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Engineering

एक नेस्टेड पेचदार संरचना के साथ एक उपन्यास ईंधन अनाज का उपयोग करके हाइब्रिड रॉकेट इंजन के दहन प्रदर्शन में सुधार करना

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

हाइब्रिड रॉकेट इंजन के दहन प्रदर्शन में सुधार करने के लिए एक उपन्यास नेस्टेड पेचिक संरचना के साथ एक ठोस ईंधन अनाज का उपयोग करने वाली तकनीक प्रस्तुत की जाती है।

Abstract

एक उपन्यास ईंधन अनाज संरचना का उपयोग कर एक संकर रॉकेट इंजन के दहन प्रदर्शन में सुधार करने के लिए एक तकनीक प्रस्तुत की है। यह तकनीक एक्रिलोनिट्रिल ब्यूटाडीन स्टाइरीन और पैराफिन आधारित ईंधनों की विभिन्न प्रतिगमन दरों का उपयोग करती है, जो आसन्न वैन के बीच खांचे पर गठित भंवर प्रवाह और रिसर्चर क्षेत्रों द्वारा पदार्थ और ऊर्जा दोनों के आदान-प्रदान को बढ़ाती है। अपकेंद्रित्र कास्टिंग तकनीक का उपयोग पैराफिन आधारित ईंधन को त्रि-आयामी मुद्रण द्वारा किए गए एक्रिलोनिट्रिल ब्यूटाडीन स्टाइरीन सब्सट्रेट में डालने के लिए किया जाता है। ऑक्सीडाइजर के रूप में ऑक्सीजन का उपयोग करना, उपन्यास ईंधन अनाज के दहन प्रदर्शन की जांच करने के लिए परीक्षणों की एक श्रृंखला आयोजित की गई थी। पैराफिन आधारित ईंधन अनाज की तुलना में, एक नेस्टेड पेचिक संरचना के साथ ईंधन अनाज, जिसे पूरे दहन प्रक्रिया में बनाए रखा जा सकता है, प्रतिगमन दर में महत्वपूर्ण सुधार और दहन दक्षता में सुधार में महान क्षमता दिखाई दी।

Introduction

हाइब्रिड रॉकेट इंजन के दहन प्रदर्शन में सुधार करने के लिए एक तकनीक की तत्काल आवश्यकता है। आज तक, हाइब्रिड रॉकेट इंजनों के व्यावहारिक अनुप्रयोग अभी भी ठोस और तरल रॉकेट इंजन1,2की तुलना में बहुत कम हैं। पारंपरिक ईंधनों की कम प्रतिगमन दर हाइब्रिड रॉकेट इंजन3,4के लिए जोर प्रदर्शन में सुधार को सीमित करती है । इसके अलावा, आंतरिक प्रसार दहन 5 के कारण इसकी दहन दक्षता अन्य रासायनिक ऊर्जा रॉकेट की तुलना में थोड़ी कम है, जैसा कि चित्र1में दिखायागया है। यद्यपि विभिन्न तकनीकों का अध्ययन और विकास किया गया है, जैसे किबहु-बंदरगाहों का उपयोग6,एडिटिव्स7,8,9,तरल ईंधन10,11,12,भंवर इंजेक्शन13,फलाव14,और धोखा शरीर15,ये दृष्टिकोण मात्रा उपयोग, दहन दक्षता, यांत्रिक प्रदर्शन और अतिरेक गुणवत्ता में समस्याओं से जुड़े हैं। इस प्रकार अब तक, ईंधन अनाज के संरचनात्मक सुधार, जिसमें ये कमियां नहीं हैं, ने दहन प्रदर्शन16, 17में सुधार के प्रभावी साधन के रूप में अधिक ध्यान आकर्षित किया है। त्रि-आयामी (3 डी) प्रिंटिंग के आगमन ने जटिल पारंपरिक अनाज डिजाइनों या गैर-चिकित्सा ईंधन अनाज 18 ,19,20, 21, 22, 23, 24, 25 , 26 , 27,28,29,30का उत्पादन करने की क्षमता के माध्यम से हाइब्रिड रॉकेट इंजनों के प्रदर्शन को बढ़ाने का एक प्रभावी तरीका है। हालांकि, दहन प्रक्रिया के दौरान, दहन प्रदर्शन में ये सुधार विशेषता संरचना जलने के साथ घटता है, जिसके परिणामस्वरूप दहन प्रदर्शन23में कमी आती है। हमने दिखा दिया है कि हाइब्रिड रॉकेट इंजन31के प्रदर्शन को बेहतर बनाने में एक उपन्यास डिजाइन उपयोगी है । इस तकनीक और प्रतिनिधि परिणामों के लिए विस्तार इस कागज में प्रस्तुत किया गया है।

