Summary
Se presenta una técnica que utiliza un grano de combustible sólido con una novedosa estructura helicoidal anidada para mejorar el rendimiento de combustión de un motor cohete híbrido.
Abstract
Se presenta una técnica para mejorar el rendimiento de combustión de un motor cohete híbrido utilizando una nueva estructura de grano de combustible. Esta técnica utiliza las diferentes tasas de regresión de los combustibles a base de acrilonitrilo butadieno y parafina, que aumentan los intercambios de materia y energía mediante zonas de flujo de remolino y recirculación formadas en las ranuras entre las paletas adyacentes. La técnica de fundición centrífuga se utiliza para fundir el combustible a base de parafina en un sustrato de estireno de acrilonitrilo butadieno hecho por impresión tridimensional. Utilizando el oxígeno como oxidante, se llevaron a cabo una serie de pruebas para investigar el rendimiento de combustión del nuevo grano de combustible. En comparación con los granos de combustible a base de parafina, el grano de combustible con una estructura helicoidal anidada, que se puede mantener durante todo el proceso de combustión, mostró una mejora significativa en la tasa de regresión y un gran potencial en la mejora de la eficiencia de combustión.
Introduction
Se requiere urgentemente una técnica para mejorar el rendimiento de combustión de un motor de cohete híbrido. Hasta la fecha, las aplicaciones prácticas de los motores de cohetes híbridos son todavía mucho menores que las de los motores de cohetes sólidos y líquidos1,2. La baja tasa de regresión de los combustibles tradicionales limita la mejora del rendimiento del empuje para el motor de cohete híbrido3,4. Además, su eficiencia de combustión es ligeramente inferior a la de otros cohetes de energía química debido a la combustión de difusión interna5,como se muestra en la Figura 1. Aunque se han estudiado y desarrollado diversas técnicas, como el uso de múltiples puertos6, mejora de aditivos7,8,9, combustible licuado10,11,12, inyección de remolino13, protuberancias14, y cuerpo de farol15, estos enfoques están asociados con problemas en la utilización del volumen, eficiencia de combustión, rendimiento mecánico, y calidad de redundancia. Hasta ahora, la mejora estructural del grano de combustible, que no tiene estas deficiencias, ha atraído más atención como medio eficaz de mejorar el rendimiento de combustión16,17. El advenimiento de la impresión tridimensional (3D) ha sido una forma eficaz de aumentar el rendimiento de los motores de cohetes híbridos a través de la capacidad de producir de forma rápida y económica diseños de granos convencionales complejos o granos de combustible no convencionales18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30. Sin embargo, durante el proceso de combustión, estas mejoras en el rendimiento de combustión disminuyen con la quema de la estructura característica, lo que resulta en una disminución en el rendimiento de combustión23. Hemos demostrado que un diseño novedoso es útil para mejorar el rendimiento de los motores de cohetes híbridos31. El detalle de esta técnica y los resultados representativos se presentan en este documento.
El grano de combustible consiste en un sustrato helicoidal hecho por acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS) y un combustible anidado a base de parafina. Basado en la impresión centrífuga y 3D, se combinaron las ventajas de los dos combustibles con diferentes tasas de regresión. La estructura helicoidal especial del grano de combustible después de la combustión se muestra en la Figura 2. Cuando el gas pasa a través del grano de combustible, se crean simultáneamente numerosas zonas de recirculación en ranuras entre cuchillas, que se muestra en la Figura 3. Esta estructura característica en la superficie interior aumenta la energía cinética de turbulencia y el número de remolinos en la cámara de combustión, que aumentan los intercambios de materia y energía en la cámara de combustión. En última instancia, la tasa de regresión del nuevo grano de combustible se mejora efectivamente. El efecto de mejorar la tasa de regresión ha sido bien demostrado: en particular, se demostró que la tasa de regresión del nuevo grano de combustible era un 20% superior a la del combustible a base de parafina en el flujo de masa de 4g/s-cm 2,32.
Una ventaja del grano de combustible con una estructura helicoidal anidada es que es fácil de fabricar. El proceso de moldeo requiere principalmente un mezclador de fusión, una centrífuga y una impresora 3D. El sustrato ABS formado por la impresión 3D reduce en gran medida el costo de fabricación. Otra ventaja significativa y única es que el efecto de mejora no desaparece durante el proceso de combustión.
