Summary
En teknik som utnyttjar en fast bränslekorn med en roman kapslade spiralformade struktur för att förbättra förbränningsprestanda av en hybrid raketmotor presenteras.
Abstract
En teknik för att förbättra förbränningsprestandan hos en hybridraketmotor med hjälp av en ny bränslekornstruktur presenteras. Denna teknik utnyttjar de olika regressionshastigheterna hos akrylnitril butadienstyren och paraffinbaserade bränslen, som ökar utbytet av både materia och energi genom virvelflöde och återcirkulationszoner som bildas vid spåren mellan de intilliggande vanerna. Centrifugalgjutningstekniken används för att gjuta det paraffinbaserade bränslet i ett akrylnitril butadienstyrensubstrat som görs genom tredimensionell utskrift. Med hjälp av syre som oxidationsmedel, en serie tester genomfördes för att undersöka förbränningsprestanda av den nya bränslesäd. I jämförelse med paraffinbaserade bränslekorn visade bränslekornen med en kapslad spiralformad struktur, som kan upprätthållas under hela förbränningsprocessen, en betydande förbättring av regressionshastigheten och stor potential vid förbättring av förbränningseffektiviteten.
Introduction
En teknik för att förbättra förbränningsprestandan hos en hybridraketmotor är angeläget. Hittills är praktiska tillämpningar av hybridraketmotorer fortfarande mycket mindre än de av fasta och flytande raketmotorer1,2. Den låga regressionsgraden för traditionella bränslen begränsar förbättringen av dragkraftsprestandan för hybridraketmotorn3,4. Dessutom är dess förbränningseffektivitet något lägre än för andra kemiska energiraketer på grund av förbränningsförbränning5, vilket visas i figur 1. Även om olika tekniker har studerats och utvecklats, såsom användning av multi-portar6, förbättra tillsatser7,8,9, kondensering bränsle10,11,12, virvel injektion13, utsprång14, och bluff kropp15, dessa metoder är förknippade med problem i volymutnyttjande, förbränningseffektivitet, mekanisk prestanda, och redundans kvalitet. Hittills har strukturell förbättring av bränslesäden, som inte har dessa brister, rönt mer uppmärksamhet som ett effektivt sätt att förbättra förbränningsprestanda16,17. Tillkomsten av tredimensionella (3D) utskrift har brough ett effektivt sätt att öka prestanda hybrid raketmotorer genom förmågan att snabbt och billigt producera antingen komplexa konventionella säd mönster eller ickekonventionella bränslekorn18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30. Men under förbränningsprocessen minskar dessa förbättringar i förbränningsprestandan med den karakteristiska strukturen sveda, vilket resulterar i en minskning av förbränningsprestanda23. Vi har visat att en ny design är användbar för att förbättra prestanda hybrid raketmotorer31. Detaljrikedomen för denna teknik och representativa resultat presenteras i detta dokument.
Bränslekornet består av ett spiralformigt substrat tillverkat av akrylnitril-butadien-styren (ABS) och ett kapslat paraffinbaserat bränsle. Baserat på centrifugal- och 3D-utskrift kombinerades fördelarna med de två bränslena med olika regressionsgrad. Den speciella spiralformade strukturen hos bränslekornet efter förbränning visas i figur 2. När gas passerar genom bränslesäden skapas samtidigt ett flertal återcirkulationszoner vid spår mellan bladen, vilket visas i figur 3. Denna karakteristiska struktur på den inre ytan ökar turbulensen kinetisk energi och virvelnummer i förbränningskammaren, vilket ökar utbytet av både materia och energi i förbränningskammaren. I slutändan förbättras regressionsgraden för den nya bränslespaningen effektivt. Effekten av att förbättra regressionsgraden har väl bevisats: i synnerhet visade sig regressionsgraden för den nya bränslespaningen vara 20 procent högre än för det paraffinbaserade bränslet vid massflödet på 4 g/s·cm2,32.
