע הרקטות היברידי.
  5. התקן את המצת וחבר את ספק הכוח.
2. חבר את החנקן, החמצון, מתאן ההצתה, והצתה של קווי אספקת גז חמצן בין ספסל הבדיקה לגליל הגז.
3. חבר את המחשב התעשייתי, את כרטיס רכישת הנתונים הרב-תכליתי, את בקר זרימת המסה ואת תיבת הבקרה של ספסל הבדיקה.
4. כוח על ספסל הבדיקה, בקר זרימת המסה, וההצתה.
בדוק את מערכת הבדיקה והגדר את התנאים הניסיוניים.
1. פתח את תוכנת FlowDDE ולחץ על הגדרות תקשורת מתוך התקשורת.
2. לחץ על ממשק החיבור המתאים ולחץ על אישור.
3. לחץ על פתח תקשורת כדי ליצור תקשורת עם בקר הזרימה ולפתוח את תוכנית המדידה והבקרה (MCP).
4. הגדר את ערוץ I/O של כרטיס רכישת הנתונים הרב-תכליתי ולחץ על הפעל כדי ליצור תקשורת עם המערכת כולה.
5. בדוק את מצב הריצה של MCP והגדר למצב בקרה ידנית.
  הערה: MCP כולל שני מצבים: פקד ידני משמש לאיתר באגים ונעשה שימוש בבקרה אוטומטית במהלך ניסויים. MCP שנכתב על ידי LabVIEW מוצג באות 6.
6. בדוק את מצב העבודה של המצת ובצע בדיקת שסתום.
7. בדוק פונקציית הקלטת נתונים.
8. פתח את ממשק ההגדרה והגדר את זמן הבדיקה, כולל שעת פתיחה וסגירה של שסתומים, זמן הצתה ומשך רישום נתונים.
  הערה: זה לוקח קצת זמן עבור בקר זרימת המסה לווסת את זרימת חמצון לערך להגדיר, כך זמן ההצתה הוגדר 2 s לאחר אספקת חמצון.
9. קבע דרישות בטיחות ופינה כוח אדם מהאזור הניסיוני.
10. פתח את שסתום הצילינדר והתאם את לחץ הפלט של השסתום המסדיר בהתאם לתנאי קצב זרימת המסה השונים.
  הערה: עם לחץ האספקה של 6MPa, טווח זרימת המסה של חמצון הוא בין 7 g/s ו 29 g/s.
11. פתח את ממשק ההגדרה והגדר את קצב זרימת המסה של חמצון.
הצתה היברידית של מנוע רקטות
1. תדליק את המצלמה.
2. הגדר את ה- MCP למצב בקרה אוטומטית והמתן לגורם מפעיל.
3. לחץ על התחל ב- MCP כדי להתחיל בניסוי.
4. לאחר כדקה, לחץ על עצור ב- MCP וכבה את המצלמה.
5. סגור את צילינדר הגז ופתח את השסתום בצינור כדי להקל על הלחץ.
6. נתק את ספסל הבדיקה והסר את תא הדלק.
7. חזור על שלב 1.1.4.

2. ניתוח ביצועי בעירה

ניתוח תנודות לחץ
הערה: נתוני לחץ תא הבעירה השמור מיוצגים כ- P_c(t).
1. פתח את P_c(t) עם תוכנת עיבוד הנתונים.
2. בחר את פרק הזמן במהלך תהליך הבעירה של מנוע הרקטות ההיברידי.
3. בחר ניתוח > עיבוד אותות > FFT כדי לנתח את תנודות הלחץ.
4. השתמש בהגדרות ברירת המחדל ולחץ על אישור.
ניתוח קצב רגרסיה
1. חשב את קצב הרגרסיה של תבואת הדלק בהתאם לפונקציה הבאה:
  
  כאשר ThD מייצג את השינוי בקוטרים הפנימיים הממוצעים של תבואת הדלק המוצקה לאחר בדיקת הירי; מייצגים את שינוי איכות תבואת הדלק; L הוא האורך של תבואת הדלק; ι היא הצפיפות הממוצעת של דלק מוצק; זה זמן העבודה.
  הערה: הצפיפות הממוצעת של התבואה הרומן באה לידי ביטוי כמו:
  
  כאשר הם מייצגים את הצפיפות של החומר הקינון המבוסס על פרפין וחומר ABS, בהתאמה;
2. להתאים את קצב הרגרסיה כפונקציה של שטף חמצון.
  הערה: פונקציית ההתאמה נבחרה כ-Allometric1 , והאלגוריתם איטרטיבי נבחר כלגוריתם אופטימיזציה של לבנברג-מרקווארדט.
ניתוח יעילות בעירה
1. חשב לחץ ממוצע של תא בעירה P_{c לפי} הפונקציה הבאה:
  
