Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

중첩 헬리칼 구조의 새로운 연료 입자를 사용하여 하이브리드 로켓 엔진의 연소 성능 향상

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

하이브리드 로켓 엔진의 연소 성능을 향상시키기 위해 새로운 중첩 헬리칼 구조로 고체 연료 곡물을 활용하는 기술이 제시됩니다.

Abstract

새로운 연료 입자 구조를 사용하여 하이브리드 로켓 엔진의 연소 성능을 향상시키는 기술이 제시된다. 이 기술은 아크릴로니톨 부타디엔 스티렌과 파라핀 기반 연료의 다양한 회귀 율을 활용하여 인접한 베인 사이의 홈에서 형성된 소용돌이 흐름및 재순환 영역에 의해 물질과 에너지의 교환을 증가시다. 원심 주조 기술은 파라핀 기반 연료를 3차원 인쇄로 만든 아크릴로니톨 부타디엔 스티렌 기판으로 캐스팅하는 데 사용됩니다. 산소를 산화제로 사용하여, 새로운 연료 곡물의 연소 성능을 조사하기 위한 일련의 테스트를 실시했습니다. 파라핀 계 연료 곡물과 비교하여, 연소 공정 전반에 걸쳐 유지될 수 있는 중첩 된 헬리칼 구조를 가진 연료 곡물은 회귀 속도의 상당한 개선과 연소 효율 개선의 큰 잠재력을 보였다.

Introduction

하이브리드 로켓 엔진의 연소 성능을 향상시키는 기술이 시급히 필요합니다. 현재까지 하이브리드 로켓 엔진의 실용적인 응용 분야는 여전히 고체 및 액체 로켓 엔진1,2보다훨씬 적습니다. 기존 연료의 낮은 회귀 속도는 하이브리드 로켓 엔진3,4에대한 추력 성능의 향상을 제한한다. 또한, 그 연소 효율은 도 1에도시된 바와 같이 내부 확산 연소5로인한 다른 화학 에너지 로켓의 연소 효율보다 약간 낮다. 다중항6의사용, 첨가제7,8,9,액화 연료10,11,12,소용돌이 주입13,돌출14,및 절벽몸(15)의사용과 같은 다양한 기술을 연구 및 개발했지만, 이러한 접근 방식은 부피 활용, 연소 효율, 기계적 성능 및 적색품질 의 문제와 관련이 있다. 지금까지 이러한 단점이 없는 연료 곡물의 구조적 개선은 연소 성능향상(16,17)을개선하는 효과적인 수단으로 더욱 주목받고 있다. 3차원(3D) 프린팅의 출현은 복잡한 종래의 곡물 설계 또는 비전통적인 연료 곡물18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30을신속하고 저렴하게 생산할 수 있는 능력을 통해 하이브리드 로켓 엔진의 성능을 향상시키는 효과적인 방법을 가지고있다. 그러나, 연소 과정에서, 연소 성능의 이러한 개선은 특성 구조 연소와 함께 감소, 연소 성능(23)의감소의 결과. 하이브리드 로켓엔진(31)의성능 향상에 새로운 디자인이 유용하다는 것을 입증했습니다. 이 기술 및 대표 결과에 대한 세부 사항은 이 백서에 나와 있습니다.

연료 곡물은 아크릴로니톨-부타디엔 스티렌(ABS)과 중첩 파라핀 기반 연료로 만든 헬리칼 기판으로 구성됩니다. 원심 및 3D 프린팅을 기반으로 회귀 율이 다른 두 연료의 장점이 결합되었습니다. 연소 후 연료 곡물의 특수 헬리칼 구조는 도 2에 도시된다. 가스가 연료 곡물을 통과할 때, 수많은 재순환 구역은 그림 3에표시된 블레이드 사이의 홈에서 동시에 생성됩니다. 내부 표면에 이러한 특성 구조는 연소실에서 난기류 운동 에너지와 소용돌이 수를 증가시키고, 이는 연소실에서 물질과 에너지의 교환을 증가시킨다. 궁극적으로, 새로운 연료 곡물의 회귀 속도가 효과적으로 향상됩니다. 회귀율을 개선하는 효과는 잘 입증되었다: 특히, 새로운 연료 곡물의 회귀 속도는 4 g/s/cm2,32의질량 플럭스에서 파라핀 기반 연료의 20% 보다 높은 것으로 나타났다.