En fördel med bränslespann med en kapslad spiralformad struktur är att det är enkelt att tillverka. Den gjutning processen kräver främst en smält mixer, en centrifug, och en 3D-skrivare. ABS-substratet som bildas genom 3D-utskrift minskar tillverkningskostnaden kraftigt. En annan betydande och unik fördel är att förbättringseffekten inte försvinner under förbränningsprocessen.
Detta dokument presenterar det experimentella systemet och förfarandet för att förbättra förbränningsprestandan hos en hybridraketmotor med hjälp av den nya bränslekornstrukturen. Dessutom presenterar detta dokument tre representativa jämförelser av förbränningsprestandaparametrar för att bevisa att tekniken är genomförbar, inklusive svängningsfrekvens för förbränningskammarens tryck, regressionshastighet och förbränningseffektivitet som kännetecknas av karakteristisk hastighet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Experimentell inställning och förfaranden
- Beredning av bränslespann
OBS: Bränslekornet med ny struktur bestod av två delar, som visas i figur 4. Som huvuddelen av det nya kornet står det paraffinbaserade bränslet för mer än 80 % av den totala massan. ABS-substratet används som ett extra bränsle. Beredningen av denna bränslespann av korn realiserades genom att kombinera 3D-utskrift och centrifugalgjutning.- Beredning av substrat
- Öppna 3D-programvara för ABS substratritning.
OBS: ABS-substratet, som avsåg att ge den spiralformade ramen och stödet för det paraffinbaserade bränslet, består av tolv integrerade blad som roterar 360° medsols i axial riktning och väggen. - Spara ABS-substratets 3D-struktur som stl-fil.
- Öppna 3D-skivningsprogramvaran och importera strukturen av ABS-substrat.
- Klicka på Starta skivning, och välj Hastighetsutskriftsläge från Huvudmall.
OBS: För Primär Extrudern välj ABS 1,75 mm. - Dubbelklicka på Hastighet, ändra infilldensiteten till 100 % och välj Raft with Skirt for the Platform Addition.
OBS: För att förbättra utskriftskvaliteten och förhindra skevhet är det nödvändigt att använda en struktur av tryckbas (Raft med Kjol) för att öka kontaktytan mellan utskriftskroppen och bottenplattan. - Klicka på Spara och stängoch sedan på Segment.
- Slå på 3D-skrivaren och importera ABS substrat skiva filen.
- Ställ in temperaturen på den uppvärmda sängen och munstycket till 100 respektive 240 °C.
- Klicka på Start om du vill skriva ut efter stabilisering.
- Öppna 3D-programvara för ABS substratritning.
- Paraffinbaserad bränsleberedning
- Förbered råvaror av paraffin, polyeten (PE) vax, stearinsyra, eten-vinylacetat (EVA), och kolpulver. Konfigurera det paraffinbaserade bränslet enligt förhållandet mellan dessa komponenter som 0,58:0,2:0,1:0,1:0,02.
OBS: Den specifika informationen om varje råvara framgår av materialtabellen. Fördelningsförhållandet för paraffinbaserat bränsle är inte fast och kan justeras på lämpligt sätt enligt försökets syfte. Syftet med att tillsätta kolpulver är att blockera strålvärmeöverföring och förhindra att bränslesäden mjuknar och kollapsar vid förbränning. - Placera de konfigurerade råvarorna i smältblandaren, och smält helt och rör om tills de är helt blandade.
OBS: Det paraffinbaserade bränslet värms upp till 120 °C för att säkerställa fullständig smältning samtidigt som deformation av ABS-bladen förhindras.
- Förbered råvaror av paraffin, polyeten (PE) vax, stearinsyra, eten-vinylacetat (EVA), och kolpulver. Konfigurera det paraffinbaserade bränslet enligt förhållandet mellan dessa komponenter som 0,58:0,2:0,1:0,1:0,02.
