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Engineering

Melhorando o desempenho de combustão de um motor de foguete híbrido usando um novo grão de combustível com uma estrutura helicoidal aninhada

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

Uma técnica utilizando um grão de combustível sólido com uma nova estrutura helicoidal aninhada para melhorar o desempenho de combustão de um motor de foguete híbrido é apresentada.

Abstract

Uma técnica para melhorar o desempenho de combustão de um motor de foguete híbrido usando uma nova estrutura de grãos de combustível é apresentada. Esta técnica utiliza as diferentes taxas de regressão de estireno butadieno acrilonitrilo e combustíveis à base de parafina, que aumentam as trocas de matéria e energia por fluxo de redemoinho e zonas de recirculação formadas nas ranhuras entre as palhetas adjacentes. A técnica de fundição centrífuga é usada para lançar o combustível à base de parafina em um substrato de estireno de acrilonitrilo butadieno feito por impressão tridimensional. Usando oxigênio como oxidante, uma série de testes foram realizados para investigar o desempenho de combustão do novo grão combustível. Em comparação com os grãos de combustível à base de parafina, o grão de combustível com estrutura helicoidal aninhada, que pode ser mantida durante todo o processo de combustão, apresentou melhora significativa na taxa de regressão e grande potencial de melhoria da eficiência da combustão.

Introduction

Uma técnica para melhorar o desempenho de combustão de um motor de foguete híbrido é urgentemente necessária. Até o momento, as aplicações práticas de motores híbridos de foguetes ainda são muito inferiores às dos motores de foguetes sólidos e líquidos1,2. A baixa taxa de regressão dos combustíveis tradicionais limita a melhoria do desempenho do impulso para o motor de foguete híbrido3,4. Além disso, sua eficiência de combustão é ligeiramente menor do que a de outros foguetes de energia química devido à combustão de difusão interna5,como mostrado na Figura 1. Embora várias técnicas tenham sido estudadas e desenvolvidas, como o uso de multi-portas6, aditivos de aprimoramento7,8,9, liquefazer combustível10,11,12, injeção de redemoinho13, saliências14, e corpo blefe15, essas abordagens estão associadas a problemas na utilização do volume, eficiência de combustão, desempenho mecânico e qualidade de redundância. Até agora, a melhoria estrutural do grão combustível, que não apresenta essas deficiências, tem atraído mais atenção como meio efetivo de melhorar o desempenho da combustão16,17. O advento da impressão tridimensional (3D) trouxe uma maneira eficaz de aumentar o desempenho dos motores de foguetes híbridos através da capacidade de produzir de forma rápida e barata tanto projetos de grãos convencionais complexos quanto grãos de combustível não convencionais18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30. No entanto, durante o processo de combustão, essas melhorias no desempenho da combustão diminuem com a queima da estrutura característica, resultando em uma diminuição no desempenho de combustão23. Demonstramos que um novo design é útil para melhorar o desempenho dos motores híbridos de foguetes31. O detalhe para esta técnica e os resultados representativos são apresentados neste artigo.

O grão de combustível consiste em um substrato helicoidal feito por acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS) e um combustível aninhado à base de parafina. Com base na impressão centrífuga e 3D, foram combinadas as vantagens dos dois combustíveis com diferentes taxas de regressão. A estrutura helicoidal especial do grão de combustível após a combustão é mostrada na Figura 2. Quando o gás passa pelo grão de combustível, inúmeras zonas de recirculação são criadas simultaneamente em ranhuras entre as lâminas, o que é mostrado na Figura 3. Essa estrutura característica na superfície interna aumenta a turbulência da energia cinética e do número de redemoinhos na câmara de combustão, que aumentam as trocas de matéria e energia na câmara de combustão. Em última análise, a taxa de regressão do novo grão de combustível é efetivamente melhorada. O efeito da melhoria da taxa de regressão tem sido bem comprovado: em particular, a taxa de regressão do novo grão combustível foi demonstrada como 20% maior do que a do combustível à base de parafina no fluxo de massa de 4 g/s·cm2,32.

Uma vantagem do grão de combustível com uma estrutura helicoidal aninhada é que é simples de fabricar. O processo de moldagem requer principalmente uma batedeira de derretimento, uma centrífuga e uma impressora 3D. O substrato ABS formado pela impressão 3D reduz consideravelmente o custo de fabricação. Outra vantagem significativa e única é que o efeito de aprimoramento não desaparece durante o processo de combustão.