Este documento presenta el sistema experimental y el procedimiento para mejorar el rendimiento de combustión de un motor de cohete híbrido utilizando la nueva estructura de grano de combustible. Además, este documento presenta tres comparaciones representativas de los parámetros de rendimiento de combustión para demostrar la viabilidad de la técnica, incluida la frecuencia de oscilación de la presión de la cámara de combustión, la tasa de regresión y la eficiencia de combustión caracterizada por la velocidad característica.
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Protocol
1. Configuración y procedimientos experimentales
- Preparación del grano de combustible
NOTA: El grano de combustible con estructura novedosa constaba de dos partes, que se muestran en la Figura 4. Como la parte principal del grano novedoso, el combustible a base de parafina representa más del 80% de la masa total. El sustrato ABS se utiliza como combustible adicional. La preparación de este grano de combustible se realizó mediante la combinación de impresión 3D y fundición centrífuga.- Preparación del sustrato
- Abra el software 3D para el dibujo de sustrato ABS.
NOTA: El sustrato ABS, que pretendía proporcionar el marco helicoidal y el soporte para el combustible a base de parafina, se compone de doce cuchillas integradas que giran 360o en el sentido de las agujas del reloj en la dirección axial y en la pared. - Guarde la estructura 3D del sustrato ABS como un archivo STL.
- Abra el software de corte 3D e importe la estructura del sustrato ABS.
- Haga clic en Iniciar cortey seleccione Modo de impresión de velocidad en Plantilla principal.
NOTA: Para el extrusor primario, elija ABS 1,75 mm. - Haga doble clic en Velocidad, cambie la densidad de relleno a 100% y seleccione Balsa con falda para la adición de plataforma.
NOTA: Para mejorar la calidad de impresión y evitar la deformación, es necesario utilizar una estructura de base de impresión (Balsa con falda) para aumentar el área de contacto entre el cuerpo de impresión y la placa inferior. - Haga clic en Guardar y cerrary, a continuación, haga clic en Sector.
- Encienda la impresora 3D e importe el archivo de sector de sustrato ABS.
- Ajuste la temperatura de la cama calentada y la boquilla a 100 y 240 oC, respectivamente.
- Haga clic en Iniciar para imprimir después de la estabilización.
- Abra el software 3D para el dibujo de sustrato ABS.
- Preparación de combustible a base de parafina
- Preparar materias primas de parafina, cera de polietileno (PE), ácido esteárico, acetato de etileno-vinilo (EVA) y polvo de carbono. Configure el combustible basado en parafina según la proporción de estos componentes como 0.58:0.2:0.1:0.1:0.02.
NOTA: La información específica de cada materia prima se muestra en la tabla de materiales. La relación de distribución del combustible a base de parafina no es fija y se puede ajustar adecuadamente de acuerdo con el propósito del experimento. El propósito de agregar polvo de carbono es bloquear la transferencia de calor radiante y evitar que el grano de combustible se ablande y se derrumbe durante la combustión. - Coloque las materias primas configuradas en el mezclador de fusión, y derrita y revuelva completamente hasta que se mezclen por completo.
NOTA: El combustible a base de parafina se calienta a 120 oC para garantizar un derretimiento completo y evitar la deformación de las cuchillas ABS.
- Preparar materias primas de parafina, cera de polietileno (PE), ácido esteárico, acetato de etileno-vinilo (EVA) y polvo de carbono. Configure el combustible basado en parafina según la proporción de estos componentes como 0.58:0.2:0.1:0.1:0.02.
- Fabricación de granos de combustible
NOTA: Para demostrar mejor el efecto de mejorar el rendimiento de combustión, se establecieron granos de combustible a base de parafina con la misma composición que el control.- Coloque el sustrato ABS en la centrífuga y fíjelo con una tapa final.
- Enchufe la alimentación y encienda el interruptor de la bomba de refrigeración por agua.
- Encienda el relé de centrífuga y aumente la velocidad a 1400 rpm.
- Abra la válvula en el mezclador de fusión y comience a fundar.
NOTA: El combustible fundido a base de parafina fluye hacia la sección inicial del molde a través de la tubería y la cubierta final con una abertura central. Bajo el efecto de gravedad, el combustible líquido se extiende a lo largo de la dirección axial del molde. En combinación con una refrigeración eficaz, se requiere un método de fundición múltiple, que consiste en dividir el proceso de llenado único original en varias veces, para reducir la tensión térmica. - Retire el grano de combustible y recorte la forma.