중첩 된 헬릭 구조를 가진 연료 곡물의 한 가지 장점은 제조가 간단하다는 것입니다. 성형 공정은 주로 용융 믹서, 원심분리기 및 3D 프린터가 필요합니다. 3D 프린팅에 의해 형성된 ABS 기판은 제조 비용을 크게 절감합니다. 또 다른 중요하고 독특한 장점은 연소 과정에서 개선 효과가 사라지지 않는다는 것입니다.

이 백서는 새로운 연료 입자 구조를 사용하여 하이브리드 로켓 엔진의 연소 성능을 향상시키기 위한 실험 시스템과 절차를 제시합니다. 또한, 이 백서는 연소실 압력의 진동 주파수, 회귀 속도 및 특성 속도특징연소 효율을 포함하여 기술의 타당성을 증명하기 위해 연소 성능 파라미터의 3가지 대표적인 비교를 제시합니다.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. 실험적인 설정 및 절차

  1. 연료 곡물의 준비
    참고 : 새로운 구조를 가진 연료 곡물은 그림 4에표시되는 두 부분으로 구성됩니다. 새로운 곡물의 주요 부분으로, 파라핀 기반 연료는 전체 질량의 80 % 이상을 차지합니다. ABS 기판은 추가 연료로 사용됩니다. 이 연료 곡물의 준비는 3D 프린팅과 원심 주조를 결합하여 실현되었습니다.
    1. 기판 준비
      1. ABS 기판 도면용 3D 소프트웨어를 엽니다.
        참고: 파라핀 기반 연료에 대한 헬릭 프레임워크와 지원을 제공하기 위한 ABS 기판은 축 방향과 벽에서 시계 방향으로 360° 회전하는 12개의 통합 블레이드로 구성됩니다.
      2. ABS 기판의 3D 구조를 STL 파일로 저장합니다.
      3. 3D 슬라이싱 소프트웨어를 열고 ABS 기판 구조를 가져옵니다.
      4. 슬라이싱 시작을클릭하고 메인 템플릿에서 속도 인쇄 모드를 선택합니다.
        참고: 기본 압출기의 경우 ABS 1.75mm를선택합니다.
      5. 더블 클릭 속도,채우기 밀도를 100 %로 변경하고 플랫폼 추가를위해 스커트와 뗏목을 선택합니다.
        참고: 인쇄 품질을 개선하고 뒤틀지 않도록 인쇄 본체와 하단 플레이트 사이의 접촉 영역을 높이기 위해 인쇄베이스(스커트와 뗏목)의구조를 사용해야 합니다.
      6. 저장 및 닫기를클릭한 다음 슬라이스를클릭합니다.
      7. 3D 프린터를 켜고 ABS 기판 슬라이스 파일을 가져옵니다.
      8. 가열 된 침대와 노즐의 온도를 각각 100 및 240 °C로 설정합니다.
      9. 안정화 후 인쇄를 시작합니다.
    2. 파라핀 기반 연료 준비
      1. 파라핀, 폴리에틸렌(PE) 왁스, 스티레산, 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA), 카본 파우더의 원료를 준비한다. 이러한 부품의 비율에 따라 파라핀 기반 연료를 0.58:0.2:0.1:0.1:0.02로 구성한다.
        참고: 각 원료의 특정 정보가 재료 표에 표시됩니다. 파라핀 기반 연료의 분포 비는 고정되지 않으며 실험의 목적에 따라 적절하게 조정할 수 있습니다. 탄소 분말을 추가하는 목적은 복사 열 전달을 차단하고 연소 중에 연료 곡물이 연화및 붕괴되는 것을 방지하는 것입니다.
      2. 구성된 원료를 용융 믹서에 넣고 완전히 녹여 서 완전히 섞일 때까지 저어줍니다.
        참고: 파라핀 기반 연료는 ABS 블레이드의 변형을 방지하면서 완전한 용융을 보장하기 위해 120°C로 가열됩니다.
    3. 연료 곡물 제조
      참고: 연소 성능을 개선하는 효과를 더 잘 보여주기 위해 동일한 조성물을 가진 파라핀 기반 연료 곡물을 제어로 설정하였다.
      1. ABS 기판을 원심분리기에 넣고 엔드 캡으로 고정합니다.
      2. 전원을 연결하고 물 냉각 펌프 스위치를 켭니다.
      3. 원심분리기 릴레이를 켜고 속도를 1400rpm으로 늘립니다.
      4. 용융 믹서에 밸브를 열고 주조를 시작합니다.
