Summary
Viene presentata una tecnica che utilizza un granello di combustibile solido con una nuova struttura elicoiale annidata per migliorare le prestazioni di combustione di un motore a razzo ibrido.
Abstract
Viene presentata una tecnica per migliorare le prestazioni di combustione di un motore a razzo ibrido utilizzando una nuova struttura a grana di combustibile. Questa tecnica utilizza i diversi tassi di regressione dello stirene acrilonitrile butadiene e dei combustibili a base di paraffina, che aumentano gli scambi di materia ed energia attraverso il flusso vorticoso e le zone di ricircolo formate alle scanalature tra le palette adiacenti. La tecnica di fusione centrifuga viene utilizzata per gettare il combustibile a base di paraffina in un substrato di stirene acrilonitrile butadiene realizzato con stampa tridimensionale. Utilizzando l'ossigeno come ossidante, sono state condotte una serie di prove per studiare le prestazioni di combustione del nuovo grano combustibile. Rispetto ai grani di combustibile a base di paraffina, il grano combustibile con una struttura elicoiale annidata, che può essere mantenuto durante tutto il processo di combustione, ha mostrato un miglioramento significativo del tasso di regressione e un grande potenziale nel miglioramento dell'efficienza della combustione.
Introduction
È urgente mente necessaria una tecnica per migliorare le prestazioni di combustione di un motore a razzo ibrido. Ad oggi, le applicazioni pratiche dei motori a razzo ibridi sono ancora molto meno di quelle dei motori a razzo solido eliquido 1,2. Il basso tasso di regressione dei combustibili tradizionali limita il miglioramento delle prestazioni di spinta per il motore arazzo ibrido 3,4. Inoltre, la sua efficienza di combustione è leggermente inferiore a quella di altri razzi ad energia chimica a causa della combustione a diffusioneinterna 5, come mostrato nella figura 1. Sebbene siano state studiate e sviluppate varie tecniche, come l'uso di multi-porte6,il miglioramento degli additivi7,8,9,liquefatti10,11,12,iniezione vorticosa13,sporgenze14e bluff body15,questi approcci sono associati a problemi di utilizzo del volume, efficienza di combustione, prestazioni meccaniche e qualità di ridondanza. Finora, il miglioramento strutturale del grano combustibile, che non presenta queste carenze, ha attirato maggiore attenzione come mezzo efficace per migliorare le prestazioni dicombustione 16,17. L'avvento della stampa tridimensionale (3D) ha un modo efficace per aumentare le prestazioni dei motori a razzo ibridi attraverso la capacità di produrre rapidamente ed economicamente progetti di grani convenzionali complessi o grani di combustibile non convenzionali18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30. Tuttavia, durante il processo di combustione, questi miglioramenti nelle prestazioni di combustione diminuiscono con la caratteristica combustione della struttura, con conseguente diminuzione delle prestazioni di combustione23. Abbiamo dimostrato che un nuovo design è utile per migliorare le prestazioni dei motori a razzo ibridi31. I dettagli di questa tecnica e i risultati rappresentativi sono presentati in questo documento.
Il grano combustibile è costituito da un substrato elicoilicoilico fatto da acrilonitrile-butadiene-stirene (ABS) e da un combustibile a base di paraffina annidata. Sulla base della stampa centrifuga e 3D, sono stati combinati i vantaggi dei due combustibili con diversi tassi di regressione. La speciale struttura elicoiale del grano combustibile dopo la combustione è illustrata nella figura 2. Quando il gas passa attraverso il grano combustibile, numerose zone di ricircolo vengono create simultaneamente a scanalature tra lame, come mostrato nella figura 3. Questa struttura caratteristica sulla superficie interna aumenta l'energia cinetica della turbolenza e il numero di vortice nella camera di combustione, che aumentano gli scambi di materia ed energia nella camera di combustione. In definitiva, il tasso di regressione del nuovo grano combustibile è effettivamente migliorato. L'effetto del miglioramento del tasso di regressione è stato ben dimostrato: in particolare, il tasso di regressione del nuovo grano combustibile è stato dimostrato essere superiore del 20% a quello del combustibile a base di paraffina al flusso di massa di 4 g/s·cm2,32.