- Medición y registro de granos de combustible
- Mida y registre el peso, la longitud y el diámetro interior del grano de combustible.
- Fotografía el grano de combustible completo.
- Preparación del sustrato
- Preparación del sistema híbrido de motores de cohetes
NOTA: Como se muestra en la Figura 5,el sistema híbrido del motor de cohetes constaba de cuatro partes: el sistema de suministro, el sistema de encendido, el motor y el sistema de medición y control. La parte del motor incluía cinco partes: el encendido de la antorcha, la cabeza, la cámara de combustión, la cámara posterior a la combustión y la boquilla. La longitud total del motor de cohete híbrido es de unos 300 mm, y el diámetro interior de la cámara de combustión es de 70 mm.- Ensamblaje híbrido del motor de cohetes
NOTA: Los detalles exhaustivos del cohete híbrido a escala de laboratorio y la composición del sistema experimental se pueden encontrar en el documento anterior32.- Fije la sección de la cámara de combustión del motor de cohete híbrido en el riel deslizante.
- Cargue el grano de combustible e instale la sección de la cámara posterior a la combustión.
- Instale la cabeza y la boquilla.
- Instale el encendido de la antorcha en la cabeza del motor de cohete híbrido.
- Instale la bujía y conecte la fuente de alimentación.
- Conecte las líneas de suministro de nitrógeno, oxidante, metano de ignición y gas de oxígeno de encendido entre el banco de pruebas y el cilindro de gas.
- Conecte el ordenador industrial, la tarjeta de adquisición de datos multifunción, el controlador de flujo de masa y la caja de control del banco de pruebas.
- Encienda el banco de pruebas, el controlador de flujo de masa y el encendedor.
- Ensamblaje híbrido del motor de cohetes
- Compruebe el sistema de prueba y establezca las condiciones experimentales.
- Abra el software FlowDDE y haga clic en Configuración de comunicaciones en Comunicación.
- Haga clic en la interfaz de conexión correspondiente y haga clic en Aceptar.
- Haga clic en Abrir comunicación para establecer la comunicación con el controlador de flujo y abrir el programa de medición y control (MCP).
- Establezca el canal de E/S de la tarjeta de adquisición de datos multifunción y haga clic en Ejecutar para establecer la comunicación con todo el sistema.
- Compruebe el estado de ejecución de MCP y establezca el modo de control manual.
NOTA: El MCP incluye dos modos: el control manual se utiliza para la depuración y el control automático se utiliza durante los experimentos. El MCP escrito por LabVIEW se muestra en la Figura 6. - Compruebe el estado de funcionamiento de la bujía y realice una prueba de válvula.
- Función de grabación de datos de prueba.
- Abra la interfaz de ajuste y establezca la hora de prueba, incluida la hora de apertura y cierre de la válvula, el tiempo de encendido y la duración de la grabación de datos.
NOTA: El controlador de flujo de masa tarda algún tiempo en regular el flujo del oxidante al valor establecido, por lo que el tiempo de encendido se estableció en 2 s después del suministro de oxidante. - Establezca los requisitos de seguridad y despeje al personal del área experimental.
- Abra la válvula del cilindro y ajuste la presión de salida de la válvula reguladora de acuerdo con las diferentes condiciones de caudal de masa.
NOTA: Con la presión de suministro de 6MPa, el rango de caudal de masa del oxidante está entre 7 g/s y 29 g/s. - Abra la interfaz de configuración y establezca el caudal de masa del oxidante.
- Encendido híbrido del motor de cohetes
- Encienda la cámara.
- Establezca el MCP en modo de control automático y espere el disparador.
- Haga clic en Inicio en el MCP para iniciar el experimento.
- Después de aproximadamente un minuto, haga clic en Detener en el MCP y apague la cámara.
- Cierre el cilindro de gas y abra la válvula en la tubería para aliviar la presión.
- Apague el banco de pruebas y retire el grano de combustible.
- Repita el paso 1.1.4.
2. Análisis del rendimiento de la combustión
- Análisis de la oscilación de presión
NOTA: Los datos de presión de la cámara de combustión guardados se representan como Pc(t).- Abra Pc(t) con el software de procesamiento de datos.
- Elija el período de tiempo durante el proceso de combustión del motor de cohete híbrido.
- Seleccione Análisis > Procesamiento de señal > FFT para analizar la oscilación de presión.
- Utilice la configuración predeterminada y haga clic en Aceptar.
