Summary
ハイブリッドロケットエンジンの燃焼性能を向上させるため、新しいネストされたらせん構造を持つ固体燃料粒子を利用した技術を紹介する。
Abstract
新しい燃料粒構造を用いてハイブリッドロケットエンジンの燃焼性能を向上させる技術を紹介する。この技術は、アクリロニトリルブタジエンスチレンとパラフィンベースの燃料の異なる回帰速度を利用し、隣接するベーン間の溝で形成された渦巻き流れと再循環ゾーンによって物質とエネルギーの両方の交換を増加させます。遠心鋳造技術は、パラフィンベースの燃料を3次元印刷で作られたアクリロニトリルブタジエンスチレン基板に投げ込むために使用されます。酸素を酸化剤として用い、新しい燃料粒の燃焼性能を調べる一連の試験を行った。パラフィン系燃料粒と比較して、燃焼過程を通じて維持できるネストされたらせん構造を有する燃料粒は、回帰速度の大幅な改善と燃焼効率の向上に大きな可能性を示した。
Introduction
ハイブリッドロケットエンジンの燃焼性能を向上させる技術が急務である。現在までに、ハイブリッドロケットエンジンの実用的なアプリケーションは、固体および液体ロケットエンジン1、2よりもはるかに少ないです。従来の燃料の低回帰速度は、ハイブリッドロケットエンジン3、4の推力性能の向上を制限します。また、その燃焼効率は、内部拡散燃焼5による他の化学エネルギーロケットのそれよりもわずかに低い、図1に示すように。マルチポート6、強化添加剤7、8、9、液化燃料10、11、12、旋回噴射13、突起14、およびブラフボディ15の使用など、様々な技術が研究・開発されているが、これらのアプローチは、体積利用、燃焼効率、機械的性能、および冗長性の問題に関連している。これまで、これらの欠点を有さない燃料粒の構造改善は、燃焼性能16,17を改善する有効な手段としてより注目を集めている。3次元(3D)印刷の出現は、複雑な従来の穀物設計または非従来型の燃料穀物18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30を迅速かつ安価に生産する能力を通じて、ハイブリッドロケットエンジンの性能を向上させる効果的な方法を持っています。しかし、燃焼過程の間、これらの燃焼性能の改善は特性構造燃焼とともに減少し、燃焼性能23の低下をもたらす。我々は、新しい設計がハイブリッドロケットエンジン31の性能向上に有用であることを実証した。この技術の詳細と代表的な結果を本稿で紹介します。
燃料粒は、アクリロニトリル-ブタジエンスチレン(ABS)とネストパラフィンベースの燃料によって作られたヘリカル基板で構成されています。遠心と3D印刷に基づいて、異なる回帰速度を持つ2つの燃料の利点を組み合わせました。燃焼後の燃料粒の特殊ならせん構造を図2に示す。ガスが燃料粒を通過すると、多数の再循環ゾーンが、図 3に示すブレード間の溝に同時に作成されます。この内面の特徴的な構造は燃焼室の乱流運動エネルギーと渦巻き数を増加させ、燃焼室内の物質とエネルギーの交換を増加させる。最終的には、新規燃料粒の回帰速度が効果的に改善される。回帰率の改善効果は十分に証明されている:特に、新規燃料粒の回帰速度は、4g/s·cm2,32の質量流束でパラフィン系燃料のそれよりも20%高いことが実証された。
ネストされたらせん構造を持つ燃料穀物の1つの利点は、製造が簡単であるということです。成形プロセスには、主にメルトミキサー、遠心分離機、3Dプリンタが必要です。3D印刷により形成されるABS基板は製造コストを大幅に削減します。もう一つの重要かつユニークな利点は、燃焼プロセス中に増強効果が消えないということです。
本論文では、新しい燃料粒構造を用いてハイブリッドロケットエンジンの燃焼性能を向上させる実験システムと手順を紹介する。さらに、この技術の実現可能性を証明する燃焼性能パラメータの3つの代表的な比較を示し、燃焼室の圧力の発振頻度、回帰速度、および特徴的な速度を特徴とする燃焼効率を含む。
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Protocol
1. 実験的なセットアップと手順
- 燃料粒の調製
注: 新しい構造の燃料粒は、 図 4に示す 2 つの部分で構成されています。新しい穀物の主要部分として、パラフィンベースの燃料は総質量の80%以上を占めています。ABS基板は、追加の燃料として使用されます。この燃料粒の製造は、3Dプリンティングと遠心鋳造を組み合わせることで実現しました。- 基板調製
- ABS基板の描画のためのオープン3Dソフトウェア。
注: パラフィンベースの燃料にらせんフレームワークとサポートを提供することを目的としたABS基板は、軸方向と壁面で時計回りに360°回転する12の統合ブレードで構成されています。 - ABS基板の3D構造を STL ファイルとして保存します。