        참고: 용융 파라핀 기반 연료는 파이프와 중앙 개구부가 있는 끝 덮개를 통해 금형의 초기 섹션으로 흐릅니다. 중력의 영향으로 액체 연료는 금형의 축 방향을 따라 확산됩니다. 효과적인 냉각과 결합하여 원래 일회성 충전 공정을 여러 번 분할하는 다중 주조 방법이 열 응력을 줄이는 데 필요합니다.
      5. 연료 곡물을 제거하고 모양을 다듬습니다.
    4. 연료 곡물 측정 및 기록
      1. 연료 곡물의 무게, 길이 및 내경을 측정하고 기록합니다.
      2. 전체 연료 곡물을 촬영합니다.
  2. 하이브리드 로켓 엔진 시스템 준비
    참고: 그림 5에도시된 바와 같이 하이브리드 로켓 엔진 시스템은 공급 시스템, 점화 시스템, 엔진 및 측정 및 제어 시스템의 네 부분으로 구성되었습니다. 엔진 부품에는 토치 점화기, 헤드, 연소실, 연소 후 챔버 및 노즐의 다섯 부분이 포함되어 있습니다. 하이브리드 로켓 엔진의 총 길이는 약 300mm이며 연소실의 내경은 70mm입니다.
    1. 하이브리드 로켓 엔진 어셈블리
      참고: 실험실 규모 하이브리드 로켓의 철저한 세부 사항과 실험 시스템의 조성물은 이전제32에서찾을 수 있다.
      1. 슬라이드 레일에서 하이브리드 로켓 엔진의 연소 챔버 섹션을 수정합니다.
      2. 연료 곡물을 적재하고 연소 후 챔버 섹션을 설치합니다.
      3. 머리와 노즐을 설치합니다.
      4. 하이브리드 로켓 엔진의 머리에 토치 점화기 설치합니다.
      5. 스파크 플러그를 설치하고 전원 공급 장치를 연결합니다.
    2. 테스트 벤치와 가스 실린더 사이에 질소, 산화제, 점화 메탄 및 점화 산소 가스 공급 라인을 연결합니다.
    3. 산업용 컴퓨터, 다기능 데이터 수집 카드, 질량 흐름 컨트롤러 및 테스트 벤치의 제어 상자를 연결합니다.
    4. 테스트 벤치, 질량 흐름 컨트롤러 및 점화기의 전원을 공급합니다.
  3. 테스트 시스템을 확인하고 실험 조건을 설정합니다.
    1. FlowDDE 소프트웨어를 열고 통신에서 통신 설정을 클릭합니다.
    2. 해당 연결 인터페이스를 클릭하고 확인을 클릭합니다.
    3. 개방형 통신을 클릭하여 유량 컨트롤러와의 통신을 설정하고 측정 및 제어 프로그램(MCP)을 엽니다.
    4. 다기능 데이터 수집 카드의 I/O 채널을 설정하고 Run을 클릭하여 전체 시스템과의 통신을 설정합니다.
    5. MCP 실행 상태를 확인하고 수동 제어 모드로 설정합니다.
      참고: MCP에는 디버깅에 수동 제어가 사용되고 실험 중에 자동 제어가 사용되는 두 가지 모드가 포함되어 있습니다. LabVIEW에서 작성한 MCP는 그림 6에표시됩니다.
    6. 스파크 플러그의 작동 상태를 확인하고 밸브 테스트를 수행합니다.
    7. 테스트 데이터 기록 함수.
    8. 밸브 개폐 시간, 점화 시간 및 데이터 기록 지속 시간을 포함하여 설정 인터페이스를 열고 테스트 시간을 설정합니다.
      참고: 질량 유량 제어기가 산화제 흐름을 설정된 값으로 조절하는 데 약간의 시간이 걸리므로 산화제 공급 후 점화 시간이 2로 설정되었습니다.
    9. 실험 영역에서 안전 요구 사항과 명확한 인력을 설정합니다.
    10. 실린더 밸브를 열고 다양한 질량 유량 조건에 따라 조절 밸브의 출력 압력을 조정합니다.
      참고: 6MPa의 공급 압력으로 산화제의 질량 유량 범위는 7 g/s와 29 g/s 사이입니다.
    11. 설정 인터페이스를 열고 산화기 질량 유량을 설정합니다.
  4. 하이브리드 로켓 엔진 점화
    1. 카메라를 켭니다.
    2. MCP를 자동 제어 모드로 설정하고 트리거를 기다립니다.
    3. MCP에서 시작을 클릭하여 실험을 시작합니다.
    4. 약 1분 후 MCP를 클릭하고 카메라를 끕니다.
    5. 가스 실린더를 닫고 파이프 라인의 밸브를 열어 압력을 완화합니다.
    6. 테스트 벤치에서 전원을 끄고 연료 곡물을 제거합니다.
    7. 1.1.4 단계를 반복합니다.