Un vantaggio del grano combustibile con una struttura elicoiale annidata è che è semplice da produrre. Il processo di stampaggio richiede principalmente un miscelatore di fusione, una centrifuga e una stampante 3D. Il substrato ABS formato dalla stampa 3D riduce notevolmente i costi di produzione. Un altro vantaggio significativo e unico è che l'effetto di miglioramento non scompare durante il processo di combustione.
Questo documento presenta il sistema sperimentale e la procedura per migliorare le prestazioni di combustione di un motore a razzo ibrido utilizzando la nuova struttura del grano combustibile. Inoltre, questo documento presenta tre confronti rappresentativi dei parametri delle prestazioni di combustione per dimostrare la fattibilità della tecnica, tra cui la frequenza di oscillazione della pressione della camera di combustione, il tasso di regressione e l'efficienza di combustione caratterizzata da velocità caratteristica.
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Protocol
1. Allestimento e procedure sperimentali
- Preparazione del grano combustibile
NOTA: La granulometria con nuova struttura era costituita da due parti, che sono mostrate nella figura 4. Come parte principale del nuovo grano, il combustibile a base di paraffina rappresenta oltre l'80% della massa totale. Il substrato ABS viene utilizzato come combustibile aggiuntivo. La preparazione di questo grano combustibile è stata realizzata combinando stampa 3D e colata centrifuga.- Preparazione del substrato
- Aprire il software 3D per il disegno del substrato ABS.
NOTA: Il substrato ABS, che intendeva fornire la struttura elicoiale e il supporto per il combustibile a base di paraffina, è composto da dodici lame integrate che ruotano di 360° in senso orario nella direzione assiale e nella parete. - Salvare la struttura 3D del substrato ABS come file STL.
- Aprire il software di affezione 3D e importare la struttura del substrato ABS.
- Fare clic su Avvia affezionee selezionare Modalità di stampa velocità dal modello principale.
NOTA: Per l'estrusore primario scegliere ABS 1,75 mm. - Fate doppio clic su Velocità (Speed),modificate la densità di riempimento al 100% e selezionate Zattera con gonna (Raft with Skirt) per l'aggiunta della piattaforma.
NOTA: Per migliorare la qualità di stampa e prevenire la curvatura, è necessario utilizzare una struttura di base di stampa (Zattera con Gonna) per aumentare l'area di contatto tra il corpo di stampa e la piastra inferiore. - Fare clic su Salva echiudi e quindi su Slice.
- Accendere la stampante 3D e importare il file slice del substrato ABS.
- Impostare la temperatura del letto riscaldato e dell'ugello rispettivamente a 100 e 240 °C.
- Fare clic su Avvia per stampare dopo la stabilizzazione.
- Aprire il software 3D per il disegno del substrato ABS.
- Preparazione del combustibile a base di paraffina
- Preparare materie prime di paraffina, cera di polietilene (PE), acido stearico, acetato di etilene-vinile (EVA) e polvere di carbonio. Configurare il combustibile a base di paraffina in base al rapporto tra questi componenti come 0,58:0,2:0,1:0,1:0,02.
NOTA: Le informazioni specifiche di ciascuna materia prima sono riportate nella tabella dei materiali. Il rapporto di distribuzione del combustibile a base di paraffina non è fisso e può essere regolato in modo appropriato in base allo scopo dell'esperimento. Lo scopo dell'aggiunta di polvere di carbonio è quello di bloccare il trasferimento di calore radiante e impedire al grano combustibile di ammorbidirsi e collassare durante la combustione. - Posizionare le materie prime configurate nel miscelatore di fusione e sciogliere e mescolare completamente fino a completa miscela.
NOTA: Il combustibile a base di paraffina viene riscaldato a 120 °C per garantire la fusione completa prevenendo al contempo la deformazione delle lame ABS.