- Análisis de la tasa de regresión
- Calcule la tasa de regresión del grano de combustible de acuerdo con la siguiente función:
dondeD representan el cambio de diámetros internos promedio del grano de combustible sólido después de la prueba de cocción;
representan el cambio de calidad del grano de combustible; L es la longitud del grano de combustible; es la densidad media del combustible sólido; t es el tiempo de trabajo.
NOTA: La densidad media del grano nuevo se expresó como:
donde
y representan la densidad del combustible anidado a base de 
parafina y el material ABS, respectivamente; 
y representan la 
fracción de masa del combustible anidado a base de parafina y el material ABS, respectivamente. - Ajuste la velocidad de regresión en función del flujo de oxidante.
NOTA: La función de ajuste se seleccionó como Allometric1
y el algoritmo iterativo se seleccionó como algoritmo de optimización Levenberg–Marquardt.
- Calcule la tasa de regresión del grano de combustible de acuerdo con la siguiente función:
- Análisis de la eficiencia de combustión
- Calcule la presión media de la cámara de combustión Pc mediante la siguiente función:
donde Pc(t) representa la presión de la cámara de combustión en diferentes momentos; t1 y tn representan los tiempos inicial y final en los que la presión de la cámara de combustión fue superior al 50% de la presión media, respectivamente; n representa el número de puntos de datos de presión entre y t1 y tn. - Calcular la velocidad característica de combustión C⃰ de acuerdo con la siguiente función:
donde Pc es la presión media de la cámara de combustión; Unat es el área de la garganta; ḿ es el caudal de masa total. - Calcular la velocidad característica teórica del combustible de parafina C⃰P por el código33 dela CEA de la NASA.
- Calcule la presión media de la cámara de combustión Pc mediante la siguiente función:
representan el cambio de calidad del grano de combustible; L es la longitud del grano de combustible; es la densidad media del combustible sólido; t es el tiempo de trabajo.
y representan la densidad del combustible anidado a base de 
parafina y el material ABS, respectivamente; 
y representan la 
fracción de masa del combustible anidado a base de parafina y el material ABS, respectivamente.
y el algoritmo iterativo se seleccionó como algoritmo de optimización Levenberg–Marquardt.
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Representative Results
La Figura 7 muestra los cambios en la presión de la cámara de combustión y el caudal de masa del oxidante. Para proporcionar el tiempo necesario para la regulación del flujo, el oxidante entra en la cámara de combustión de antemano. Cuando el motor aumenta la presión en la cámara de combustión, el caudal de masa de oxígeno disminuye rápidamente y luego mantiene un cambio relativamente constante. Durante el proceso de combustión, la presión en la cámara de combustión permanece relativamente estable.
Las imágenes que muestran una comparación de la frecuencia de oscilación de la presión de la cámara de combustión se presentan en la Figura 8. El espectro de fluctuación de presión del nuevo grano de combustible contenía tres picos distintos, que estaban asociados con la baja frecuencia híbrida, el modo Helmholtz y la media onda acústica en la cámara de combustión, respectivamente34. La posición de los picos de presión correspondientes al nuevo grano de combustible era básicamente la misma que la de los combustibles a base de parafina, lo que indica que no es probable que una estructura novedosa introduzca oscilaciones de combustión adicionales. Además, se puede ver claramente desde la curva suavizada que la amplitud de la oscilación dominante de la presión de baja frecuencia fue ligeramente amplificada por la estructura novedosa. Por lo tanto, antes de la aplicación real del nuevo grano de combustible, se necesita una mayor optimización estructural para reducir la amplitud de las oscilaciones de presión.
La Figura 9 muestra una comparación de la tasa de regresión en función del flujo de oxidantes entre nuevos granos de combustible y granos de combustible a base de parafina. En comparación con los combustibles HTPB tradicionales, la tasa de regresión de los combustibles basados en parafina se duplicó aproximadamente. Sin embargo, al mismo caudal de masa del oxidante, se demostró que la tasa de regresión del nuevo grano de combustible era superior a la del combustible a base de parafina. Y la brecha entre las tasas de regresión de dos combustibles también se amplió gradualmente a medida que aumentaba el flujo del oxidante.