2. 연소 성능 분석

  1. 압력 진동 분석
    참고: 저장된 연소 챔버 압력 데이터는 Pc(t)로 표시됩니다.
    1. 데이터처리 소프트웨어와 함께 P c(t)를 엽니다.
    2. 하이브리드 로켓 엔진의 연소 과정에서 기간을 선택합니다.
    3. 압력 진동을 분석하려면 분석 및 gt; 신호 처리 및 FFT를 선택합니다.
    4. 기본 설정을 사용하고 확인을 클릭합니다.
  2. 회귀율 분석
    1. 다음 함수에 따라 연료 곡물의 회귀 속도를 계산합니다.
      Equation 1
      여기서 ΔD는 발사 테스트 후 고체 연료 입자의 평균 내지름의 변화를 나타낸다; Equation 5 연료 곡물의 품질 변화를 나타냅니다. L은 연료 곡물의 길이입니다; 고체 연료의 평균 밀도; t는 근무 시간입니다.
      참고 : 새로운 곡물의 평균 밀도 θ는 다음과 같이 표현되었다 :
      Equation 2
      Equation 6 Equation 7 중첩 파라핀 계 연료 및 ABS 재료의 밀도를 각각 나타내는 Equation 8 위치; Equation 9 중첩 파라핀 계 연료 및 ABS 재료의 질량 분획을 각각 나타낸다.
    2. 회귀 속도를 산화화 플럭스의 함수로 맞춥시게 한다.
      참고: 피팅 함수를 Allometric1로 Equation 10 선택되었으며 반복 알고리즘은 Levenberg-Marquardt 최적화 알고리즘으로 선택되었습니다.
  3. 연소 효율 분석
    1. 다음 함수에 의해 평균 연소 챔버 압력 Pc를 계산합니다.
      Equation 3
      여기서 Pc(t)는다른 시간에 연소 챔버 압력을 나타냅니다; t1 및 tn은 연소실 압력이 각각 평균 압력의 50% 이상을 초과한 초기 및 최종 시간을 나타냅니다. n은 t1과 t n사이의 압력 데이터 포인트 수를 나타냅니다.
    2. 다음 함수에 따라 연소 특성 속도 C의 계산:
      Equation 4
      Pc는 평균 연소 챔버 압력; t는 목구멍 영역입니다. ḿ 총 질량 유량입니다.
    3. NASA CEA 코드(33)에의해 파라핀 연료 C의 이론적 특성 속도를 계산합니다.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