- Preparare materie prime di paraffina, cera di polietilene (PE), acido stearico, acetato di etilene-vinile (EVA) e polvere di carbonio. Configurare il combustibile a base di paraffina in base al rapporto tra questi componenti come 0,58:0,2:0,1:0,1:0,02.
- Produzione di grani di combustibile
NOTA: Per dimostrare meglio l'effetto del miglioramento delle prestazioni di combustione, sono stati impostati granelli di combustibile a base di paraffina con la stessa composizione del controllo.- Posizionare il substrato ABS nella centrifuga e fissarlo con un tappo finale.
- Collegare l'alimentazione e accendere l'interruttore della pompa di raffreddamento ad acqua.
- Accendere il relè della centrifuga e aumentare la velocità a 1400 giri/min.
- Aprire la valvola sul miscelatore di fusione e iniziare a lanciare.
NOTA: Il combustibile fuso a base di paraffina fluisce nella sezione iniziale dello stampo attraverso il tubo e il coperchio finale con un'apertura centrale. Sotto l'effetto della gravità, il combustibile liquido si diffonde lungo la direzione assiale dello stampo. In combinazione con un raffreddamento efficace, è necessario un metodo di fusione multipla, che è quello di dividere il processo di riempimento una volta originale in più volte, per ridurre lo stress termico. - Rimuovere la granulosità del carburante e tagliare la forma.
- Misurazione e registrazione del grano combustibile
- Misurare e registrare il peso, la lunghezza e il diametro interno del grano combustibile.
- Fotografa il grano combustibile completo.
- Preparazione del substrato
- Preparazione del sistema di motori a razzo ibrido
NOTA: Come mostrato nella figura 5, il sistema di motore a razzo ibrido era composto da quattro parti: il sistema di alimentazione, il sistema di accensione, il motore e il sistema di misurazione e controllo. La parte del motore comprendeva cinque parti: l'accenditore della torcia, la testa, la camera di combustione, la camera di post-combustione e l'ugello. La lunghezza totale del motore a razzo ibrido è di circa 300 mm e il diametro interno della camera di combustione è di 70 mm.- Assemblaggio di motori a razzo ibridi
NOTA: I dettagli esaustivi del razzo ibrido su scala di laboratorio e la composizione del sistema sperimentale sono disponibili nel precedente articolo32.- Fissare la sezione della camera di combustione del motore a razzo ibrido sul binario scorrevole.
- Caricare il grano combustibile e installare la sezione della camera di post-combustione.
- Installare la testa e l'ugello.
- Installare l'accenditore della torcia sulla testa del motore a razzo ibrido.
- Installare la candela e collegare l'alimentatore.
- Collegare le linee di alimentazione di azoto, ossidante, metano di accensione e gas ossigeno di accensione tra il banco di prova e la bombola del gas.
- Collegare il computer industriale, la scheda di acquisizione dati multifunzione, il controller di flusso di massa e la scatola di controllo del banco di prova.
- Alimentazione sul banco di prova, sul controller del flusso di massa e sull'accenditore.
- Assemblaggio di motori a razzo ibridi
- Controllare il sistema di test e impostare le condizioni sperimentali.
- Aprire il software FlowDDE e fare clic su Impostazioni comunicazioni dalla comunicazione.
- Fare clic sull'interfaccia di connessione corrispondente e fare clic su OK.
- Fare clic su Apri comunicazione per stabilire la comunicazione con il controller di flusso e aprire il programma di misurazione e controllo (MCP).
- Impostare il canale di I/O della scheda di acquisizione dati multifunzione e fare clic su Esegui per stabilire la comunicazione con l'intero sistema.
- Controllare lo stato di esecuzione di MCP e impostare la modalità di controllo manuale.
NOTA: l'MCP include due modalità: il controllo manuale viene utilizzato per il debug e il controllo automatico viene utilizzato durante gli esperimenti. L'MCP scritto da LabVIEW è illustrato nella figura 6. - Controllare le condizioni di lavoro della candela ed eseguire un test della valvola.