ईंधन अनाज में एक्रिलोनिट्रिल-ब्यूटाडीन-स्टायरीन (एबीएस) और नेस्टेड पैराफिन आधारित ईंधन द्वारा बनाया गया एक हेलीकीय सब्सट्रेट होता है। अपकेंद्रित्र और 3 डी प्रिंटिंग के आधार पर, विभिन्न प्रतिगमन दरों वाले दो ईंधनों के फायदे संयुक्त थे। दहन के बाद ईंधन अनाज की विशेष पेचिक संरचना चित्र 2 में दिखाई गई है। जब गैस ईंधन अनाज से गुजरती है, तो ब्लेड के बीच खांचे पर कई रिसर्चर क्षेत्र एक साथ बनाए जाते हैं, जो चित्र 3में दिखाया गया है। भीतरी सतह पर यह विशेषता संरचना दहन कक्ष में अशांति गतिज ऊर्जा और भंवर संख्या को बढ़ाती है, जो दहन कक्ष में पदार्थ और ऊर्जा दोनों के आदान-प्रदान को बढ़ाती है। अंततः, उपन्यास ईंधन अनाज की प्रतिगमन दर में प्रभावी रूप से सुधार हुआ है। प्रतिगमन दर में सुधार का प्रभाव अच्छी तरह से साबित किया गया है: विशेष रूप से, उपन्यास ईंधन अनाज की प्रतिगमन दर 4 g/ss cm 2,32के द्रव्यमान प्रवाह पर पैराफिन आधारित ईंधन की तुलना में20%अधिक होने का प्रदर्शन किया गया था।

एक नेस्टेड पेचिक संरचना के साथ ईंधन अनाज का एक लाभ यह है कि यह निर्माण करने के लिए सरल है। मोल्डिंग प्रक्रिया में मुख्य रूप से एक पिघल मिक्सर, एक अपकेंद्रित्र, और एक 3 डी प्रिंटर की आवश्यकता होती है। 3डी प्रिंटिंग द्वारा गठित एबीएस सब्सट्रेट विनिर्माण लागत को बहुत कम कर देता है। एक और महत्वपूर्ण और अनूठा लाभ यह है कि दहन प्रक्रिया के दौरान वृद्धि प्रभाव गायब नहीं होता है।

यह कागज उपन्यास ईंधन अनाज संरचना का उपयोग करके हाइब्रिड रॉकेट इंजन के दहन प्रदर्शन में सुधार के लिए प्रयोगात्मक प्रणाली और प्रक्रिया प्रस्तुत करता है। इसके अतिरिक्त, यह पेपर तकनीक की व्यवहार्यता साबित करने के लिए दहन प्रदर्शन मापदंडों की तीन प्रतिनिधि तुलना प्रस्तुत करता है, जिसमें दहन कक्ष दबाव की दोलन आवृत्ति, प्रतिगमन दर और विशिष्ट वेग की विशेषता दहन दक्षता शामिल है।