도 7은 연소챔버 압력 및 산화제 질량 유량의 변화를 나타낸다. 흐름 조절에 필요한 시간을 제공하기 위해 산화제는 연소실에 미리 들어갑니다. 엔진이 연소실에서 압력을 가하면 산소 질량 유량이 급격히 떨어지고 상대적으로 안정적인 변화를 유지합니다. 연소 과정에서 연소실의 압력은 비교적 안정적입니다.

연소 챔버 압력 진동 주파수의 비교를 보여주는 이미지는 도 8에제시된다. 새로운 연료 곡물의 압력 변동 스펙트럼에는 하이브리드 저주파, 헬름홀츠 모드 및 연소 챔버의 음향 하프 웨이브와 연관된 세 개의 뚜렷한 피크가 각각34개였다. 새로운 연료 곡물에 대응하는 압력 피크의 위치는 기본적으로 파라핀 기반 연료의 위치와 동일했으며, 이는 새로운 구조가 추가 연소 진동을 도입할 가능성이 높지 않다는 것을 나타냅니다. 더욱이, 지배적인 저주파 압력 진동의 진폭이 새로운 구조에 의해 약간 증폭되었다는 것을 매끄러운 곡선으로부터 명확하게 볼 수 있다. 따라서, 새로운 연료 입자의 실제 적용 전에, 압력 진동의 진폭을 줄이기 위해 추가 구조적 최적화가 필요합니다.

도 9는 새로운 연료 곡물과 파라핀 계 연료 곡물 사이의 산화자 플럭스의 함수로서 회귀 속도를 비교하는 것을 나타낸다. 기존의 HTPB 연료와 비교하여 파라핀 기반 연료의 회귀 율은 약 두 배로 증가했습니다. 그럼에도 불구하고, 동일한 산화제 질량 유량에서, 새로운 연료 곡물의 회귀 속도는 파라핀 계 연료의 회귀 속도가 보다 높은 것으로 입증되었다. 그리고 산화제 플럭스가 증가함에 따라 두 연료의 회귀 율 사이의 격차도 점차 확대되었습니다.

특징적인 속도에 기초한 연소 효율을 비교하는 이미지가 도 10에제시된다. 이 새로운 연료 곡물은 다양한 산화제/연료 비에서 파라핀 기반 곡물보다 더 높은(특성 속도)을 나타냈다. 이에 따라 중첩된 헬리칼 구조에 의해 촉진되고, 신규 연료 곡물의 평균 연소 효율이 약 2%(±0.7%) 증가하였다. 상업용 ABS 재료의 낮은 열량 값과 상이한 동등성 비율로 인해 새로운 구조에 의해 가져온 연소 효율의 개선은 분명하지 않았습니다.

발사 테스트 결과는 중첩 된 헬릭 구조를 가진 연료 곡물에 대한 회귀 속도의 성능이 효과적으로 향상 될 수 있음을 보여 주었다32. 또한, 새로운 구조는 또한 연소 효율의 개선에 큰 잠재력을 보여줍니다. 인접한 베인과 헬리칼 구조 사이의 홈의 수많은 재순환 영역은 연소실에서 난기류와 소용돌이 수를 증가시킵니다. 연료 곡물과 연소 구역 간의 물질과 에너지의 교환이 증가하여 연소 성능을 향상시시다.