  כאשר P_c(t)מייצג את לחץ חדר הבעירה בזמנים שונים; t₁ ו-t_{מייצגים} את הפעמים הראשוניות והאחרונות שבהן הלחץ בתא הבעירה היה גדול מ-50% מהלחץ הממוצע, בהתאמה; מייצג את מספר נקודות נתוני הלחץ בין 0 ל-_{t 1} ו- t_n.
2. חשב את מהירות הבעירה האופיינית C⃰ בהתאם לפונקציה הבאה:
  
  כאשר P_c הוא הלחץ הממוצע של תא בעירה; זה אזור הגרון. ḿ הוא קצב זרימת המסה הכולל.
3. חשב את המהירות התיאורטית האופיינית של דלק פרפין C⃰_{P על} ידי נאס"א CEA קוד³³.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

איור 7 מראה את השינויים בלחץ תא הבעירה ובקצב זרימת המסה של חמצון. כדי לספק את הזמן הדרוש לוויסות זרימה, חמצון נכנס לתא הבעירה מראש. כאשר המנוע בונה לחץ בתא הבעירה, קצב זרימת מסת החמצן יורד במהירות ולאחר מכן שומר על שינוי יציב יחסית. במהלך תהליך הבעירה, הלחץ בתא הבעירה נותר יציב יחסית.

תמונות המציגות השוואה של תדירות תנודות בלחץ תא בעירה מוצגות באות 8. ספקטרום תנודות הלחץ של תבואת הדלק הרומן הכיל שלוש פסגות נפרדות, שהיו קשורות לתדר הנמוך ההיברידי, למצב הלמהולץ ולגל האקוסטי בתא הבעירה,^{בהתאמה 34.} המיקום של פסגות הלחץ המתאים לתבואת הדלק הרומן היו בעצם זהה לזה של דלקים מבוססי פרפין, מה שמצביע על כך שמבנה חדשני לא צפוי להציג תנודות בעירה נוספות. יתר על כן, ניתן לראות בבירור מן העקומה החלקה כי משרעת של תנודות לחץ תדר נמוך דומיננטי היה מעט מוגבר על ידי המבנה הרומן. לכן, לפני היישום בפועל של תבואת הדלק הרומן, אופטימיזציה מבנית נוספת נדרשת כדי להפחית את משרעת תנודות לחץ.

איור 9 מראה השוואה של קצב רגרסיה כפונקציה של שטף חמצון בין גרגרי דלק חדשניים גרגרי דלק מבוססי פרפין. בהשוואה לדלקים מסורתיים של HTPB, קצב הרגרסיה של דלקים מבוססי פרפין הוכפל בערך. אף על פי כן, באותו קצב זרימת מסה מחומצן, קצב הרגרסיה של תבואת הדלק הרומן הוכח להיות גבוה יותר מזה של דלק מבוסס פרפין. והפער בין שיעורי הרגרסיה של שני דלקים התרחב בהדרגה ככל שטף החמצון גדל.

תמונה המשווה את יעילות הבעירה בהתבסס על המהירות האופיינית מוצגת באות 10. דגן הדלק הרומן הציג מהירות גבוהה יותר (אופיינית) מאשר דגנים מבוססי פרפין ביחסי מחמצן/דלק שונים. בהתאמה, בסיוע מבנה ההליקלמק, יעילות הבעירה הממוצעת של תבואת הדלק הרומן גדלה בכ-2% (±0.7%). בשל הערך הקלורי הנמוך של חומרי ABS מסחריים ויחסי השוויון השונים, שיפור יעילות הבעירה שהביא המבנה החדשני לא היה ברור.

תוצאות בדיקות הירי הראו כי הביצועים של קצב הרגרסיה של תבואת הדלק עם מבנה הליקל מקוננים יכולים להיות משופרים^{ביעילות 32}. יתר על כן, המבנה הרומן גם מראה פוטנציאל גדול בשיפור יעילות בעירה. שני אזורי ההתכנסות הרבים בגרובים בין השחלות הסמוכות למבנה ההליקל מגדילים את המערבולת ואת מספר המערבולת בתא הבעירה. חילופי החומר והאנרגיה בין תבואת הדלק לאזור הבעירה גדלים, ובכך משפרים את ביצועי הבעירה.

איור 1: תהליך בעירה מעורב רקטה היברידית.
תהליכי הערבוב והבעירה של הרקטה ההיברידית שונים מנוזלים או מוצקים. בכלאיים, ערבוב ובעירה מתרחשים באזור של בעירה דיפוזיה כי יש אורך זהה לתא הבעירה. אופיו של מודל הבעירה דיפוזיה מוביל לירידה באופן של ערבוב ויעילות בעירה, אשר נע בין 50% ל 99% ביישומים^{מעשיים 27}^,³⁵. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.