En la Figura 10se presenta una imagen que compara la eficiencia de combustión en función de la velocidad característica. El nuevo grano de combustible mostraba una mayor (velocidad característica) que los granos a base de parafina en varias relaciones oxidante/combustible. En consecuencia, facilitada por la estructura helicoidal anidada, la eficiencia media de combustión del nuevo grano de combustible se ha incrementado en aproximadamente un 2% (±0,7%). Debido al bajo valor calorífico de los materiales ABS comerciales y a las diferentes relaciones de equivalencia, la mejora de la eficiencia de combustión provocada por la nueva estructura no era obvia.
Los resultados de las pruebas de disparo demostraron que el rendimiento de la tasa de regresión para el grano de combustible con una estructura helicoidal anidada podría mejorarse efectivamente32. Además, la estructura novedosa también muestra un gran potencial en la mejora de la eficiencia de combustión. Tanto las numerosas zonas de recirculación en las ranuras entre las paletas adyacentes como la estructura helicoidal aumentan la turbulencia y el número de remolinos en la cámara de combustión. El intercambio de materia y energía entre el grano de combustible y la zona de combustión se incrementa, mejorando así el rendimiento de combustión.
Figura 1: Proceso de combustión implicado en cohete híbrido.
Los procesos de mezcla y combustión del cohete híbrido son diferentes de líquidos o sólidos. En los híbridos, la mezcla y la combustión se producen en el área de combustión de difusión que tiene la misma longitud que la cámara de combustión. La naturaleza del modelo de combustión de difusión conduce a una reducción del grado de mezcla y eficiencia de combustión, que oscila entre el 50% y el 99% en aplicaciones prácticas27,35. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Estructura característica del grano de combustible novedoso.
Debido a las diferentes tasas de regresión entre dos combustibles, esta estructura helicoidal anidada se forma y se mantiene durante el proceso de combustión. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: Se formó la zona de recirculación.
Cuando el gas pasa a través de las ranuras entre las paletas adyacentes, se forma una zona de recirculación. Se intensifica la perturbación y se han mejorado los intercambios de materia y energía en la cámara de combustión. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: Imágenes estructurales de grano de combustible novedoso.
(a) Impresión 3D de sustrato ABS con un diámetro exterior de 70 mm, un diámetro interior de 30 mm y una longitud de 125 mm. (b) Estructura helicoidal anidada del nuevo grano de combustible, en la que el combustible a base de parafina y las cuchillas ABS mantienen el mismo diámetro interior inicial. (c) Imagen del combustible en forma. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5: Configuración experimental.
Esquema del motor de cohete híbrido a escala de laboratorio. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 6: Interfaz de programa de medición y control LabVIEW.
(a) Interfaz de configuración (b) interfaz de modo automático (c) interfaz de modo manual (d) programa que ejecuta la interfaz de supervisión. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 7: Cambio de la presión de la cámara de combustión y el caudal de masa del oxidante.
Durante el proceso de combustión, el caudal de masa del oxidante y la presión de la cámara de combustión permanece relativamente estable. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 8: Comparación de la frecuencia de oscilación de la presión de la cámara de combustión.
La oscilación de baja frecuencia es el modo de oscilación de combustión dominante de los cohetes híbridos. En comparación con los granos de combustible a base de parafina, la amplitud de la oscilación dominante para el grano de combustible con estructura helicoidal anidada ha aumentado ligeramente. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 9: Comparación de la tasa de regresión con el flujo del oxidante.
A medida que aumenta el flujo del oxidante, el efecto de la estructura novedosa en el aumento de la tasa de regresión se vuelve más significativo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 10: Comparación de la eficiencia de combustión en función de la velocidad característica.
(a) La eficiencia media de combustión del grano de combustible a base de parafina es del 77 %. (b) La eficiencia media de combustión de nuevos granos es del 79%. Debido a que el valor calorífico de combustión del material ABS utilizado es extremadamente bajo, la eficiencia de combustión se mejora ligeramente. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Discussion
La técnica presentada en este artículo es un enfoque novedoso utilizando un grano de combustible con una estructura helicoidal anidada. No hay dificultades para establecer el equipo y las instalaciones necesarias. La estructura helicoidal se puede producir fácilmente mediante la impresión 3D, y la anidación de combustibles a base de parafina se puede llevar a cabo fácilmente mediante la fundición centrífuga. Las impresoras 3D de moldeo por deposición fundida (FDM) no son costosas y el costo de las centrífugas es bajo.
Cuando se encontró que la superficie interior del grano de combustible en forma tenía grietas que no se pueden ignorar, la temperatura de calentamiento en la mezcladora de fusión se incrementó a 200 oC. A continuación, se utilizaron las características de baja viscosidad del combustible a base de parafina para realizar una reparación vertiendo para llenar los vacíos del grano de combustible. Después de que el grano se enfrió por completo, el agujero interior se pulió hasta que el diámetro fue consistente con el diseño original.