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Protocol

1. प्रायोगिक सेटअप और प्रक्रियाएं

  1. ईंधन अनाज की तैयारी
    नोट: उपन्यास संरचना के साथ ईंधन अनाज में दो भाग शामिल थे, जिन्हें चित्र 4में दिखाया गया है। उपन्यास अनाज के मुख्य भाग के रूप में, पैराफिन आधारित ईंधन कुल द्रव्यमान का 80% से अधिक है। एबीएस सब्सट्रेट का उपयोग अतिरिक्त ईंधन के रूप में किया जाता है। इस ईंधन अनाज की तैयारी 3 डी प्रिंटिंग और सेंट्रलाइज कास्टिंग के संयोजन से महसूस की गई थी।
    1. सब्सट्रेट तैयारी
      1. एबीएस सब्सट्रेट ड्राइंग के लिए 3डी सॉफ्टवेयर खोलें।
        नोट: एबीएस सब्सट्रेट, जिसका उद्देश्य पैराफिन-आधारित ईंधन के लिए पेचिक फ्रेमवर्क और समर्थन प्रदान करना था, में बारह एकीकृत ब्लेड शामिल हैं जो अक्षीय दिशा और दीवार में 360 डिग्री दक्षिणावर्त घुमाते हैं।
      2. एबीएस सब्सट्रेट की 3डी स्ट्रक्चर को एसटीएल फाइल के रूप में सेव करें।
      3. 3डी स्लाइसिंग सॉफ्टवेयर खोलें और एबीएस सब्सट्रेट की संरचना आयात करें।
      4. क्लिक करें शुरू स्लाइसिंग,और मुख्य टेम्पलेटसे स्पीड प्रिंट मोड का चयन करें ।
        नोट: प्राथमिक एक्सट्रूडर के लिए एबीएस 1.75 मिमीचुनें।
      5. डबल-क्लिक स्पीड,इनफिल घनत्व को 100% तक बदलें और प्लेटफ़ॉर्म इसके अलावाके लिए स्कर्ट के साथ बेड़ा चुनें।
        नोट: प्रिंट की गुणवत्ता में सुधार करने और वारिंग को रोकने के लिए, प्रिंट बॉडी और बॉटम प्लेट के बीच संपर्क क्षेत्र को बढ़ाने के लिए प्रिंट बेस(स्कर्ट के साथ बेड़ा)की संरचना का उपयोग करना आवश्यक है।
      6. सेव एंड क्लोजपर क्लिक करें और फिर स्लाइस पर क्लिक करें।
      7. 3डी प्रिंटर चालू करें और एबीएस सब्सट्रेट स्लाइस फाइल आयात करें।
      8. गर्म बिस्तर और नोजल का तापमान क्रमशः 100 और 240 डिग्री सेल्सियस तक सेट करें।
      9. स्थिरीकरण के बाद प्रिंट करना शुरू करें क्लिक करें।
    2. पैराफिन आधारित ईंधन की तैयारी
      1. पैराफिन, पॉलीथीन (पीई) वैक्स, स्टेरिक एसिड, एथिलीन-विनाइल एसीटेट (ईवा) और कार्बन पाउडर का कच्चा माल तैयार करें। इन घटकों के अनुपात के अनुसार पैराफिन आधारित ईंधन को 0.58:0.2:0.1:0.1:0.1:0.02 के रूप में कॉन्फ़िगर करें।
        नोट: प्रत्येक कच्चे माल की विशिष्ट जानकारी सामग्री तालिका में दिखाया गया है। पैराफिन आधारित ईंधन का वितरण अनुपात तय नहीं है और प्रयोग के उद्देश्य के अनुसार उचित रूप से समायोजित किया जा सकता है। कार्बन पाउडर जोड़ने का उद्देश्य उज्ज्वल गर्मी हस्तांतरण को अवरुद्ध करना और दहन के दौरान ईंधन अनाज को नरम और टूटने से रोकना है।
      2. विनिग्ड कच्चे माल को पिघला मिक्सर में रखें, और पूरी तरह से मिश्रित होने तक पूरी तरह से पिघल जाएं और हिलाएं।
        नोट: एबीएस ब्लेड के विरूपण को रोकने के दौरान पूर्ण पिघलने को सुनिश्चित करने के लिए पैराफिन आधारित ईंधन को 120 डिग्री सेल्सियस तक गर्म किया जाता है।
    3. ईंधन अनाज विनिर्माण
      नोट: दहन प्रदर्शन में सुधार के प्रभाव को बेहतर तरह प्रदर्शित करने के लिए, एक ही संरचना के साथ पैराफिन आधारित ईंधन अनाज नियंत्रण के रूप में सेट किए गए थे।
      1. एबीएस सब्सट्रेट को सेंट्रलाइज में रखें, और इसे एंड कैप के साथ सुरक्षित करें।
      2. बिजली में प्लग और पानी ठंडा पंप स्विच चालू करें।
      3. सेंट्रलाइज रिले चालू करें और स्पीड को बढ़ाकर 1400 आरपीएम कर दें।
      4. पिघल मिक्सर पर वाल्व खोलें और कास्टिंग शुरू करें।
        नोट: पिघला हुआ पैराफिन आधारित ईंधन पाइप के माध्यम से मोल्ड के प्रारंभिक खंड में बहती है और एक केंद्रीय खोलने के साथ अंत कवर । गुरुत्वाकर्षण के प्रभाव में, तरल ईंधन मोल्ड की अक्षीय दिशा के साथ फैलता है। प्रभावी शीतलन के साथ संयुक्त, एक मल्टीपल-कास्टिंग विधि, जो मूल एक बार भरने की प्रक्रिया को कई बार विभाजित करने के लिए है, थर्मल तनाव को कम करने के लिए आवश्यक है।
      5. ईंधन अनाज निकालें और आकार ट्रिम करें।