Este artigo apresenta o sistema experimental e o procedimento para melhorar o desempenho de combustão de um motor de foguete híbrido usando a nova estrutura de grãos de combustível. Além disso, este artigo apresenta três comparações representativas dos parâmetros de desempenho de combustão para comprovar a viabilidade da técnica, incluindo a frequência de oscilação da pressão da câmara de combustão, taxa de regressão e eficiência de combustão caracterizada pela velocidade característica.

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Protocol

1. Configuração e procedimentos experimentais

  1. Preparação de grãos de combustível
    NOTA: O grão de combustível com nova estrutura consistiu em duas partes, que são mostradas na Figura 4. Como parte principal do novo grão, o combustível à base de parafina é responsável por mais de 80% da massa total. O substrato ABS é usado como combustível adicional. A preparação deste grão de combustível foi realizada combinando impressão 3D e fundição centrífuga.
    1. Preparação de substrato
      1. Abra o software 3D para desenho de substrato ABS.
        NOTA: O substrato ABS, que pretendia fornecer a estrutura helicoidal e suporte para o combustível à base de parafina, é composto por doze lâminas integradas que giram 360° no sentido horário na direção axial e na parede.
      2. Salve a estrutura 3D do substrato ABS como um arquivo STL.
      3. Abra o software de fatiamento 3D e importe a estrutura do substrato ABS.
      4. Clique em Iniciar fatiamentoe selecione Modo de impressão velocidade do modelo principal.
        NOTA: Para a Extrusora Primária escolha ABS 1,75 mm.
      5. Velocidadede duplo clique, altere a densidade de enchimento para 100% e selecione Jangada com Saia para a Adição da Plataforma.
        NOTA: Para melhorar a qualidade da impressão e evitar a deformagem, é necessário utilizar uma estrutura de base de impressão (Jangada com Saia) para aumentar a área de contato entre o corpo de impressão e a placa inferior.
      6. Clique em Salvar e Fechare, em seguida, clique em Fatiar.
      7. Ligue a impressora 3D e importe o arquivo de fatia de substrato ABS.
      8. Ajuste a temperatura da cama aquecida e o bocal para 100 e 240 °C, respectivamente.
      9. Clique em Iniciar para imprimir após a estabilização.
    2. Preparação de combustível à base de parafina
      1. Prepare matérias-primas de parafina, cera de polietileno (PE), ácido esteárico, acetato de etileno-vinil (EVA) e pó de carbono. Configure o combustível à base de parafina de acordo com a razão desses componentes em 0,58:0.0.0.1:0.1:0.02.
        NOTA: As informações específicas de cada matéria-prima são mostradas na tabela do material. A razão de distribuição do combustível à base de parafina não é fixa e pode ser ajustada adequadamente de acordo com o propósito do experimento. O objetivo de adicionar pó de carbono é bloquear a transferência de calor radiante e evitar que o grão de combustível amoleça e entre em colapso durante a combustão.
      2. Coloque as matérias-primas configuradas na batedeira de derretimento, derreta e mexa completamente até misturar completamente.
        NOTA: O combustível à base de parafina é aquecido a 120 °C para garantir o derretimento completo, evitando a deformação das lâminas ABS.
    3. Fabricação de grãos de combustível
      NOTA: Para demonstrar melhor o efeito da melhoria do desempenho da combustão, foram definidos grãos de combustível à base de parafina com a mesma composição como o controle.
      1. Coloque o substrato ABS na centrífuga e fixe-o com uma tampa final.
      2. Conecte a energia e ligue o interruptor da bomba de resfriamento de água.
      3. Ligue o relé centrífuga e aumente a velocidade para 1400 rpm.
      4. Abra a válvula na batedeira de derretimento e comece a fundar.
        NOTA: O combustível à base de parafina derretida flui para a seção inicial do molde através do tubo e da tampa final com uma abertura central. Sob o efeito da gravidade, o combustível líquido se espalha ao longo da direção axial do molde. Combinado com o resfriamento eficaz, um método de fundição múltipla, que é dividir o processo original de enchimento único em várias vezes, é necessário para reduzir o estresse térmico.