- Funzione di registrazione dei dati di prova.
- Aprire l'interfaccia di impostazione e impostare il tempo di test, inclusi l'orario di apertura e chiusura della valvola, il tempo di accensione e la durata della registrazione dei dati.
NOTA: Ci vuole un po 'di tempo perché il regolatore di flusso di massa regoli il flusso dell'ossidante al valore impostato, quindi il tempo di accensione è stato impostato su 2 s dopo la fornitura dell'ossidante. - Impostare i requisiti di sicurezza e liberare il personale dall'area sperimentale.
- Aprire la valvola del cilindro e regolare la pressione di uscita della valvola di regolazione in base alle diverse condizioni di portata di massa.
NOTA: Con la pressione di alimentazione di 6MPa, l'intervallo di portata di massa dell'ossidante è compreso tra 7 g/s e 29 g/s. - Aprire l'interfaccia di impostazione e impostare la portata di massa dell'ossidante.
- Accensione del motore a razzo ibrido
- Accendi la fotocamera.
- Impostare l'MCP sulla modalità di controllo automatico e attendere il trigger.
- Fate clic su Avvia (Start) sull'MCP per avviare l'esperimento.
- Dopo circa un minuto, fare clic su Interrompi sull'MCP e spegnere la fotocamera.
- Chiudere la bombola del gas e aprire la valvola nella tubazione per alleviare la pressione.
- Spegnere il banco di prova e rimuovere la grana del carburante.
- Ripetere il passaggio 1.1.4.
2. Analisi delle prestazioni di combustione
- Analisi dell'oscillazione di pressione
NOTA: I dati sulla pressione della camera di combustione salvati sono rappresentati come Pc(t).- Aprire Pc(t) con il software di elaborazione dati.
- Scegli il periodo di tempo durante il processo di combustione del motore a razzo ibrido.
- Selezionate Analisi (Analysis) > Elaborazione segnale (Signal Processing) > FFT per analizzare l'oscillazione della pressione.
- Usare le impostazioni predefinite e fare clic su OK.
- Analisi del tasso di regressione
- Calcolare il tasso di regressione del grano combustibile in base alla seguente funzione:
dove ΔD rappresenta il cambiamento dei diametri interni medi del grano combustibile solido dopo la prova di cottura;
rappresentano il cambiamento di qualità del grano combustibile; L è la lunghezza del grano combustibile; ρ è la densità media del combustibile solido; t è l'orario di lavoro.
NOTA: La densità media ρ del granello nuovo è stata espressa come:
dove
e rappresentano la 
densità rispettivamente del combustibile a base di paraffina nidificata e del materiale ABS; 
e rappresentano rispettivamente la frazione di massa del 
combustibile a base di paraffina annidata e del materiale ABS. - Adattare il tasso di regressione in funzione del flusso di ossidante.
NOTA: la funzione di raccordo è stata selezionata come Allometric1
e l'algoritmo iterativo è stato selezionato come algoritmo di ottimizzazione di Levenberg-Marquardt.
- Calcolare il tasso di regressione del grano combustibile in base alla seguente funzione:
- Analisi dell'efficienza di combustione
- Calcolare la pressione media della camera di combustione Pc con la seguente funzione:
dove Pc(t) rappresenta la pressione della camera di combustione in momenti diversi; t1 e t nrappresentano rispettivamente i tempi iniziali e finali in cui la pressione della camera di combustione era superiore al 50% della pressione media; n rappresenta il numero di punti dati di pressione tra e t1 e tn. - Calcolare la velocità caratteristica di C⃰ in base alla seguente funzione:
dove Pc è la pressione media della camera di combustione; Unat è l'area della gola; ḿ è la portata di massa totale. - Calcolare la velocità teorica caratteristica del combustibile paraffina C⃰P dal codice CEA33 dellaNASA.