    4. ईंधन अनाज माप और रिकॉर्डिंग
      1. ईंधन अनाज के वजन, लंबाई और आंतरिक व्यास को मापें और रिकॉर्ड करें।
      2. पूरा ईंधन अनाज की तस्वीर।
  2. हाइब्रिड रॉकेट इंजन प्रणाली की तैयारी
    नोट: जैसा कि चित्र 5में दिखाया गया है, हाइब्रिड रॉकेट इंजन प्रणाली में चार भाग शामिल थे: आपूर्ति प्रणाली, इग्निशन सिस्टम, इंजन, और माप और नियंत्रण प्रणाली। इंजन भाग में पांच भाग शामिल थे: मशाल प्रज्वलन, सिर, दहन कक्ष, दहन के बाद कक्ष, और नोजल। हाइब्रिड रॉकेट इंजन की कुल लंबाई लगभग 300 मिमी है, और दहन कक्ष का आंतरिक व्यास 70 मिमी है।
    1. हाइब्रिड रॉकेट इंजन असेंबली
      नोट: प्रयोगशाला पैमाने पर हाइब्रिड रॉकेट और प्रायोगिक प्रणाली की संरचना का विस्तृत विवरण पिछले पेपर32में पाया जा सकता है।
      1. स्लाइड रेल पर हाइब्रिड रॉकेट इंजन के दहन कक्ष अनुभाग को ठीक करें।
      2. ईंधन अनाज लोड करें और दहन के बाद कक्ष अनुभाग स्थापित करें।
      3. सिर और नोजल स्थापित करें।
      4. हाइब्रिड रॉकेट इंजन के सिर पर मशाल प्रज्वलित स्थापित करें।
      5. स्पार्क प्लग स्थापित करें और बिजली की आपूर्ति को कनेक्ट करें।
    2. परीक्षण बेंच और गैस सिलेंडर के बीच नाइट्रोजन, ऑक्सीडाइजर, इग्निशन मीथेन, और इग्निशन ऑक्सीजन गैस आपूर्ति लाइनों को जोड़ें।
    3. औद्योगिक कंप्यूटर, बहु-कार्य डेटा अधिग्रहण कार्ड, मास फ्लो कंट्रोलर और परीक्षा बेंच के नियंत्रण बॉक्स को कनेक्ट करें।
    4. परीक्षा बेंच पर शक्ति, जन प्रवाह नियंत्रक, और प्रज्वलन।
  3. परीक्षण प्रणाली की जांच करें और प्रायोगिक शर्तों को निर्धारित करें।
    1. फ्लोडी सॉफ्टवेयर खोलें और संचार से संचार सेटिंग्स पर क्लिक करें।
    2. संबंधित कनेक्शन इंटरफेस पर क्लिक करें और ओके पर क्लिक करें।
    3. फ्लो कंट्रोलर के साथ संचार स्थापित करने और माप और नियंत्रण कार्यक्रम (एमसीपी) खोलने के लिए ओपन कम्युनिकेशन पर क्लिक करें।
    4. मल्टी-फंक्शन डेटा एक्विजिशन कार्ड का I/O चैनल सेट करें और पूरे सिस्टम के साथ कम्युनिकेशन स्थापित करने के लिए रन पर क्लिक करें ।
    5. एमसीपी रनिंग स्टेटस की जांच करें और मैनुअल कंट्रोल मोड पर सेट करें।
      नोट: MCP में दो मोड शामिल हैं: मैनुअल नियंत्रण का उपयोग डिबगिंग के लिए किया जाता है और प्रयोगों के दौरान स्वचालित नियंत्रण का उपयोग किया जाता है। लैबव्यू द्वारा लिखित एमसीपी को चित्र 6में दिखाया गया है ।
    6. स्पार्क प्लग की कार्य स्थिति की जांच करें और एक वाल्व परीक्षण करें।
    7. टेस्ट डेटा रिकॉर्डिंग फ़ंक्शन।
    8. सेटिंग इंटरफ़ेस खोलें और परीक्षण का समय निर्धारित करें, जिसमें वाल्व खोलने और बंद करने का समय, इग्निशन समय और डेटा रिकॉर्डिंग अवधि शामिल है।
      नोट: बड़े पैमाने पर प्रवाह नियंत्रक को निर्धारित मूल्य पर ऑक्सीडाइजर प्रवाह को विनियमित करने में कुछ समय लगता है, इसलिए ऑक्सीडाइजर की आपूर्ति के बाद इग्निशन का समय 2 एस तक सेट किया गया था।
    9. प्रायोगिक क्षेत्र से सुरक्षा आवश्यकताओं और स्पष्ट कर्मियों को निर्धारित करें।
    10. सिलेंडर वाल्व खोलें और विभिन्न द्रव्यमान प्रवाह दर स्थितियों के अनुसार विनियमन वाल्व के उत्पादन दबाव को समायोजित करें।
      नोट: 6MPa की आपूर्ति के दबाव के साथ, ऑक्सीडाइजर की द्रव्यमान प्रवाह दर की सीमा 7 ग्राम/s और 29 ग्राम/s के बीच है ।
    11. सेटिंग इंटरफेस खोलें और ऑक्सीडाइजर मास फ्लो रेट सेट करें।
  4. हाइब्रिड रॉकेट इंजन इग्निशन
    1. कैमरे को चालू करें।
    2. एमसीपी को ऑटोमैटिक कंट्रोल मोड पर सेट करें और ट्रिगर की प्रतीक्षा करें।
    3. प्रयोग शुरू करने के लिए एमसीपी पर शुरू पर क्लिक करें।
    4. करीब एक मिनट के बाद एमसीपी पर रुकें और कैमरा बंद कर दें।
    5. गैस सिलेंडर बंद कर दें और दबाव से राहत पाने के लिए पाइप लाइन में वाल्व खोलें।
    6. परीक्षण बेंच से बिजली और ईंधन अनाज को हटा दें।
    7. दोहराएं चरण 1.1.4।