      5. Retire o grão de combustível e corte a forma.
    4. Medição e registro de grãos de combustível
      1. Meça e regisse o peso, o comprimento e o diâmetro interno do grão de combustível.
      2. Fotografe o grão de combustível completo.
  2. Preparação do sistema híbrido de motores de foguetes
    NOTA: Como mostrado na Figura 5,o sistema híbrido de motor de foguete consistia em quatro partes: o sistema de alimentação, o sistema de ignição, o motor e o sistema de medição e controle. A parte do motor incluiu cinco partes: o ignitodeiro, a cabeça, a câmara de combustão, a câmara pós-combustão e o bocal. O comprimento total do motor de foguete híbrido é de cerca de 300 mm, e o diâmetro interno da câmara de combustão é de 70 mm.
    1. Montagem do motor de foguete híbrido
      NOTA: Os detalhes exaustivos do foguete híbrido em escala laboratorial e a composição do sistema experimental podem ser encontrados no artigo anterior32.
      1. Fixar a seção da câmara de combustão do motor de foguete híbrido no trilho de deslizamento.
      2. Carregue o grão de combustível e instale a seção da câmara pós-combustão.
      3. Instale a cabeça e o bocal.
      4. Instale o ignitodeiro na cabeça do motor de foguete híbrido.
      5. Instale a vela de ignição e conecte a fonte de alimentação.
    2. Conecte as linhas de nitrogênio, oxidante, metano de ignição e gás de ignição entre o banco de teste e o cilindro de gás.
    3. Conecte o computador industrial, o cartão de aquisição de dados multifuncionais, o controlador de fluxo de massa e a caixa de controle do banco de teste.
    4. Potência no banco de teste, no controlador de fluxo de massa e no ignitora.
  3. Verifique o sistema de teste e defina as condições experimentais.
    1. Abra o software FlowDDE e clique em Configurações de Comunicação a partir da Comunicação.
    2. Clique na interface de conexão correspondente e clique em OK.
    3. Clique em Abrir comunicação para estabelecer comunicação com o controlador de fluxo e abrir o programa de medição e controle (PCM).
    4. Defina o canal de I/O do cartão de aquisição de dados multifunções e clique em Executar para estabelecer a comunicação com todo o sistema.
    5. Verifique o status de execução do MCP e defina o modo de controle manual.
      NOTA: O PCM inclui dois modos: o controle manual é usado para depuração e o controle automático é usado durante os experimentos. O PCM escrito pelo LabVIEW é mostrado na Figura 6.
    6. Verifique a condição de trabalho da vela de ignição e realize um teste de válvula.
    7. Teste a função de gravação de dados.
    8. Abra a interface de configuração e defina o tempo de teste, incluindo tempo de abertura e fechamento da válvula, tempo de ignição e duração do registro de dados.
      NOTA: Leva algum tempo para o controlador de fluxo de massa regular o fluxo de oxidante para o valor definido, de modo que o tempo de ignição foi definido para 2 s após o fornecimento de oxidante.
    9. Estabeleça requisitos de segurança e limpe o pessoal da área experimental.
    10. Abra a válvula do cilindro e ajuste a pressão de saída da válvula reguladora de acordo com as diferentes condições de taxa de fluxo de massa.
      NOTA: Com a pressão de alimentação de 6MPa, a faixa de fluxo de massa do oxidante está entre 7 g/s e 29 g/s.
    11. Abra a interface de configuração e defina a taxa de fluxo de massa oxidante.
  4. Ignição híbrida do motor de foguete
    1. Ligue a câmera.
    2. Defina o PCM para o modo de controle automático e aguarde o gatilho.
    3. Clique em Iniciar no MCP para iniciar o experimento.
    4. Após cerca de um minuto, clique em Parar no PCM e desligue a câmera.
    5. Feche o cilindro de gás e abra a válvula no gasoduto para aliviar a pressão.
    6. Desligo o banco de testes e remova o grão de combustível.
    7. Repita o passo 1.1.4.