- Bränsle spannmål tillverkning
OBS: För att bättre kunna visa effekten av att förbättra förbränningsprestandan sattes paraffinbaserade bränslekorn med samma sammansättning som kontrollen.- Placera ABS-substratet i centrifugen, och säkra det med ett ändlock.
- Koppla in strömmen och slå på vattenkylningspumpens brytare.
- Sätt på centrifugreläet och öka hastigheten till 1400 varv/min.
- Öppna ventilen på smältblandaren och börja gjutningen.
OBS: Det smälta paraffinbaserade bränslet strömmar in i den inledande delen av mögel genom röret och ändkåpan med en central öppning. Under effekten av gravitationen sprider sig det flytande bränslet längs formens axiella riktning. Kombinerat med effektiv kylning krävs en flergjutningsmetod, som är att dela upp den ursprungliga engångsfyllnadsprocessen i flera gånger, för att minska den termiska stressen. - Ta bort bränslespann och trimma formen.
- Mätning och registrering av bränslekorn
- Mät och registrera bränslekornets vikt, längd och innerdiameter.
- Fotografera den kompletta bränslespaningen.
- Beredning av substrat
- Förberedelse av hybrid raketmotor system
OBS: Som visas i figur 5, hybrid raketmotor systemet bestod av fyra delar: tillförselsystemet, tändsystemet, motorn, och mätning och styrsystem. Motordelen innehöll fem delar: fackeltändaren, huvudet, förbränningskammaren, post-combustion kammaren, och munstycket. Hybridraketmotorns totala längd är ca 300 mm, och förbränningskammarens innerdiameter är 70 mm.- Hybrid raketmotor montering
OBS: De uttömmande detaljerna i hybridraketen i laboratorieskala och experimentsystemets sammansättning finns i det tidigare papperet32.- Fixera förbränningskammaren avsnitt av hybrid raketmotor på glidskena.
- Ladda bränslesäd och montera avdelningen efter förbränningskammaren.
- Installera huvudet och munstycket.
- Installera facklan tändare på huvudet av hybrid raketmotor.
- Installera tändstiftet och anslut strömförsörjningen.
- Anslut kväve, oxidationsmedel, tändningsmetan, och tändsyregas matarledningar mellan provbänken och gasflaskan.
- Anslut industridatorn, dataanskaffningskortet med flera funktionsdata, styrenheten för massflöde och testbänkens kontrollbox.
- Ström på provbänken, massflödesregulatorn och tändaren.
- Hybrid raketmotor montering
- Kontrollera testsystemet och ställ in försöksförhållandena.
- Öppna FlowDDE-programvaran och klicka på Kommunikationsinställningar från Kommunikationen.
- Klicka på motsvarande anslutningsgränssnitt och klicka på OK.
- Klicka på Öppna kommunikation för att upprätta kommunikation med flödesstyrenheten och öppna mät- och kontrollprogrammet (MCP).
- Ställ in I/O-kanal för datainsamlingskortet med flera funktionsdata och klicka på Kör för att upprätta kommunikation med hela systemet.
- Kontrollera MCP-körstatus och ställ in i manuellt kontrollläge.
OBS: MCP innehåller två lägen: manuell kontroll används för felsökning och automatisk kontroll används under experiment. Den MCP som är skriven av LabVIEW visas i figur 6. - Kontrollera tändstifts arbetsskick och utför ett ventiltest.
- Testa dataregistreringsfunktion.
- Öppna inställningsgränssnittet och ställ in testtid, inklusive ventilöppnings- och stängningstid, tändtid och dataregistreringsvaraktighet.
OBS: Det tar lite tid för styrenheten för massflöde att reglera oxidationsflödet till inställt värde, så tändtiden sattes till 2 s efter tillförseln av oxidationsmedel. - Ställ säkerhetskrav och tydlig personal från experimentområdet.
- Öppna cylinderventilen och justera utgående trycket på reglerventilen enligt de olika massflödeshastighetsförhållandena.