2. दहन प्रदर्शन का विश्लेषण

  1. दबाव दोलन का विश्लेषण
    नोट: सहेजे गए दहन कक्ष दबाव डेटा को पी सी (टी) के रूप में दर्शायाजाताहै।
    1. डेटा प्रोसेसिंग सॉफ्टवेयर के साथ पीसी(टी) खोलें।
    2. हाइब्रिड रॉकेट इंजन की दहन प्रक्रिया के दौरान समय अवधि चुनें।
    3. दबाव दोलन का विश्लेषण करने के लिए विश्लेषण और जीटी; सिग्नल प्रोसेसिंग और जीटी; एफएफटी का चयन करें।
    4. डिफ़ॉल्ट सेटिंग्स का उपयोग करें और ओके पर क्लिक करें।
  2. प्रतिगमन दर का विश्लेषण
    1. निम्नलिखित कार्य के अनुसार ईंधन अनाज की प्रतिगमन दर की गणना करें:
      Equation 1
      जहां डीफायरिंग परीक्षण के बाद ठोस ईंधन अनाज के औसत आंतरिक व्यास के परिवर्तन का प्रतिनिधित्व करते हैं; Equation 5 ईंधन अनाज की गुणवत्ता में परिवर्तन का प्रतिनिधित्व करते हैं; एल ईंधन अनाज की लंबाई है; ठोस ईंधन का औसत घनत्व है; टी काम करने का समय है।
      नोट: उपन्यास अनाज का औसत घनत्व के रूप में व्यक्त किया गया था:
      Equation 2
      जहां Equation 6 और Equation 7 क्रमशः नेस्टेड पैराफिन आधारित ईंधन और एबीएस सामग्री के घनत्व का प्रतिनिधित्व करते Equation 8 हैं; और Equation 9 क्रमशः नेस्टेड पैराफिन आधारित ईंधन और एबीएस सामग्री के बड़े पैमाने पर अंश का प्रतिनिधित्व करते हैं ।
    2. ऑक्सीडाइजर फ्लक्स के एक समारोह के रूप में प्रतिगमन दर फिट करें।
      नोट: फिटिंग फ़ंक्शन को एलोमेट्रिक 1 के रूप में चुना Equation 10 गया था, और पुनरावृत्ति एल्गोरिदम को लेवेनबर्ग-मार्क्वार्ट अनुकूलन एल्गोरिदम के रूप में चुना गया था।
  3. दहन दक्षता का विश्लेषण
    1. निम्नलिखित कार्य द्वारा औसत दहन कक्ष दबाव पीसी की गणना करें:
      Equation 3
      जहां पीसी(टी)अलग-अलग समय पर दहन कक्ष दबाव का प्रतिनिधित्व करता है; टी1 और टी एन प्रारंभिक और अंतिम समय का प्रतिनिधित्व करते हैं जिस पर दहन कक्ष दबाव क्रमशः औसत दबाव का 50% से अधिक था; n बीच और टी1 और टीएनके बीच दबाव डेटा पॉइंट्स की संख्या का प्रतिनिधित्व करता है .
    2. निम्नलिखित कार्य के अनुसार C⃰ दहन विशेषता वेग की गणना करें:
      Equation 4
      जहां पीसी औसत दहन कक्ष दबाव है; एकटी गला क्षेत्र है; ḿ कुल जन प्रवाह दर है।
    3. नासा सीईए कोड33द्वारा पैराफिन ईंधन C⃰पी के सैद्धांतिक विशेषता वेग की गणना करें ।

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Representative Results

चित्रा 7 दहन कक्ष दबाव और ऑक्सीडाइजर जन प्रवाह दर में परिवर्तन से पता चलता है । प्रवाह विनियमन के लिए आवश्यक समय प्रदान करने के लिए, ऑक्सीडाइजर पहले से दहन कक्ष में प्रवेश करता है। जब इंजन दहन कक्ष में दबाव बनाता है, ऑक्सीजन जन प्रवाह दर तेजी से गिरता है और फिर एक अपेक्षाकृत स्थिर परिवर्तन रखता है । दहन प्रक्रिया के दौरान, दहन कक्ष में दबाव अपेक्षाकृत स्थिर रहता है।

दहन कक्ष प्रेशर आदोलन आवृत्ति की तुलना दिखाने वाली छवियां चित्र 8में प्रस्तुत की जाती हैं । उपन्यास ईंधन अनाज के दबाव में उतार-चढ़ाव स्पेक्ट्रम में तीन अलग-अलग चोटियां थीं, जो क्रमशः34,दहन कक्ष में हाइब्रिड कम आवृत्ति, हेल्महोल्ट्ज़ मोड और ध्वनिक आधी लहर से जुड़ी थीं। उपन्यास ईंधन अनाज के अनुरूप दबाव चोटियों की स्थिति मूल रूप से पैराफिन-आधारित ईंधन के समान थी, जो इंगित करता है कि उपन्यास संरचना अतिरिक्त दहन दोलनों को पेश करने की संभावना नहीं है। इसके अलावा, यह स्पष्ट रूप से चिकनी वक्र से देखा जा सकता है कि प्रमुख कम आवृत्ति दबाव दोलन का आयाम उपन्यास संरचना द्वारा थोड़ा परिलक्षित किया गया था। इसलिए, उपन्यास ईंधन अनाज के वास्तविक अनुप्रयोग से पहले, दबाव दोलनों के आयाम को कम करने के लिए आगे संरचनात्मक अनुकूलन की आवश्यकता होती है।