2. Análise do desempenho da combustão

  1. Análise da oscilação da pressão
    NOTA: Os dados de pressão da câmara de combustão salvos são representados como Pc(t).
    1. Abra Pc(t) com o software de processamento de dados.
    2. Escolha o período de tempo durante o processo de combustão do motor de foguete híbrido.
    3. Selecione Análise > Processamento de sinal > FFT para analisar a oscilação da pressão.
    4. Use as configurações padrão e clique em OK.
  2. Análise da taxa de regressão
    1. Calcule a taxa de regressão do grão de combustível de acordo com a seguinte função:
      Equation 1
      onde ΔD representa a mudança dos diâmetros internos médios do grão de combustível sólido após o teste de disparo; Equation 5 representam a mudança de qualidade do grão combustível; L é o comprimento do grão de combustível; ρ é a densidade média do combustível sólido; t é o tempo de trabalho.
      NOTA: A densidade média ρ do grão novo foi expressa como:
      Equation 2
      onde Equation 6 representam a densidade do combustível Equation 7 aninhado à base de parafina e do material ABS, respectivamente; Equation 8 e representam a Equation 9 fração de massa do combustível aninhado à base de parafina e do material ABS, respectivamente.
    2. Encaixe a taxa de regressão em função do fluxo oxidante.
      NOTA: A função de montagem foi selecionada como Allometric1 Equation 10 , e o algoritmo iterativo foi selecionado como algoritmo de otimização Levenberg-Marquardt.
  3. Análise da eficiência da combustão
    1. Calcule a pressão média da câmara de combustão Pc pela seguinte função:
      Equation 3
      onde Pc(t) representa a pressão da câmara de combustão em diferentes momentos; t1 e tn representam os tempos iniciais e finais em que a pressão da câmara de combustão foi superior a 50% da pressão média, respectivamente; n representa o número de pontos de dados de pressão entre e t1 e tn.
    2. Calcule a velocidade característica da combustão C⃰ de acordo com a seguinte função:
      Equation 4
      onde Pc é a pressão média da câmara de combustão; Umt é a área da garganta; é a taxa total de fluxo de massa.
    3. Calcule a velocidade característica teórica do combustível de parafina C⃰P pelo códigoCEA 33da NASA .

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Representative Results

A Figura 7 mostra as mudanças na pressão da câmara de combustão e na taxa de fluxo de massa oxidante. Para fornecer o tempo necessário para a regulação do fluxo, o oxidante entra na câmara de combustão com antecedência. Quando o motor constrói pressão na câmara de combustão, a taxa de fluxo de massa de oxigênio cai rapidamente e, em seguida, mantém uma mudança relativamente constante. Durante o processo de combustão, a pressão na câmara de combustão permanece relativamente estável.

Imagens que mostram uma comparação da frequência de oscilação da pressão da câmara de combustão são apresentadas na Figura 8. O espectro de flutuação de pressão do novo grão de combustível continha três picos distintos, que estavam associados à baixa frequência híbrida, ao modo Helmholtz e à meia-onda acústica na câmara de combustão,respectivamente 34. A posição dos picos de pressão correspondentes ao novo grão de combustível eram basicamente as mesmas dos combustíveis à base de parafina, o que indica que a nova estrutura não deve introduzir oscilações adicionais de combustão. Além disso, pode ser claramente visto a partir da curva suavizada que a amplitude da oscilação dominante de baixa frequência foi ligeiramente amplificada pela nova estrutura. Portanto, antes da aplicação real do novo grão de combustível, é necessária uma otimização estrutural adicional para reduzir a amplitude das oscilações de pressão.

A Figura 9 mostra uma comparação da taxa de regressão em função do fluxo de oxidação entre novos grãos de combustível e grãos de combustível à base de parafina. Em comparação com os combustíveis tradicionais de HTPB, a taxa de regressão dos combustíveis à base de parafina foi aproximadamente dobrada. No entanto, na mesma taxa de fluxo de massa oxidante, a taxa de regressão do novo grão de combustível foi demonstrada como maior do que a do combustível à base de parafina. E a diferença entre as taxas de regressão de dois combustíveis também aumentou gradualmente à medida que o fluxo de oxidante aumentava.

Uma imagem comparando a eficiência de combustão com base na velocidade característica é apresentada na Figura 10. O novo grão de combustível exibiu uma velocidade mais alta (característica) do que os grãos à base de parafina em várias relações oxidantes/combustível. Correspondentemente, facilitada pela estrutura helicoidal aninhada, a eficiência média de combustão do novo grão combustível foi aumentada em cerca de 2% (±0,7%). Devido ao baixo valor calórico dos materiais comerciais abs e às diferentes razões de equivalência, a melhoria da eficiência de combustão trazida pela nova estrutura não foi óbvia.