איור 2: מבנה אופייני של תבואת דלק חדשנית.
בשל שיעורי הרגרסיה השונים בין שני דלקים, מבנה הליקל מקוננים זה נוצר ומתוחזק במהלך תהליך הבעירה. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.

איור 3: נוצר אזור סיווג מחדש.
כאשר גז עובר דרך החריצים בין טנדרים סמוכים, נוצר אזור תפוצה מחדש. ההפרעה מתעצמת, וחילופי החומר והאנרגיה בתא הבעירה שופרו. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.

איור 4: תמונות מבניות של תבואת דלק חדשנית.
(א) הדפסה תלת-ממדית של כשת ABS בקוטר חוץ של 70 מ"מ, קוטר פנימי של 30 מ"מ, ואורך של 125 מ"מ.(ב)מבנה הליקל מקוננים של גרגר הדלק החדשני, שבו דלק מבוסס פרפין ולהבי ABS לשמור על אותו קוטר פנימי ראשוני. (ג)תמונה של הדלק בצורת. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.

איור 5: התקנה ניסיונית.
סכמטי של מנוע הרקטות ההיברידי בקנה מידה מעבדה. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.

איור 6: ממשק תוכנית מדידה ובקרה של LabVIEW.
(a) ממשק התקנה (ב) ממשק מצב אוטומטי (c) ממשק ידני (ד) תוכנית הפעלת ממשק ניטור. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.

איור 7: שינוי לחץ תא בעירה וקצב זרימת מסה של חמצון.
במהלך תהליך הבעירה, קצב הזרימה ההמונית של חמצון ולחץ תא בעירה נשאר יציב יחסית. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.

איור 8: השוואה של תדירות תנודות של לחץ תא בעירה.
תנודות בתדר נמוך היא מצב תנודות בעירה הדומיננטי של רקטות היברידיות. בהשוואה גרגרי דלק מבוססי פרפין, משרעת של תנודות דומיננטיות עבור תבואת הדלק עם מבנה הליקל מקוננים גדל מעט. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.

איור 9: השוואה של קצב רגרסיה עם שטף חמצון.
ככל שטף החמצון גדל, ההשפעה של המבנה הרומן על הגדלת קצב הרגרסיה הופך משמעותי יותר. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.

איור 10: השוואה של יעילות בעירה בהתבסס על מהירות אופיינית.
(א)יעילות הבעירה הממוצעת של תבואת דלק מבוססת פרפין היא 77%. (ב)יעילות הצריבה הממוצעת של דגנים חדשים היא 79%. מכיוון שהערך הקלורי בעירה של חומר ABS בשימוש הוא נמוך מאוד, יעילות הבעירה משופרת במקצת. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

הטכניקה המוצגת בנייר זה היא גישה חדשנית באמצעות גרגר דלק עם מבנה הליקל מקוננים. אין קשיים בהקמת הציוד והמתקנים הדרושים. המבנה ההליקל יכול להיות מיוצר בקלות על ידי הדפסה תלת-ממדית, וגינון של דלקים מבוססי פרפין יכול להתבצע בקלות על ידי יציקה צנטריפוגלית. תצהיר מותך יצוק (FDM) מדפסות 3D אינן יקרות ואת העלות של צנטריפוגות היא נמוכה.

כאשר נמצא כי המשטח הפנימי של גרגר הדלק המעוצב כולל סדקים שלא ניתן להתעלם מהם, טמפרטורת החימום במיקסר המסה הוגדלה ל-200 מעלות צלזיוס. לאחר מכן, המאפיינים של צמיגות נמוכה של דלק מבוסס פרפין שימשו לביצוע זרם תיקון כדי למלא את החללים של תבואת הדלק. לאחר שהתבואה התקררו לחלוטין, החור הפנימי היה מלוטש עד שהקטר היה עקבי עם העיצוב המקורי.

קיימים מספר שלבים קריטיים בפרוטוקול. בשלב 1.1.1.5, מכיוון שתחום איש הקשר בין ה-ABS לבין טבלת ההדפסה קטן, החלק התחתון של הצוללת מעוות בקלות והוא עלול להחליק במהלך תהליך ההדפסה, מה שבסופו של דבר נוגע לכשל הדפסה. בעיה זו יכולה להיות הקלה רבה על-ידי הגדלת אזור המגע של המשטח התחתון. נמצא כי באמצעות הפרמטר רפסודה עם חצאית עובד בצורה הטובה ביותר. יש להגדיר את צפיפות מילוי ה- 100% כדי להפחית את חללי ההדפסה במצע ABS ולהגדיל את צפיפות ההדפסה. בנוסף, בשלב 1.1.1.8, הגדרת טמפרטורת המיטה המחוממת ל- 100 °C יכולה למנוע ביעילות את התעוות של מצע ABS.