Hay varios pasos críticos en el protocolo. En el paso 1.1.1.5, debido a que el área de contacto entre el sustrato ABS y la mesa de impresión es pequeña, la parte inferior del sustrato se deforma fácilmente y puede deslizarse durante el proceso de impresión, lo que en última instancia resulta en un fallo de impresión. Este problema se puede aliviar en gran medida aumentando el área de contacto de la superficie inferior. Se encontró que el uso de la balsa con falda parámetro funciona mejor. La densidad de relleno debe ajustarse al 100% para reducir los vacíos de impresión en el sustrato ABS y aumentar la densidad de impresión. Además, en el paso 1.1.1.8, el ajuste de la temperatura de la cama calentada a 100 oC puede evitar eficazmente que el sustrato abs se deforme.
En el paso 1.1.2.2, basado en la temperatura de deformación térmica del ABS y la temperatura mínima de fusión del combustible a base de parafina, se demostró factible calentar el combustible a base de parafina configurado a una temperatura de 120 oC. Es necesario evitar que el sustrato ABS se deforme cuando la temperatura es demasiado alta. Al mismo tiempo, es necesario evitar la fusión incompleta y la mezcla del combustible a base de parafina cuando la temperatura es demasiado baja.
En el paso 1.1.3, con el fin de acortar el tiempo de moldeo, y para evitar el problema de que el grano de combustible se agrieta fácilmente debido a la tensión térmica excesiva generada durante el proceso de enfriamiento del proceso de moldeo de un solo disparo, aumentar el número de vertidos y enfriamiento eficaz son necesarios para el moldeo rápido y de alta calidad del grano de combustible. De acuerdo con la calidad real de moldeo y la experiencia de fabricación, se requieren cuatro o más tiempos de vertido para el tamaño del grano de combustible en este trabajo.
Hay dos limitaciones a esta técnica. Una es que los materiales son incompatibles. Debido a la tensión térmica y los errores de fundición, es probable que el nuevo grano de combustible tenga grietas, defectos o deshuesado durante el proceso de fundición. Sin embargo, al comparar los resultados de las pruebas de cocción entre el grano de combustible agrietado y el grano de combustible normal, se encontró que la estructura característica de los dos tipos de granos de combustible, que se muestra en la Figura 2,se mantuvo básicamente la misma después de la combustión. No se observó ningún fenómeno obvio de quema erosiva en la superficie interna del grano de combustible. Debido a que las características de baja viscosidad del combustible a base de parafina hacen que llene espontáneamente las grietas durante el proceso de combustión, este nuevo grano de combustible no es sensible a las grietas.
En segundo lugar, debido a las características de la centrífuga, los combustibles a base de parafina no se enfrían fácilmente a tiempo durante la formación del grano de combustible, lo que resulta en el delaminamiento. Para evitar un impacto tan grande en la uniformidad radial del grano de combustible, aumentar el número de vertidos puede superar esta dificultad.
Basado en la optimización estructural, se propone un grano de combustible novedoso con una estructura helicoidal anidada. Debido a las diferentes tasas de regresión entre los dos materiales, esta estructura característica puede existir a lo largo de todo el proceso de combustión y proporcionar mejoras de rendimiento. En comparación con el grano de combustible a base de parafina, esta novedosa estructura muestra una mejora efectiva, incluyendo la tasa de regresión general y la eficiencia de combustión.
La técnica presentada se puede utilizar para mejorar el rendimiento de combustión de combustibles tradicionales como HTPB (polibutadieno terminado con hidroxilo), combustible a base de parafina y polibutadieno terminado con carboxilo. Creemos que esta técnica puede resolver eficazmente el problema clave de la baja tasa de regresión que actualmente restringe el desarrollo del motor de cohete híbrido. Además, esta técnica muestra un gran potencial para mejorar la eficiencia de combustión. Se necesita una mayor optimización de parámetros como la estructura de la hoja, el número de cuchillas y el grosor de la hoja para maximizar el rendimiento de combustión.
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Disclosures
Los autores no tienen nada que revelar.
Acknowledgments
Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (Grant Nos. 11802315, 11872368 y 11927803) y equipment Pre-Research Foundation of National Defense Key Laboratory (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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