- 3Dスライスソフトウェアを開き、ABS基板の構造をインポートします。
- [スライスの開始] をクリックし、 [ メイン テンプレート] から [印刷速度 ] を選択します。
注: プライマリ押出機 の場合 は、ABS 1.75 mmを選択します。 - [速度] をダブルクリックし、面材密度を 100% に変更し、プラットフォームの追加に対して[スカート付きいかだ]を選択します。
注:印刷品質を向上させ、歪み防止のためには、プリントベース(スカート付きラフト)の構造を使用して、プリントボディとボトムプレートの接触領域を広げる必要があります。 - [ 保存して閉じる] をクリックし、[ スライス] をクリックします。
- 3Dプリンタの電源を入れ、ABS基板スライスファイルをインポートします。
- 加熱したベッドとノズルの温度をそれぞれ100°Cと240°Cに設定します。
- [ 開始 ]をクリックして、安定化後に印刷します。
- ABS基板の描画のためのオープン3Dソフトウェア。
- パラフィン系燃料調製
- パラフィン、ポリエチレン(PE)ワックス、ステアリン酸、エチレンビニル酢酸(EVA)、および炭素粉末の原料を調製します。これらのコンポーネントの比率に応じてパラフィンベースの燃料を 0.58:0.2:0.1:0.1:0.02 として設定します。
注: 各原材料の具体的な情報が、材料表に表示されます。パラフィン系燃料の分布比は固定しておらず、実験の目的に応じて適宜調整することができる。炭素粉末を添加する目的は、放射熱伝達を遮断し、燃焼中に燃料粒子が軟化し崩壊するのを防ぐことである。 - 構成した原料をメルトミキサーに入れ、完全に溶かして完全に混ぜ合うまでかき混ぜます。
注:パラフィンベースの燃料は120°Cに加熱され、ABSブレードの変形を防ぎながら完全な溶融を保証します。
- パラフィン、ポリエチレン(PE)ワックス、ステアリン酸、エチレンビニル酢酸(EVA)、および炭素粉末の原料を調製します。これらのコンポーネントの比率に応じてパラフィンベースの燃料を 0.58:0.2:0.1:0.1:0.02 として設定します。
- 燃料穀物製造
注: 燃焼性能の改善効果を示すために、同じ組成のパラフィン系燃料粒をコントロールとして設定しました。- ABS基板を遠心分離機に入れ、エンドキャップで固定します。
- 電源を入れ、水冷ポンプスイッチをオンにします。
- 遠心分離器のリレーをオンにし、速度を1400rpmに上げます。
- メルトミキサーのバルブを開き、鋳造を開始します。
注:溶融パラフィンベースの燃料は、パイプを通して金型の最初のセクションに流れ、中央の開口部を持つ端のカバー。重力の影響下では、液体燃料は金型の軸方向に沿って広がります。効果的な冷却と組み合わせることで、元のワンタイム充填プロセスを複数回に分割する複数鋳造法が熱応力を低減するために必要とされる。 - 燃料粒を取り除き、形状を整えます。
- 燃料粒の測定と記録
- 燃料粒の重量、長さ、内径を測定し、記録します。
- 完全な燃料粒を撮影します。
- 基板調製
- ハイブリッドロケットエンジンシステムの準備
注: 図 5に示すように、ハイブリッドロケットエンジンシステムは、供給システム、点火システム、エンジン、計測制御システムの 4 つの部分から構成されています。エンジン部分には、トーチ点火器、頭部、燃焼室、燃焼後室、ノズルの5つの部分が含まれていました。ハイブリッドロケットエンジンの全長は約300mm、燃焼室内径は70mm。- ハイブリッドロケットエンジン組み立て
注:実験室スケールハイブリッドロケットの詳細と実験システムの組成は、前の論文32で見つけることができます。- スライドレールにハイブリッドロケットエンジンの燃焼室部を固定します。
- 燃料粒をロードし、燃焼後のチャンバーセクションを設置します。
- ヘッドとノズルを取り付けろ。
- ハイブリッドロケットエンジンのヘッドにトーチ点火器を取り付けます。
- スパークプラグを取り付け、電源を接続します。
- テストベンチとガスボンベの間の窒素、酸化剤、点火メタン、および点火酸素ガス供給ラインを接続します。
- 産業用コンピュータ、多機能データ取得カード、マスフローコントローラ、およびテストベンチの制御ボックスを接続します。
- テストベンチ、マスフローコントローラ、およびイグナイターの電源を入れます。
- ハイブリッドロケットエンジン組み立て
- テストシステムを確認し、実験条件を設定します。
- FlowDDEソフトウェアを開き、通信の「通信設定」をクリックします。
- 対応する接続インターフェイスをクリックし 、[OK]をクリックします。
- [ 通信を開く ] をクリックしてフロー コントローラとの通信を確立し、計測制御プログラム (MCP) を開きます。