Figure 1
그림 1: 하이브리드 로켓에 관련된 연소 과정.
하이브리드 로켓의 혼합 및 연소 공정은 액체 또는 고체와 다릅니다. 하이브리드에서, 혼합 및 연소는 연소 챔버와 동일한 길이를 가지는 확산 연소 영역에서 발생합니다. 확산 연소 모델의 특성상 실제 응용 분야27,35에서50%에서 99%로 범위의 혼합 및 연소 효율의 정도를 감소시다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 2
그림 2: 새로운 연료 곡물의 특성 구조.
두 연료 사이의 다른 회귀 속도 때문에,이 중첩 헬리칼 구조는 형성되고 연소 과정에서 유지됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 3
그림 3: 재순환 영역이 형성되었습니다.
가스가 인접한 베인 사이의 홈을 통과하면 재순환 구역이 형성됩니다. 교란이 심화되고 연소실에서 물질과 에너지의 교환이 강화되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 4
그림 4: 새로운 연료 곡물의 구조적 이미지.
(a)외부 직경 70mm, 내지30mm, 길이 125mm의 ABS 기판3D 프린팅(paraffin 기반 연료 및 ABS 블레이드)이 동일한 초기 내경을 유지한다. (c)모양의 연료의 이미지. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 5
그림 5: 실험 용 설정.
실험실 규모의 하이브리드 로켓 엔진의 회로도. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 6
그림 6: LabVIEW 측정 및 제어 프로그램 인터페이스.
(a)설정 인터페이스(b)자동 모드 인터페이스(c)수동 모드 인터페이스(d)프로그램 실행 모니터링 인터페이스. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 7
그림 7: 연소 챔버 압력 및 산화제 질량 유량의 변화.
연소 과정에서 산화제 및 연소실 압력의 질량 유량은 상대적으로 안정적입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 8
그림 8: 연소 챔버 압력 진동 주파수의 비교.
저주파 진동은 하이브리드 로켓의 지배적인 연소 진동 모드입니다. 파라핀 기반 연료 곡물과 비교하여 중첩 된 헬리칼 구조를 가진 연료 곡물에 대한 지배적 인 진동의 진폭이 약간 증가했습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 9
그림 9: 회귀 속도의 비교와 산화제 플럭스.
산화제의 플럭스가 증가함에 따라 회귀율을 높이는 새로운 구조의 효과가 더욱 중요해집니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 10
그림 10: 특성 속도에 따른 연소 효율 비교.
(a)파라핀 계 연료 곡물의 평균 연소 효율은 77%이다. (b)새로운 곡물의 평균 연소 효율은 79%입니다. 사용되는 ABS 재료의 연소 열량값이 매우 낮기 때문에 연소 효율이 약간 향상됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

이 논문에 제시된 기술은 중첩 된 헬리칼 구조를 가진 연료 곡물을 사용하는 새로운 접근 방식입니다. 필요한 장비와 시설을 설치하는 데 어려움이 없습니다. 이 망막 구조는 3D 프린팅에 의해 용이하게 생성될 수 있으며, 파라핀 기반 연료의 중첩은 원심 주조에 의해 용이하게 수행될 수 있다. 융합 된 증착 성형 (FDM) 3D 프린터는 비싸지 않으며 원심 분리기의 비용이 낮습니다.

형성된 연료 곡물의 내부 표면이 무시할 수 없는 균열이 있는 것으로 나타났을 때, 용융 믹서의 가열 온도는 200°C로 증가하였다. 이어서, 파라핀 계 연료의 저점도 특성이 연료 곡물의 공극을 채우기 위해 붓는 수리를 수행하는 데 사용하였다. 곡물이 완전히 냉각된 후, 직경이 원래 디자인과 일치할 때까지 내부 구멍을 연마했습니다.