Os resultados dos testes de disparo demonstraram que o desempenho da taxa de regressão do grão de combustível com estrutura helicoidal aninhada poderia ser efetivamente melhorado32. Além disso, a nova estrutura também mostra um grande potencial de melhoria da eficiência de combustão. Ambas as numerosas zonas de recirculação nas ranhuras entre as palhetas adjacentes e a estrutura helicoidal aumenta a turbulência e o número de redemoinhos na câmara de combustão. A troca de matéria e energia entre o grão combustível e a zona de combustão é aumentada, melhorando assim o desempenho da combustão.

Figure 1
Figura 1: Processo de combustão envolvido em foguete híbrido.
Os processos de mistura e combustão do foguete híbrido são diferentes de líquidos ou sólidos. Nos híbridos, a mistura e a combustão ocorrem na área de combustão difusão que tem o mesmo comprimento da câmara de combustão. A natureza do modelo de combustão de difusão leva a uma redução no grau de mixagem e eficiência de combustão, que varia de 50% a 99% nas aplicações práticas27,35. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: Estrutura característica de novos grãos de combustível.
Devido às diferentes taxas de regressão entre dois combustíveis, esta estrutura helicoidal aninhada é formada e mantida durante o processo de combustão. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3: Zona de recirculação formada.
Quando o gás passa pelas ranhuras entre as palhetas adjacentes, uma zona de recirculação é formada. A perturbação é intensificada, e as trocas de matéria e energia na câmara de combustão foram reforçadas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4: Imagens estruturais de novos grãos de combustível.
(a) Impressão 3D do substrato ABS com diâmetro externo de 70 mm, diâmetro interno de 30 mm e comprimento de 125 mm. (b) Estrutura helicoidal aninhada do novo grão combustível, no qual o combustível à base de parafina e as lâminas ABS mantêm o mesmo diâmetro interno inicial. (c) Imagem do combustível em forma. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 5
Figura 5: Configuração experimental.
Esquema do motor de foguete híbrido em escala de laboratório. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 6
Figura 6: Interface do programa de medição e controle do LabVIEW.
(a) Interface de configuração (b) interface de modo automático(c)interface de modo manual(d)interface de monitoramento em execução. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 7
Figura 7: Mudança da pressão da câmara de combustão e taxa de fluxo de massa oxidante.
Durante o processo de combustão, a taxa de fluxo de massa de oxidação e pressão da câmara de combustão permanece relativamente estável. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 8
Figura 8: Comparação da frequência de oscilação da pressão da câmara de combustão.
A oscilação de baixa frequência é o modo dominante de oscilação de combustão de foguetes híbridos. Em comparação com os grãos de combustível à base de parafina, a amplitude da oscilação dominante para o grão de combustível com estrutura helicoidal aninhada aumentou ligeiramente. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 9
Figura 9: Comparação da taxa de regressão com fluxo oxidante.
À medida que o fluxo do oxidante aumenta, o efeito da nova estrutura no aumento da taxa de regressão torna-se mais significativo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 10
Figura 10: Comparação da eficiência da combustão com base na velocidade característica.
aA eficiência média de combustão do grão de combustível à base de parafina é de 77%. (b) A eficiência média de queima de novos grãos é de 79%. Como o valor calórico de combustão do material ABS utilizado é extremamente baixo, a eficiência de combustão é ligeiramente melhorada. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

A técnica apresentada neste artigo é uma nova abordagem utilizando um grão de combustível com uma estrutura helicoidal aninhada. Não há dificuldades na instalação dos equipamentos e instalações necessários. A estrutura helicoidal pode ser facilmente produzida pela impressão 3D, e o ninho de combustíveis à base de parafina pode ser facilmente realizado por fundição centrífuga. As impressoras 3D de deposição fundida (FDM) não são caras e o custo das centrífugas é baixo.

Quando a superfície interna do grão de combustível em forma foi encontrada com rachaduras que não podem ser ignoradas, a temperatura de aquecimento na batedeira de derretimento foi aumentada para 200 °C. Em seguida, as características de baixa viscosidade do combustível à base de parafina foram utilizadas para realizar um reparo no derramamento para preencher os vazios do grão de combustível. Depois que o grão foi completamente resfriado, o orifício interno foi polido até que o diâmetro fosse consistente com o projeto original.