चित्रा 9 उपन्यास ईंधन अनाज और पैराफिन आधारित ईंधन अनाज के बीच ऑक्सीडाइजर प्रवाह के एक समारोह के रूप में प्रतिगमन दर की तुलना से पता चलता है । पारंपरिक एचटीपीबी ईंधन की तुलना में, पैराफिन आधारित ईंधन की प्रतिगमन दर लगभग दोगुनी हो गई थी। फिर भी, एक ही ऑक्सीडाइजर मास फ्लो रेट पर, उपन्यास ईंधन अनाज की प्रतिगमन दर पैराफिन आधारित ईंधन की तुलना में अधिक होने का प्रदर्शन किया गया था। और ऑक्सीडाइजर फ्लक्स बढ़ने के साथ ही दो ईंधनों की प्रतिगमन दरों के बीच का अंतर भी धीरे-धीरे बढ़ता गया ।

चित्र 10में विशिष्ट वेग के आधार पर दहन दक्षता की तुलना करने वाली छवि प्रस्तुत की जाती है । उपन्यास ईंधन अनाज ने विभिन्न ऑक्सीडाइजर/ईंधन अनुपात में पैराफिन आधारित अनाज की तुलना में उच्च (विशिष्ट वेग) का प्रदर्शन किया । तदनुसार, नेस्टेड पेचिक संरचना द्वारा सुविधाजनक, उपन्यास ईंधन अनाज की औसत दहन दक्षता में लगभग 2% (±0.7%) की वृद्धि हुई है। वाणिज्यिक एबीएस सामग्रियों के कम कैलोरी मूल्य और विभिन्न तुल्यता अनुपात के कारण, उपन्यास संरचना द्वारा लाई गई दहन दक्षता में सुधार स्पष्ट नहीं था।

फायरिंग परीक्षणों के परिणामों से पता चलता है कि नेस्टेड पेचिक संरचना वाले ईंधन अनाज के प्रतिगमन दर के प्रदर्शन में प्रभावी रूप सेसुधारकिया जा सकता है । इसके अलावा, उपन्यास संरचना दहन दक्षता में सुधार में भी एक बड़ी क्षमता दिखाती है। आसन्न वैन और पेचिक संरचना के बीच खांचे पर दोनों कई रिसर्चर क्षेत्र दहन कक्ष में अशांति और भंवर संख्या को बढ़ाते हैं। ईंधन अनाज और दहन क्षेत्र के बीच पदार्थ और ऊर्जा का आदान-प्रदान बढ़ जाता है, जिससे दहन प्रदर्शन में सुधार होता है।

Figure 1
चित्रा 1: हाइब्रिड रॉकेट में शामिल दहन प्रक्रिया।
हाइब्रिड रॉकेट की मिश्रण और दहन प्रक्रियाएं या तो तरल पदार्थ या ठोस पदार्थों से अलग हैं। संकर में, मिश्रण और दहन प्रसार दहन के क्षेत्र में होते हैं जिसकी लंबाई दहन कक्ष के समान होती है। प्रसार दहन मॉडल की प्रकृति मिश्रण और दहन दक्षता की डिग्री में कमी की ओर जाता है, जो व्यावहारिक अनुप्रयोगों में 50% से 99% तक है27,35। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 2
चित्रा 2: उपन्यास ईंधन अनाज की विशेषता संरचना।
दो ईंधनों के बीच विभिन्न प्रतिगमन दरों के कारण, दहन प्रक्रिया के दौरान यह नेस्टेड पेचिक संरचना बनाई जाती है और बनाए रखी जाती है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 3
चित्र 3: रिसर्चर जोन बनाया गया।
जब गैस आसन्न वैन के बीच खांचे से गुजरती है, तो एक रिसर्चर क्षेत्र बनता है। अशांति तेज है, और दहन कक्ष में पदार्थ और ऊर्जा के आदान-प्रदान को बढ़ाया गया है । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 4
चित्रा 4: उपन्यास ईंधन अनाज की संरचनात्मक छवियां।
(क)एबीएस सब्सट्रेट की 3डी प्रिंटिंग 70 मिमी के बाहरी व्यास, 30 मिमी के भीतरी व्यास और उपन्यास ईंधन अनाज की 125 मिमी की लंबाई(ख)नेस्टेड पेचिक संरचना, जिसमें पैराफिन आधारित ईंधन और एबीएस ब्लेड एक ही प्रारंभिक आंतरिक व्यास को बनाए रखते हैं। (ग)आकार के ईंधन की छवि । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 5
चित्रा 5: प्रायोगिक सेटअप।
प्रयोगशाला पैमाने पर हाइब्रिड रॉकेट इंजन की योजनाबद्ध। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 6
चित्रा 6: लैबव्यू माप और नियंत्रण कार्यक्रम इंटरफेस।
}सेटअप इंटरफेस(b)ऑटो-मोड इंटरफेस(c)मैनुअल-मोड इंटरफेस(घ)प्रोग्राम रनिंग मॉनिटरिंग इंटरफेस । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 7
चित्रा 7: दहन कक्ष दबाव और ऑक्सीडाइजर जन प्रवाह दर में परिवर्तन।
दहन प्रक्रिया के दौरान, ऑक्सीडाइजर और दहन कक्ष दबाव की द्रव्यमान प्रवाह दर अपेक्षाकृत स्थिर रहती है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 8
चित्रा 8: दहन कक्ष दबाव दोलन आवृत्ति की तुलना।
कम आवृत्ति दोलन हाइब्रिड रॉकेट का प्रमुख दहन दोलन मोड है। पैराफिन आधारित ईंधन अनाज के साथ तुलना में, नेस्टेड पेचिक संरचना के साथ ईंधन अनाज के लिए प्रमुख दोलन के आयाम में थोड़ी वृद्धि हुई है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 9
चित्रा 9: ऑक्सीडाइजर फ्लक्स के साथ प्रतिगमन दर की तुलना।
जैसे-जैसे ऑक्सीडाइजर का प्रवाह बढ़ता है, प्रतिगमन दर बढ़ाने पर उपन्यास संरचना का प्रभाव अधिक महत्वपूर्ण हो जाता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 10
चित्रा 10: विशेषता वेग के आधार पर दहन दक्षता की तुलना।
}पैराफिन आधारित ईंधन अनाज की औसत दहन दक्षता 77% है। (ख)नए अनाज की औसत जलने की दक्षता 79% है। क्योंकि उपयोग की जाने वाली एबीएस सामग्री का दहन कैलोरीमूल्य बेहद कम है, दहन दक्षता में थोड़ा सुधार हुआ है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