OBS: Med tillförseltrycket på 6MPa är oxidationsmedlets intervall för massflöde mellan 7 g/s och 29 g/s. - Öppna inställningsgränssnittet och ställ in oxidationsmassflödet.
- Hybrid raketmotor tändning
- Sätt på kameran.
- Ställ in MCP i läget för automatisk kontroll och vänta på utlösare.
- Klicka på Start på MCP:n för att starta experimentet.
- Efter ungefär en minut klickar du på Stopp på MCP:n och stänger av kameran.
- Stäng gasflaskan och öppna ventilen i rörledningen för att avlasta trycket.
- Ström av provbänken och ta bort bränslesäden.
- Upprepa Steg 1.1.4.
2. Analys av förbränningsprestanda
- Analys av trycksvängning
OBS: De sparade förbränningskammarens tryckdata representeras som Pc(t).- Öppna Pc(t) med databehandlingsprogrammet.
- Välj tidsperiod under förbränningsprocessen av hybridraketmotorn.
- Välj Analys > Signalbehandling > FFT för att analysera trycksvängningen.
- Använd standardinställningarna och klicka på OK.
- Analys av regressionsgrad
- Beräkna bränslekornets regressionshastighet enligt följande funktion:
där ΔD representerar förändringen av de genomsnittliga innerdiametrar av det fasta bränslets korn efter eldningsprovningen,
representera bränslespannsets kvalitetsförändring, L är längden på bränslesäden; ρ är det fasta bränslets medeltäthet; t är arbetstiden.
NOTERA: Den genomsnittliga tätheten ρ av det nya kornet uttrycktes som:
var
och 
representerar densiteten hos det kapslade paraffinbaserade bränslet respektive ABS-materialet och 
representerar massfraktionen av det kapslade paraffinbaserade bränslet respektive ABS-materialet. - Montera regressionshastigheten som en funktion av oxidationsmedelsfluss.
OBS: Passande funktion valdes som Allometric1
, och den iterativa algoritmen valdes som Levenberg–Marquardt optimeringsalgoritm.
- Beräkna bränslekornets regressionshastighet enligt följande funktion:
- Analys av förbränningseffektivitet
- Beräkna genomsnittligt förbränningskammaretryck Pc med följande funktion:
där Pc(t) representerar förbränningskammarens tryck vid olika tidpunkter, t1 och tn representerar de inledande och sista tider då förbränningskammarens tryck var större än 50% av det genomsnittliga trycket, respektive n representerar antalet tryckdatapunkter mellan och t1 och tn. - Beräkna förbränningsegenskapernas hastighet C⃰ enligt följande funktion:
där Pc är det genomsnittliga förbränningskammarens tryck, At är halsen området; ḿ är den totala massflödet. - Beräkna den teoretiska karakteristiska hastigheten för paraffinbränsle C⃰P av NASA CEA-kod33.
- Beräkna genomsnittligt förbränningskammaretryck Pc med följande funktion:
representera bränslespannsets kvalitetsförändring, L är längden på bränslesäden; ρ är det fasta bränslets medeltäthet; t är arbetstiden.
och 
representerar densiteten hos det kapslade paraffinbaserade bränslet respektive ABS-materialet och 
representerar massfraktionen av det kapslade paraffinbaserade bränslet respektive ABS-materialet.
, och den iterativa algoritmen valdes som Levenberg–Marquardt optimeringsalgoritm.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 7 visar förändringarna i förbränningskammarens tryck och oxidationsmassflödeshastighet. För att ge den nödvändiga tiden för flödesreglering kommer oxideringsmedlet in i förbränningskammaren i förväg. När motorn bygger tryck i förbränningskammaren sjunker syremassans flöde snabbt och upprätthåller sedan en relativt stadig förändring. Under förbränningsprocessen förblir trycket i förbränningskammaren relativt stabilt.