Há várias etapas críticas no protocolo. Na Etapa 1.1.1.5, como a área de contato entre o substrato ABS e a tabela de impressão é pequena, a parte inferior do substrato é facilmente deformada e pode escorregar durante o processo de impressão, o que resulta em falha de impressão. Este problema pode ser muito aliviado aumentando a área de contato da superfície inferior. Descobriu-se que usar o parâmetro Raft with Skirt funciona melhor. A densidade de enchimento deve ser fixada em 100% para reduzir os vazios de impressão no substrato ABS e aumentar a densidade de impressão. Além disso, na Etapa 1.1.1.8, a fixação da temperatura do leito aquecido a 100 °C pode efetivamente evitar que o substrato ABS seja deformado.

Na Etapa 1.1.2.2, com base na temperatura de deformação térmica do ABS e na temperatura mínima de fusão do combustível à base de parafina, o aquecimento do combustível configurado à base de parafina a uma temperatura de 120 °C foi comprovadamente viável. É necessário evitar que o substrato ABS se deforme quando a temperatura estiver muito alta. Ao mesmo tempo, é necessário evitar o derretimento incompleto e a mistura do combustível à base de parafina quando a temperatura está muito baixa.

Na Etapa 1.1.3, a fim de encurtar o tempo de moldagem, e para evitar o problema de que o grão de combustível é facilmente rachado devido ao estresse térmico excessivo gerado durante o processo de resfriamento do processo de moldagem de um tiro, o aumento do número de derramamentos e o resfriamento efetivo são necessários para a moldagem rápida e de alta qualidade do grão combustível. De acordo com a qualidade real da moldagem e experiência de fabricação, quatro ou mais tempos de derramamento são necessários para o tamanho do grão de combustível neste trabalho.

Há duas limitações nessa técnica. Uma delas é que os materiais são incompatíveis. Devido ao estresse térmico e erros de fundição, o novo grão de combustível provavelmente terá rachaduras, defeitos ou desossa durante o processo de fundição. No entanto, comparando-se os resultados dos testes de disparo entre o grão de combustível rachado e o grão combustível normal, verificou-se que a estrutura característica dos dois tipos de grãos de combustível, que é mostrada na Figura 2,permaneceu basicamente a mesma após a combustão. Nenhum fenômeno óbvio de queima erosiva foi observado na superfície interna do grão de combustível. Como as características de baixa viscosidade do combustível à base de parafina fazem com que ele encha espontaneamente as rachaduras durante o processo de combustão, este novo grão de combustível não é sensível a rachaduras.

Em segundo lugar, devido às características da centrífuga, os combustíveis à base de parafina não são facilmente resfriados no tempo durante a formação do grão de combustível, resultando em delaminação. Para evitar um impacto tão grande na uniformidade radial do grão combustível, aumentar o número de derramamentos pode superar essa dificuldade.

Com base na otimização estrutural, propõe-se um novo grão de combustível com estrutura helicoidal aninhada. Devido às diferentes taxas de regressão entre os dois materiais, essa estrutura característica pode existir em todo o processo de combustão e proporcionar melhorias de desempenho. Em comparação com o grão de combustível à base de parafina, esta nova estrutura mostra uma melhoria efetiva, incluindo a taxa de regressão global e a eficiência da combustão.

A técnica apresentada pode ser usada para melhorar o desempenho de combustão de combustíveis tradicionais, como HTPB (polibutadieno com hidroxílico), combustível à base de parafina e polibutadieno com final de carboxíl. Acreditamos que essa técnica pode efetivamente resolver o problema-chave da baixa taxa de regressão que atualmente restringe o desenvolvimento do motor de foguete híbrido. Além disso, essa técnica mostra grande potencial para melhorar a eficiência da combustão. Maior otimização de parâmetros como a estrutura da lâmina, o número de lâminas e a espessura da lâmina são necessárias para maximizar o desempenho da combustão.

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Disclosures

Os autores não têm nada a revelar.

Acknowledgments

Este trabalho foi apoiado pela Fundação Nacional de Ciência Natural da China (Grant nº 11802315, 11872368 e 11927803) e pela Fundação de Pré-Pesquisa de Equipamentos do Laboratório De Chaves de Defesa Nacional (Grant nº 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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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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