- Calcolare la pressione media della camera di combustione Pc con la seguente funzione:
rappresentano il cambiamento di qualità del grano combustibile; L è la lunghezza del grano combustibile; ρ è la densità media del combustibile solido; t è l'orario di lavoro.
e rappresentano la 
densità rispettivamente del combustibile a base di paraffina nidificata e del materiale ABS; 
e rappresentano rispettivamente la frazione di massa del 
combustibile a base di paraffina annidata e del materiale ABS.
e l'algoritmo iterativo è stato selezionato come algoritmo di ottimizzazione di Levenberg-Marquardt.
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Representative Results
La figura 7 mostra le variazioni della pressione della camera di combustione e della portata di massa dell'ossidante. Per fornire il tempo necessario per la regolazione del flusso, l'ossidante entra in anticipo nella camera di combustione. Quando il motore costruisce pressione nella camera di combustione, la portata di massa dell'ossigeno diminuisce rapidamente e quindi mantiene un cambiamento relativamente costante. Durante il processo di combustione, la pressione nella camera di combustione rimane relativamente stabile.
Le immagini che mostrano un confronto della frequenza di oscillazione della pressione della camera di combustione sono presentate nella figura 8. Lo spettro di fluttuazione della pressione del nuovo grano combustibile conteneva tre picchi distinti, che erano associati alla bassa frequenza ibrida, alla modalità Helmholtz e alla semi-onda acustica nella camera di combustione,rispettivamente 34. La posizione dei picchi di pressione corrispondenti al nuovo grano combustibile era fondamentalmente la stessa di quella dei combustibili a base di paraffina, il che indica che è probabile che una nuova struttura introduca ulteriori oscillazioni di combustione. Inoltre, dalla curva levigata si può chiaramente vedere che l'ampiezza dell'oscillazione dominante della pressione a bassa frequenza è stata leggermente amplificata dalla nuova struttura. Pertanto, prima dell'effettiva applicazione del nuovo grano combustibile, è necessaria un'ulteriore ottimizzazione strutturale per ridurre l'ampiezza delle oscillazioni di pressione.
La figura 9 mostra un confronto del tasso di regressione in funzione del flusso di ossidante tra nuovi grani di combustibile e grani di combustibile a base di paraffina. Rispetto ai tradizionali combustibili HTPB, il tasso di regressione dei combustibili a base di paraffina è stato approssimativamente raddoppiato. Tuttavia, alla stessa portata di massa dell'ossidante, la velocità di regressione del nuovo grano combustibile è stata dimostrata essere superiore a quella del combustibile a base di paraffina. E anche il divario tra i tassi di regressione di due combustibili si è gradualmente ampliato con l'aumento del flusso di ossidanti.
Un'immagine che confronta l'efficienza di combustione in base alla velocità caratteristica è presentata nella figura 10. Il nuovo grano combustibile presentava una velocità più alta (velocità caratteristica) rispetto ai grani a base di paraffina a vari rapporti ossidante/combustibile. Di conseguenza, facilitata dalla struttura elicoiale annidata, l'efficienza media di combustione del nuovo grano combustibile è stata aumentata di circa il 2% (±0,7%). A causa del basso potere calorifico dei materiali ABS commerciali e dei diversi rapporti di equivalenza, il miglioramento dell'efficienza di combustione portato dalla nuova struttura non era ovvio.
I risultati delle prove di cottura hanno dimostrato che le prestazioni del tasso di regressione per il grano combustibile con una struttura elicoiale annidata potrebbero essere effettivamentemigliorate 32. Inoltre, la nuova struttura mostra anche un grande potenziale nel miglioramento dell'efficienza della combustione. Sia le numerose zone di ricircolo alle scanalature tra le palette adiacenti che la struttura elicoiale aumentano la turbolenza e il numero di vortice nella camera di combustione. Lo scambio di materia ed energia tra il grano combustibile e la zona di combustione è aumentato, migliorando così le prestazioni di combustione.
Figura 1: Processo di combustione coinvolto nel razzo ibrido.