- 多機能データ取得カードの入出力チャネルを設定し、「 実行」 をクリックしてシステム全体との通信を確立します。
- MCP の実行状態を確認し、手動制御モードに設定します。
注: MCP には、デバッグに手動制御を使用し、実験中に自動制御を使用するモードが 2 つ含まれています。LabVIEWによって作成されたMCPを 図6に示します。 - スパークプラグの動作状態を確認し、バルブテストを行います。
- テストデータ記録機能。
- 設定インターフェースを開き、バルブの開閉時間、点火時間、データ記録時間など、テスト時間を設定します。
メモ:マスフローコントローラが酸化剤の流れを設定値に調整するのに時間がかかるため、発火時間は酸化剤の供給後に2sに設定されました。 - 実験領域から安全要件と明確な人員を設定します。
- シリンダーバルブを開き、異なる質量流量条件に応じて調整バルブの出力圧力を調整します。
注:6MPaの供給圧力により、酸化剤の質量流量の範囲は7 g/sと29 g/sの間です。 - 設定インタフェースを開き、酸化剤の質量流量を設定します。
- ハイブリッドロケットエンジン点火
- カメラの電源を入れます。
- MCP を自動制御モードに設定し、トリガーを待ちます。
- MCP の [開始 ] をクリックして、実験を開始します。
- 約 1 分後に MCP の [停止 ] をクリックし、カメラの電源をオフにします。
- ガスボンベを閉じ、パイプライン内のバルブを開けて圧力を緩和します。
- テストベンチの電源を切り、燃料グレインを取り外します。
- ステップ 1.1.4 を繰り返します。
2. 燃焼性能の解析
- 圧力振動の解析
注: 保存された燃焼室の圧力データは、Pc(t) として表されます。- データ処理ソフトウェアで Pc(t) を開きます。
- ハイブリッドロケットエンジンの燃焼プロセス中の期間を選択します。
- [解析] →[信号処理] →[FFT] を選択して、圧力振動を解析します。
- デフォルト設定を使用して 、[OK]をクリックします。
- 回帰率の分析
- 次の関数に従って、燃料粒度の回帰率を計算します。
ここでΔは 、発射試験後の固体燃料粒の平均内径の変化を表します。
燃料粒の品質の変化を表します。 L は燃料粒の長さです。 ρ は固体燃料の平均密度である。 t は作業時間です。
注:新しい穀物の平均密度 ρ は次のように表されました。
ここで
、 
ネストされたパラフィンベースの燃料とABS材料の密度をそれぞれ表 
し、 
それぞれネストされたパラフィンベースの燃料とABS材料の質量分率を表す。 - 酸化フラックスの関数として回帰率を適合させる。
注: フィッティング関数は Allometric1
として選択され、反復アルゴリズムは Levenberg-Marquardt 最適化アルゴリズムとして選択されました。
- 次の関数に従って、燃料粒度の回帰率を計算します。
- 燃焼効率の解析
- 平均燃焼室圧力Pcを次の関数で計算します。
ここで、Pc(t) は、異なる時間における燃焼室圧力を表します。t1とtnは、燃焼室圧力が平均圧力の 50% を超えた初期時間と最終時間を表します。nは、t1とtnの間の圧力データポイント数を表します。 - 次の関数に従 って燃焼特性速度C⃰ 計算します。
ここで、Pcは平均燃焼室圧です。tは喉の領域です。ḿは総質量流量です。 - NASA CEA コード33でパラフィン燃料C⃰Pの理論特性速度を計算します。
- 平均燃焼室圧力Pcを次の関数で計算します。
燃料粒の品質の変化を表します。 L は燃料粒の長さです。 ρ は固体燃料の平均密度である。 t は作業時間です。
、 
ネストされたパラフィンベースの燃料とABS材料の密度をそれぞれ表 
し、 
それぞれネストされたパラフィンベースの燃料とABS材料の質量分率を表す。
として選択され、反復アルゴリズムは Levenberg-Marquardt 最適化アルゴリズムとして選択されました。
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Representative Results
図7 は、燃焼室圧及び酸化剤質量流量の変化を示す。流量調節に必要な時間を提供するために、酸化剤は燃焼室に事前に入ります。エンジンが燃焼室に圧力を加えると、酸素の質量流量は急速に低下し、比較的安定した変化を維持します。燃焼プロセス中、燃焼室内の圧力は比較的安定したままである。