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Discussion

इस पेपर में प्रस्तुत तकनीक एक नेस्टेड पेचिक संरचना के साथ ईंधन अनाज का उपयोग करके एक उपन्यास दृष्टिकोण है। जरूरी उपकरण और सुविधाएं स्थापित करने में कोई दिक्कत नहीं है। पेचिक संरचना को आसानी से 3 डी प्रिंटिंग द्वारा उत्पादित किया जा सकता है, और पैराफिन आधारित ईंधन के घोंसले को आसानी से अपकेंद्रित्र कास्टिंग द्वारा किया जा सकता है। फ्यूज्ड डिपॉजिटेशन मोल्डिंग (एफडीएम) 3डी प्रिंटर महंगे नहीं होते हैं और सेंट्रलाइज की लागत कम होती है।

जब आकार के ईंधन अनाज की भीतरी सतह में दरारें पाई गईं जिन्हें नजरअंदाज नहीं किया जा सकता, तो पिघले मिक्सर में हीटिंग तापमान बढ़कर 200 डिग्री सेल्सियस हो गया। फिर, पैराफिन आधारित ईंधन की कम चिपचिपाहट विशेषताओं का उपयोग ईंधन अनाज के शून्य को भरने के लिए मरम्मत डालने के लिए किया जाता था। अनाज पूरी तरह से ठंडा होने के बाद, आंतरिक छेद को तब तक पॉलिश किया गया जब तक कि व्यास मूल डिजाइन के अनुरूप नहीं था।

प्रोटोकॉल में कई महत्वपूर्ण कदम हैं। चरण 1.1.1.5 में, क्योंकि एबीएस सब्सट्रेट और प्रिंट टेबल के बीच संपर्क क्षेत्र छोटा है, सब्सट्रेट का निचला हिस्सा आसानी से विकृत हो जाता है और मुद्रण प्रक्रिया के दौरान फिसल सकता है, जिसके परिणामस्वरूप अंततः मुद्रण विफलता होती है। नीचे की सतह के संपर्क क्षेत्र को बढ़ाकर इस समस्या को बहुत कम किया जा सकता है। यह पाया गया कि स्कर्ट पैरामीटर के साथ बेड़ा का उपयोग करना सबसे अच्छा काम करता है। एबीएस सब्सट्रेट में प्रिंटिंग रिक्तियों को कम करने और प्रिंटिंग घनत्व को बढ़ाने के लिए इनफिल घनत्व को 100% तक सेट किया जाना चाहिए। इसके अलावा, चरण 1.1.1.8 में, गर्म बिस्तर के तापमान को 100 डिग्री सेल्सियस तक सेट करने से एबीएस सब्सट्रेट को विकृत होने से प्रभावी ढंग से रोका जा सकता है।

चरण 1.1.2.2 में, एबीएस के थर्मल विरूपण तापमान और पैराफिन आधारित ईंधन के न्यूनतम पिघलने के तापमान के आधार पर, कॉन्फ़िगर पैराफिन आधारित ईंधन को 120 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर गर्म करना व्यवहार्य साबित हुआ। तापमान बहुत अधिक होने पर एबीएस सब्सट्रेट को विकृत होने से रोकना आवश्यक है। साथ ही तापमान बहुत कम होने पर पैराफिन आधारित ईंधन के अधूरे गलने और मिलाने से बचना जरूरी है।