I processi di miscelazione e combustione del razzo ibrido sono diversi da liquidi o solidi. Negli ibridi, la miscelazione e la combustione si verificano nell'area di combustione di diffusione che ha la stessa lunghezza della camera di combustione. La natura del modello di combustione a diffusione porta ad una riduzione del grado di miscelazione ed efficienza di combustione, che varia dal 50% al 99% nelleapplicazioni pratiche 27,35. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Struttura caratteristica del granulometrio nuovo.
A causa dei diversi tassi di regressione tra due combustibili, questa struttura elicoiale annidata viene formata e mantenuta durante il processo di combustione. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Zona di ricircolo formata.
Quando il gas passa attraverso le scanalature tra le palette adiacenti, si forma una zona di ricircolo. I disturbi si intensificano e gli scambi di materia ed energia nella camera di combustione sono stati intensificati. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: Immagini strutturali di grani di combustibile nuovi.
(a) stampa 3D di substrato ABS con diametro esterno di 70 mm, diametro interno di30 mm e lunghezza di 125 mm. (e) Immagine del combustibile sagomato. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5: Configurazione sperimentale.
Schema del motore a razzo ibrido su scala di laboratorio. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 6: Interfaccia del programma di misurazione e controllo LabVIEW.
(a) Interfaccia di installazione (b) Interfaccia in modalità automatica (c) interfaccia in modalità manuale (d) programma che esegue l'interfaccia di monitoraggio. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 7: Variazione della pressione della camera di combustione e della portata di massa dell'ossidante.
Durante il processo di combustione, la portata di massa dell'ossidante e la pressione della camera di combustione rimangono relativamente stabili. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 8: Confronto della frequenza di oscillazione della pressione della camera di combustione.
L'oscillazione a bassa frequenza è la modalità di oscillazione della combustione dominante dei razzi ibridi. Rispetto ai grani di combustibile a base di paraffina, l'ampiezza dell'oscillazione dominante per il grano combustibile con struttura elicoiale nidificata è leggermente aumentata. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 9: Confronto del tasso di regressione con il flusso dell'ossidante.
Con l'aumentare del flusso dell'ossidante, l'effetto della nuova struttura sull'aumento del tasso di regressione diventa più significativo. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 10: Confronto dell'efficienza di combustione in base alla velocità caratteristica.
(a) L'efficienza media di combustione dei grani di combustibile a base di paraffina è del 77%. b)L'efficienza media di combustione dei nuovi cereali è del 79%. Poiché il potere calorifico della combustione del materiale ABS utilizzato è estremamente basso, l'efficienza di combustione è leggermente migliorata. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
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Discussion
La tecnica presentata in questo articolo è un nuovo approccio che utilizza un grano combustibile con una struttura elicoiale annidata. Non vi sono difficoltà nella creazione delle attrezzature e degli impianti necessari. La struttura elicoiale può essere facilmente prodotta dalla stampa 3D e la nidificazione di combustibili a base di paraffina può essere facilmente effettuata mediante colata centrifuga. Le stampanti 3D FDM (Fused Deposition Molding) non sono costose e il costo delle centrifughe è basso.
Quando si è scoperto che la superficie interna del grano combustibile sagomato aveva crepe che non possono essere ignorate, la temperatura di riscaldamento nel miscelatore di fusione è stata aumentata a 200 °C. Quindi, le caratteristiche a bassa viscosità del combustibile a base di paraffina sono state utilizzate per eseguire una riparazione versando per riempire i vuoti del grano combustibile. Dopo che il grano è stato completamente raffreddato, il foro interno è stato lucidato fino a quando il diametro non è stato coerente con quello originale.
Ci sono diversi passaggi critici nel protocollo. Nel passaggio 1.1.1.5, poiché l'area di contatto tra il substrato ABS e la tabella di stampa è piccola, la parte inferiore del substrato è facilmente deformata e può scivolare durante il processo di stampa, il che alla fine si traduce in un guasto alla stampa. Questo problema può essere notevolmente alleviato aumentando l'area di contatto della superficie inferiore. Si è scoperto che l'utilizzo del parametro Raft with Skirt funziona meglio. La densità di riempimento deve essere impostata al 100% per ridurre i vuoti di stampa nel substrato ABS e aumentare la densità di stampa. Inoltre, nel passaggio 1.1.1.8, l'impostazione della temperatura del letto riscaldato a 100 °C può impedire efficacemente la deformazione del substrato ABS.