燃焼室の圧力振動周波数の比較を示す画像を 図8に示す。新規燃料粒の圧力変動スペクトルには、ハイブリッド低周波、ヘルムホルツモードおよび燃焼室内の音響半波にそれぞれ関連した3つの異なるピークが含まれていた。新しい燃料粒に対応する圧力ピークの位置は、パラフィンベースの燃料と基本的に同じであり、これは新しい構造が追加の燃焼振動を導入する可能性が低いことを示している。また、その新しい構造により、支配的な低周波圧振動の振幅がわずかに増幅されたのは平滑化された曲線からも明らかにわかる。したがって、新しい燃料粒子の実際の適用前に、圧力振動の振幅を減らすために更なる構造最適化が必要である。
図9 は、新規燃料粒とパラフィン系燃料粒とのオキシダーフラックスの関数としての回帰率の比較を示す。従来のHTPB燃料と比較して、パラフィンベースの燃料の回帰率は約2倍でした。それにもかかわらず、同じ酸化剤の質量流量で、新規燃料粒の退行率はパラフィン系燃料のそれよりも高いことが実証された。また、2つの燃料の回帰速度の間のギャップも、酸化剤の流束が増加するにつれて徐々に広がりました。
特性速度に基づく燃焼効率を比較した画像を 図10に示す。新しい燃料粒は、パラフィン系穀物よりも高い(特徴的な速度)を様々な酸化剤/燃料比で示した。それに応じて、ネストされたらせん構造によって促進され、新規燃料粒子の平均燃焼効率は約2%(±0.7%)増加した。市販のABS材料の発熱量が低く、同等性比が異なったため、新しい構造によってもたらされる燃焼効率の改善は明らかではなかった。
発射試験の結果は、ネストされたらせん構造を有する燃料粒子の回帰率の性能が効果的に改善できることを実証した32.また、新しい構造は燃焼効率の向上にも大きな可能性を示している。隣接するベーンとらせん構造の間の溝の多数の再循環ゾーンは両方とも燃焼室の乱流および渦巻く数を増加させる。燃料粒と燃焼帯との間の物質とエネルギーの交換が増加し、燃焼性能が向上する。
図1:ハイブリッドロケットに関与する燃焼プロセス
ハイブリッドロケットの混合と燃焼のプロセスは、液体や固体とは異なります。ハイブリッドでは、混合と燃焼は、燃焼室と同じ長さを持つ拡散燃焼の領域で発生します。拡散燃焼モデルの性質は、混合および燃焼効率の程度の低下をもたらし、実用用途27,35において50%から99%の範囲である。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図2:新規燃料粒子の特性構造
2つの燃料間の回帰率が異なるために、このネストされたらせん構造は燃焼プロセスの間に形成され、維持される。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図3:再循環ゾーン形成。
隣接するベーン間の溝を通るガスは、再循環ゾーンが形成されます。乱れが強まり、燃焼室内の物質とエネルギーの交換が強化されました。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図4:新規燃料粒子の構造画像
(a)ABS基板の3D印刷は、外径70mm、内径30mm、長さ125mm(b)パラフィンベースの燃料とABSブレードが同じ初期内径を維持する新規燃料粒子のネストされたらせん構造。(c)形の燃料の画像。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図5:実験用セットアップ
実験室規模のハイブリッドロケットエンジンの模式図。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図6:LabVIEW計測および制御プログラムインタフェース
() セットアップインタフェース (b) 自動モードインタフェース (c) 手動モードインタフェース (d) プログラムを実行している監視インタフェースこの図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図7:燃焼室圧及び酸化剤質量流量の変化
燃焼過程では、酸化剤と燃焼室圧の質量流量は比較的安定した状態が続きます。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図8:燃焼室の圧力振動周波数の比較
低周波振動は、ハイブリッドロケットの主要燃焼振動モードです。パラフィン系燃料粒と比較すると、入れ子のらせん構造を持つ燃料粒の優勢振動の振幅はわずかに増加しています。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図9:酸化剤フラックスとの回帰率の比較
酸化剤の流束が大きくなるにつれて、回帰速度を増加させる新しい構造の効果がより顕著になる。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図10:特性速度に基づく燃焼効率の比較
(a)パラフィン系燃料粒の平均燃焼効率は77%である。(b) 新しい穀物の平均燃焼効率は79%である。使用するABS材料の燃焼発熱量が極めて低いため、燃焼効率が若干向上する。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