בשלב 1.1.2.2, בהתבסס על טמפרטורת העיוות התרמי של ABS וטמפרטורת ההתכה המינימלית של הדלק המבוסס על פרפין, חימום הדלק מבוסס פרפין מוגדר לטמפרטורה של 120 °C הוכח אפשרי. יש צורך למנוע את התעוות של ה-ABS כאשר הטמפרטורה גבוהה מדי. במקביל, יש צורך להימנע מהמסה לא שלמה ומערבוב של דלק מבוסס פרפין כאשר הטמפרטורה נמוכה מדי.

בשלב 1.1.3, על מנת לקצר את זמן היציקה, ולהימנע מהבעיה שתבואת הדלק נסדקת בקלות בשל הלחץ התרמי המוגזם שנוצר במהלך תהליך הקירור של תהליך היציקה חד-מצלמה, הגדלת מספר היציקה והקירור היעיל נחוצים לצורך יציקה מהירה ואיכותית של תבואת הדלק. על פי איכות היציקה בפועל וניסיון הייצור, ארבע או יותר זמני שפיכה נדרשים עבור גודל תבואת דלק בעבודה זו.

ישנן שתי מגבלות לטכניקה זו. אחד מהם הוא שהתומרים אינם תואמים. בשל הלחץ התרמי ושגיאות הליהוק, תבואת הדלק הרומן עשויה להיות סדקים, פגמים או debonding במהלך תהליך הליהוק. עם זאת, על ידי השוואת תוצאות בדיקות הירי בין תבואת הדלק סדוקה לבין תבואת הדלק הרגילה, נמצא כי המבנה האופייני של שני סוגי גרגרי הדלק, המוצג באות 2, נותר למעשה זהה לאחר הבעירה. לא נצפתה תופעה ברורה של שריפת סחף על פני השטח הפנימיים של תבואת הדלק. מכיוון שמאפייני הצמיגות הנמוכים של הדלק המבוסס על פרפין גורמים לו למלא באופן ספונטני את הסדקים במהלך תהליך הבעירה, דגן דלק חדשני זה אינו רגיש לסדקים.

שנית, בשל מאפיינים של צנטריפוגה, דלקים מבוססי פרפין אינם מקוררים בקלות בזמן במהלך היווצרות תבואת הדלק, וכתוצאה מכך delamination. כדי למנוע השפעה כה גדולה על אחידותו הרדיאלית של תבואת הדלק, הגדלת מספר המוזגים יכולה להתגבר על קושי זה.

בהתבסס על האופטימיזציה המבנית, מוצע גרגר דלק חדשני עם מבנה הליקל מקוננים. בשל שיעורי הרגרסיה השונים בין שני החומרים, מבנה אופייני זה יכול להתקיים לאורך כל תהליך הבעירה ולספק שיפורי ביצועים. בהשוואה לדגן דלק מבוסס פרפין, מבנה חדשני זה מראה שיפור אפקטיבי, כולל קצב הרגרסיה הכולל ויעילות בעירה.

הטכניקה המוצגת יכולה לשמש כדי לשפר את ביצועי הבעירה של דלקים מסורתיים כגון HTPB (פוליבוטדין שהסתיים הידרוקסיל), דלק מבוסס פרפין, ופוליבותדין עם תבלין עם קארבוקסיל. אנו מאמינים כי טכניקה זו יכולה לפתור ביעילות את הבעיה העיקרית של קצב רגרסיה נמוך המגביל כיום את הפיתוח של מנוע הרקטות היברידית. בנוסף, טכניקה זו מראה פוטנציאל גדול לשיפור יעילות בעירה. אופטימיזציה נוספת של פרמטרים כגון מבנה הלהב, מספר הלהבים ועובי הלהב נדרש כדי למקסם את ביצועי הבעירה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

לסופרים אין מה לחשוף.

Acknowledgments

עבודה זו נתמכה על ידי הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין (Grant Nos. 11802315, 11872368 ו- 11927803) וקרן קדם-מחקר ציוד של המעבדה הלאומית להגנה מפתח (גרנט מס' 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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).

Engineering

שיפור ביצועי הבעירה של מנוע רקטות היברידי באמצעות דגן דלק חדשני עם מבנה הליקל מקוננים

Summary

Abstract

Introduction

Protocol

Representative Results

Discussion

Disclosures

Acknowledgments

Materials

References

Tags

Cite this Article

Summary

Abstract

Introduction

Protocol

Representative Results

Discussion

Disclosures

Acknowledgments

Materials

References

Tags

Cite this Article

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