Nel passaggio 1.1.2.2, basato sulla temperatura di deformazione termica dell'ABS e sulla temperatura minima di fusione del combustibile a base di paraffina, è stato dimostrato fattibile riscaldare il combustibile configurato a base di paraffina a una temperatura di 120 °C. È necessario evitare che il substrato ABS si deformi quando la temperatura è troppo alta. Allo stesso tempo, è necessario evitare la fusione e la miscelazione incomplete del combustibile a base di paraffina quando la temperatura è troppo bassa.
Nella fase 1.1.3, al fine di ridurre i tempi di stampaggio e di evitare il problema che il grano del combustibile sia facilmente incrinato a causa dell'eccessivo stress termico generato durante il processo di raffreddamento del processo di stampaggio a colpo unico, è necessario aumentare il numero di versamenti e un raffreddamento efficace per lo stampaggio rapido e di alta qualità del grano combustibile. In base all'effettiva qualità di stampaggio e all'esperienza di produzione, sono necessari quattro o più tempi di versamento per le dimensioni del grano combustibile in questo lavoro.
Ci sono due limitazioni a questa tecnica. Uno è che i materiali sono incompatibili. A causa dello stress termico e degli errori di colata, è probabile che il nuovo grano combustibile abbia crepe, difetti o disossamento durante il processo di colata. Tuttavia, confrontando i risultati delle prove di cottura tra il grano combustibile incrinato e il normale grano combustibile, si è constatato che la struttura caratteristica dei due tipi di grani di combustibile, illustrata nella figura 2, è rimasta sostanzialmente la stessa dopo la combustione. Nessun fenomeno evidente di combustione erosiva è stato osservato sulla superficie interna del grano combustibile. Poiché le caratteristiche di bassa viscosità del combustibile a base di paraffina lo fanno riempire spontaneamente le fessure durante il processo di combustione, questo nuovo grano combustibile non è sensibile alle crepe.
In secondo luogo, a causa delle caratteristiche della centrifuga, i combustibili a base di paraffina non vengono facilmente raffreddati nel tempo durante la formazione del grano combustibile, con conseguente delaminazione. Per evitare un impatto così grande sull'uniformità radiale del grano combustibile, aumentare il numero di versamenti può superare questa difficoltà.
Sulla base dell'ottimizzazione strutturale, viene proposto un nuovo grano combustibile con una struttura elicoiale annidata. A causa dei diversi tassi di regressione tra i due materiali, questa struttura caratteristica può esistere durante l'intero processo di combustione e fornire miglioramenti delle prestazioni. Rispetto al grano combustibile a base di paraffina, questa nuova struttura mostra un miglioramento efficace, incluso il tasso di regressione generale e l'efficienza di combustione.
La tecnica presentata può essere utilizzata per migliorare le prestazioni di combustione dei combustibili tradizionali come l'HTPB (polibutadiene a terminazione idrossile), il carburante a base di paraffina e il polibutadiene a terminazione carbossile. Crediamo che questa tecnica possa risolvere efficacemente il problema chiave del basso tasso di regressione che attualmente limita lo sviluppo del motore a razzo ibrido. Inoltre, questa tecnica mostra un grande potenziale per migliorare l'efficienza della combustione. Un'ulteriore ottimizzazione di parametri come la struttura della lama, il numero di lame e lo spessore della lama è necessaria per massimizzare le prestazioni di combustione.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Acknowledgments
Questo lavoro è stato supportato dalla National Natural Science Foundation of China (Grant n. 11802315, 11872368 e 11927803) e dalla Equipment Pre-Research Foundation del National Defense Key Laboratory (Grant n. 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 |
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