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Discussion
この論文で紹介する技術は、ネストされたらせん構造を持つ燃料粒を用いた新しいアプローチである。必要な設備や設備の設置に問題はありません。らせん構造は3D印刷によって容易に作り出すことができる、そしてパラフィンベースの燃料の入れ子は遠心鋳造によって容易に遂行することができる。FDM(FDM)3Dプリンタは高価ではなく、遠心分離機のコストが低い。
形状燃料粒の内面が無視できないクラックを有することが判明した場合、溶融ミキサーにおける加熱温度は200°Cに上昇した。 次に、パラフィン系燃料の低粘度特性を用いて、燃料粒の空隙を満たすために補修注を行った。粒を完全に冷却した後、直径が元の設計と一致するまで内側の穴を研磨した。
プロトコルには、いくつかの重要な手順があります。ステップ1.1.1.5では、ABS基板と印刷テーブルとの接触面積が小さいため、基板の底部が変形しやすく、印刷プロセス中に滑り込み、最終的に印刷が失敗する結果となります。この問題は底面の接触面積を大きくすることで大いに軽減できる。 スカートパラメータ付きのラフト を使用すると、最も効果的であることがわかりました。ABS基板の印刷ボイドを減らし、印刷密度を高めるには、面材密度を100%に設定する必要があります。さらに、ステップ1.1.1.8では、加熱されたベッド温度を100°Cに設定することで、ABS基板が歪むのを効果的に防止できます。
ステップ1.1.2.2では、ABSの熱変形温度とパラフィン系燃料の最低溶融温度に基づいて、構成されたパラフィンベースの燃料を120°Cの温度に加熱することが可能であることが証明された。温度が高すぎるとABS基板が変形するのを防ぐ必要があります。同時に、温度が低すぎるとパラフィン系燃料の不完全な融解や混合を避ける必要がある。
工程1.1.3では、成形時間を短縮するために、ワンショット成形工程の冷却工程で発生する過度の熱応力により燃料粒が割れやすいという問題を回避するために、燃料粒子の迅速かつ高品質な成形に対して、流水の増加および効果的な冷却が必要である。実際の成形品質と製造経験によると、この作業では燃料粒の大きさに4回以上の注ぎ込み時間が必要です。
この手法には 2 つの制限があります。一つは、材料が互換性がないことです。熱応力と鋳造誤差により、鋳造工程中に新しい燃料粒に亀裂、欠陥、脱接が発生する可能性があります。しかし、ひび割れた燃料粒と通常の燃料粒との間の焼成試験の結果を比較することにより、 図2に示されている2種類の燃料粒の特性構造は、燃焼後も基本的に同じままであることがわかった。燃料粒の内面には、エロシブ燃焼の明らかな現象は認められなかった。パラフィン系燃料の低粘度特性により燃焼工程中にひび割れを自然に満たせるため、この新しい燃料粒はひび割れに敏感ではありません。
第二に、遠心分離機の特性により、パラフィン系燃料は、燃料粒の形成中に時間内に冷却されにくく、剥離を生じる。このような燃料粒の放射状の均一性に大きな影響を与えないように、注ぎ込みの回数を増やすことでこの困難を克服できる。
構造最適化に基づいて、ネストされたらせん構造を持つ新しい燃料粒が提案されている。2つの材料間の回帰率が異なるために、この特性構造は燃焼プロセス全体にわたって存在し、性能を向上させることができます。パラフィン系燃料粒と比較して、この新しい構造は、全体的な回帰速度および燃焼効率を含む効果的な改善を示す。
この技術は、HTPB(ヒドロキシル終結ポリブタジエン)、パラフィン系燃料、カルボキシル終端ポリブタジエンなどの従来の燃料の燃焼性能を向上させるために使用できます。この技術は、現在ハイブリッドロケットエンジンの開発を制限している低回帰率の重要な問題を効果的に解決できると考えています。また、燃焼効率を向上させる可能性も大きい。さらに、ブレード構造、ブレード数、ブレード厚などのパラメータを最適化して、燃焼性能を最大限に引き出す必要があります。
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Disclosures
著者らは開示するものは何もない。
Acknowledgments
この研究は、中国国立自然科学財団(グラント11802315、11872368、11927803)と国防キー研究所の機器事前研究財団(グラント第6142701190402)によって支援されました。
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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