चरण 1.1.3 में, मोल्डिंग समय को छोटा करने के लिए, और इस समस्या से बचने के लिए कि ईंधन अनाज आसानी से एक शॉट मोल्डिंग प्रक्रिया की शीतलन प्रक्रिया के दौरान उत्पन्न अत्यधिक थर्मल तनाव के कारण फटा है, ईंधन अनाज की तेजी से और उच्च गुणवत्ता वाले मोल्डिंग के लिए डालने वालों की संख्या में वृद्धि और प्रभावी शीतलन आवश्यक हैं। वास्तविक मोल्डिंग गुणवत्ता और विनिर्माण अनुभव के अनुसार, इस काम में ईंधन अनाज के आकार के लिए चार या अधिक घनघोर समय की आवश्यकता होती है।

इस तकनीक की दो सीमाएं हैं। एक यह है कि सामग्री असंगत हैं । थर्मल तनाव और कास्टिंग त्रुटियों के कारण, उपन्यास ईंधन अनाज में कास्टिंग प्रक्रिया के दौरान दरारें, दोष या डीबॉन्डिंग होने की संभावना है। हालांकि, फटा ईंधन अनाज और सामान्य ईंधन अनाज के बीच फायरिंग परीक्षणों के परिणामों की तुलना करके, यह पाया गया कि दो प्रकार के ईंधन अनाज की विशेषता संरचना, जो चित्र 2में दिखाई जाती है, दहन के बाद मूल रूप से समान रही। ईंधन अनाज की आंतरिक सतह पर इरोसिव जलने की कोई स्पष्ट घटना नहीं देखी गई। क्योंकि पैराफिन आधारित ईंधन की कम चिपचिपाहट विशेषताएं इसे अनायास दहन प्रक्रिया के दौरान दरारों को भरती हैं, यह उपन्यास ईंधन अनाज दरारों के प्रति संवेदनशील नहीं है।

दूसरा, अपकेंद्रित्र की विशेषताओं के कारण, पैराफिन आधारित ईंधन ईंधन अनाज के गठन के दौरान समय में आसानी से ठंडा नहीं होता है, जिसके परिणामस्वरूप डेलामिनेशन होता है। ईंधन अनाज की रेडियल एकरूपता पर इतने बड़े प्रभाव से बचने के लिए, डालने वालों की संख्या में वृद्धि इस कठिनाई को दूर कर सकती है।

संरचनात्मक अनुकूलन के आधार पर, नेस्टेड पेचिक संरचना के साथ एक उपन्यास ईंधन अनाज प्रस्तावित है। दो सामग्रियों के बीच विभिन्न प्रतिगमन दरों के कारण, यह विशिष्ट संरचना पूरे दहन प्रक्रिया में मौजूद हो सकती है और प्रदर्शन संवर्द्धन प्रदान कर सकती है। पैराफिन आधारित ईंधन अनाज की तुलना में, यह उपन्यास संरचना समग्र प्रतिगमन दर और दहन दक्षता सहित प्रभावी सुधार दिखाती है।

प्रस्तुत तकनीक का उपयोग पारंपरिक ईंधन जैसे एचटीपीबी (हाइड्रोक्सिल-टर्मिनेट पॉलीब्यूटाडीन), पैराफिन आधारित ईंधन और कार्बोक्सिल-टर्मिनेट पॉलीबुटाडीन के दहन प्रदर्शन में सुधार करने के लिए किया जा सकता है। हमारा मानना है कि यह तकनीक कम प्रतिगमन दर की प्रमुख समस्या को प्रभावी ढंग से हल कर सकती है जो वर्तमान में हाइब्रिड रॉकेट इंजन के विकास को प्रतिबंधित करते हैं । इसके अलावा, यह तकनीक दहन दक्षता में सुधार के लिए बहुत क्षमता दिखाती है। दहन प्रदर्शन को अधिकतम करने के लिए ब्लेड संरचना, ब्लेड की संख्या और ब्लेड की मोटाई जैसे मापदंडों का और अनुकूलन की आवश्यकता होती है।

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Disclosures

लेखकों के पास खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।

Acknowledgments

इस काम को नेशनल नेचुरल साइंस फाउंडेशन ऑफ चाइना (ग्रांट नग 11802315, 11872368 और 11927803) और इक्विपमेंट प्री-रिसर्च फाउंडेशन ऑफ नेशनल डिफेंस की लेबोरेटरी (ग्रांट नंबर 6142701190402) ने सपोर्ट किया।

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

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इंजीनियरिंग अंक 167 हाइब्रिड रॉकेट पैराफिन आधारित ईंधन एक्रिलोनिट्रिल ब्यूटाडीन स्टाइरीन 3 डी प्रिंटिंग दहन प्रदर्शन नेस्टेड पेचिक संरचना
एक नेस्टेड पेचदार संरचना के साथ एक उपन्यास ईंधन अनाज का उपयोग करके हाइब्रिड रॉकेट इंजन के दहन प्रदर्शन में सुधार करना
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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).

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