프로토콜에는 몇 가지 중요한 단계가 있습니다. 1.1.5 단계에서ABS 기판과 인쇄테이블 사이의 접촉 영역이 작기 때문에 기판의 바닥이 쉽게 변형되어 인쇄 과정에서 미끄러질 수 있어 궁극적으로 인쇄 실패를 초래한다. 이 문제는 바닥 면의 접촉 영역을 증가시켜 크게 완화 될 수있다. 그것은 스커트 매개 변수와 뗏목을 사용하는 것이 가장 잘 작동하는 것으로 나타났습니다. 충진 밀도는 ABS 기판의 인쇄 공극을 줄이고 인쇄 밀도를 높이기 위해 100%로 설정되어야 합니다. 또한, 1.1.1.8 단계에서, 가열된 침대 온도를 100°C로 설정하면 ABS 기판이 왜곡되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.

1.1.2.2 단계에서, ABS의 열 변형 온도와 파라핀 기반 연료의 최소 용융 온도를 기준으로, 구성된 파라핀 기반 연료를 120°C의 온도로 가열하는 것이 가능했다. 온도가 너무 높을 때 ABS 기판이 변형되는 것을 방지할 필요가 있습니다. 동시에 온도가 너무 낮을 때 파라핀 기반 연료의 불완전한 용융 및 혼합을 피할 필요가 있습니다.

1.1.3 단계에서성형 시간을 단축하고, 원샷 성형 공정의 냉각 과정에서 발생하는 과도한 열응력으로 연료 곡물이 쉽게 금이 가는 문제점을 피하기 위해, 연료 곡물의 신속하고 고품질 성형에 붓는 횟수를 증가시키고 효과적인 냉각이 필요하다. 실제 성형 품질 및 제조 경험에 따르면,이 작업에서 연료 곡물의 크기에 대해 4 개 이상의 붓는 시간이 필요합니다.

이 기술에는 두 가지 제한이 있습니다. 하나는 재료가 호환되지 않는다는 것입니다. 열 응력 및 주조 오류로 인해 새로운 연료 곡물은 주조 과정에서 균열, 결함 또는 탈결합이 있을 수 있습니다. 그러나, 금이 간 연료 곡물과 정상 연료 곡물 사이의 발사 테스트의 결과를 비교하여, 도 2에도시된 두 가지 유형의 연료 곡물의 특성 구조가 연소 후 기본적으로 동일하게 유지되는 것으로 나타났다. 연료 곡물의 내부 표면에서 침식 연소의 명백한 현상이 관찰되지 않았다. 파라핀 기반 연료의 낮은 점도 특성으로 연소 과정에서 자발적으로 균열을 채우기 때문에 이 새로운 연료 곡물은 균열에 민감하지 않습니다.

둘째, 원심분리기의 특성으로 인해 파라핀 기반 연료는 연료 곡물 형성 시 제 시간에 쉽게 냉각되지 않아 파라핀 기반 연료가 쉽게 냉각되지 않아 침전이 발생합니다. 연료 곡물의 방사형 균일성에 큰 영향을 미치지 않으려면 붓는 횟수를 늘리면 이러한 어려움을 극복할 수 있습니다.

구조적 최적화를 기반으로 중첩 된 발등 구조를 가진 새로운 연료 곡물이 제안됩니다. 두 재료 간의 회귀 속도가 다르기 때문에 이러한 특성 구조는 전체 연소 공정 전반에 걸쳐 존재할 수 있으며 성능 향상을 제공할 수 있습니다. 파라핀 기반 연료 곡물과 비교하여 이 새로운 구조는 전반적인 회귀 속도와 연소 효율을 포함하여 효과적인 개선을 보여줍니다.

제시된 기술은 HTPB(하이드록실 종단 폴리부타디엔), 파라핀 기반 연료 및 카복실 종단 폴리부타디엔과 같은 전통적인 연료의 연소 성능을 향상시키는 데 사용될 수 있다. 우리는이 기술이 하이브리드 로켓 엔진의 개발을 현재 제한하는 낮은 회귀 속도의 주요 문제를 효과적으로 해결할 수 있다고 믿습니다. 또한 이 기술은 연소 효율을 향상시킬 수 있는 큰 잠재력을 보여줍니다. 블레이드 구조, 블레이드 수 및 블레이드 두께와 같은 파라미터의 추가 최적화가 필요하며 연소 성능을 극대화하기 위해 필요합니다.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

저자는 공개 할 것이 없습니다.

Acknowledgments

이 작품은 중국 국립자연과학재단(그랜트 Nos. 11802315, 11872368, 11927803) 및 국방핵심연구소 장비 사전연구재단(6142701190402)이 지원했다.

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

  1. Boiron, A. J., Cantwell, B. 49th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. , (2013).
  2. Mazzetti, A., Merotto, L., Pinarello, G. Paraffin-based hybrid rocket engines applications: A review and a market perspective. Acta Astronautica. 126, 286-297 (2016).
  3. 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).
  4. Jens, E. T., Narsai, P., Cantwell, B., Hubbard, G. S. 50th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. , (2014).
  5. Kuo, K. K., Chiaverini, M. J. Fundamentals of Hybrid Rocket Combustion and Propulsion. , (2007).
  6. Boardman, T., et al. 33rd Joint Propulsion Conference and Exhibit. , (1997).
  7. 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).
  8. 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).
  9. Karakas, H., Kara, O., Ozkol, I., Karabeyoglu, A. M. AIAA Propulsion and Energy 2019 Forum. , (2019).
  10. 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).
  11. Leccese, G., Cavallini, E., Pizzarelli, M. AIAA Propulsion and Energy 2019 Forum. , (2019).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Kumar, R., Ramakrishna, P. A. Effect of protrusion on the enhancement of regression rate. Aerospace Science and Technology. 39, 169-178 (2014).
  15. 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).
  16. Degges, M. J., et al. 49th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. , (2013).
  17. Connell, T., Young, G., Beckett, K., Gonzalez, D. R. AIAA Scitech 2019 Forum. , (2019).
  18. Whitmore, S., Peterson, Z., Eilers, S. 47th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. , (2011).
  19. Whitmore, S. A., Armstrong, I. W., Heiner, M. C., Martinez, C. J. 2018 Joint Propulsion Conference. , (2018).
  20. 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).
  21. Whitmore, S. A., Sobbi, M., Walker, S. 50th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. , (2014).
  22. 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).
  23. Creech, M., et al. 53rd AIAA Aerospace Sciences Meeting. , (2015).
  24. Lyne, J. E., et al. 2018 Joint Propulsion Conference. , (2018).
  25. Elliott, T. S., et al. 52nd AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. , (2016).
  26. Armold, D., et al. 49th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. , (2013).
  27. Armold, D. M., et al. 50th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. , (2014).
  28. Fuller, J., Ehrlich, D., Lu, P., Jansen, R., Hoffman, J. 47th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. , (2011).
  29. 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).
  30. 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).
  31. Hitt, M. A. 2018 Joint Propulsion Conference. , (2018).
  32. 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).
  33. McBride, J. B., Gordon, S. Computer Program for Calculation of Complex Chemical Equilibrium Compositions and APPlications. , (1996).
  34. De Zilwa, S., Zilliac, G., Karabeyoglu, A., Reinath, M. 39th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit. , (2003).
  35. 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).

Tags

엔지니어링 문제 167 하이브리드 로켓 파라핀 기반 연료 아크릴로나이트 부타디엔 스티렌 3D 프린팅 연소 성능 중첩 헬리칼 구조
중첩 헬리칼 구조의 새로운 연료 입자를 사용하여 하이브리드 로켓 엔진의 연소 성능 향상
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

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

Waiting X
Simple Hit Counter