Bilder som visar en jämförelse av förbränningskammarens trycksvängningsfrekvens presenteras i figur 8. Pressa fluktsvängningspectrum av romanen tankar korn innehöll tre distinkt bästa, som var tillhörande med det hybrid- lågfrekvens, Helmholtz funktionsläge och den akustiska halv-vinkar i förbränningkammaren, respektive34. Placeringen av trycktopparna som motsvarar den nya bränslespaningen var i stort sett densamma som för de paraffinbaserade bränslena, vilket tyder på att det inte är troligt att en ny struktur kommer att införa ytterligare förbränningssvängningar. Dessutom kan det tydligt ses från den utjämnade kurvan att amplituden av dominerande lågfrekvent tryckoscillation förstärktes något av den nya strukturen. Därför, innan den faktiska tillämpningen av den nya bränslespann, ytterligare strukturell optimering behövs för att minska amplituden av tryck svängningar.
Figur 9 visar en jämförelse av regressionshastighet som en funktion av oxidationsmedel flux mellan nya bränslekorn och paraffin-baserade bränslekorn. Jämfört med traditionella HTPB-bränslen fördubblades regressionsgraden för paraffinbaserade bränslen ungefär. Trots det visade sig, vid samma oxidationsmedel massflödeshastighet, regressionshastigheten för den nya bränslespaningen vara högre än för det paraffinbaserade bränslet. Och klyftan mellan regressionsgraderna för två bränslen också gradvis ökat som oxidationsmedel flux ökade.
En bild där förbränningseffektivitet som baseras på den karakteristiska hastigheten jämförs i figur 10. Romanen tankar kornet ställde ut en higher (karakteristisk hastighet) än paraffin-baserade korn på olika oxidationsmedel/tankar förhållanden. På motsvarande sätt, underlättas av kapslade spiralformade struktur, den genomsnittliga förbränningseffektiviteten av den nya bränslespannmedel har ökats med ca 2% (±0,7%). På grund av det låga värmevärdet hos kommersiella ABS-material och de olika ekvivalensförhållanden, förbättringen av förbränningseffektiviteten väckts av romanen struktur var inte uppenbart.
Resultaten av bränningstester visade att regressionshastighetens prestanda för bränslesäden med en kapslad spiralformad struktur effektivt kunde förbättras32. Dessutom visar den nya strukturen också en stor potential i förbättring av förbränningseffektiviteten. Både talrika recirkulationszoner vid spåren mellan intilliggande skåpbilar och den spiralformade strukturen ökar turbulensen och virvelnumret i förbränningskammaren. Utbytet av materia och energi mellan bränslesäden och förbränningszonen ökas och därigenom förbättras förbränningsprestandan.
Figur 1: Förbränningsprocess som är involverad i hybridraket.
Blandnings- och förbränningsprocesserna av hybridraketen skiljer sig från antingen vätskor eller fasta ämnen. I hybrider sker blandning och förbränning inom området diffusionsförbränning som har samma längd som förbränningskammaren. Diffusionsförbränningsmodellens karaktär leder till en minskning av blandnings- och förbränningseffektivitetens grad, som varierar från 50% till 99% i praktiska tillämpningar27,35. Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.
Figur 2: Karakteristisk struktur av nya bränsle korn.
På grund av de olika regressionshastigheterna mellan två bränslen bildas och upprätthålls denna kapslade spiralformade struktur under förbränningsprocessen. Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.
Bild 3: Återcirkulationszon bildad.
När gas passerar genom spåren mellan intilliggande vaner bildas en återcirkulationszon. Störningarna intensifieras, och utbytet av materia och energi i förbränningskammaren har förstärkts. Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.
Figur 4: Strukturella bilder av nya bränsle korn.
(a) 3D-tryckning av ABS-substrat med en ytterdiameter på 70 mm, en innerdiameter på 30 mm, och en längd på 125 mm. (b) Kapslad spiralformad struktur av den nya bränslesäden, i vilken paraffinbaserat bränsle och ABS-blad bibehåller samma ursprungliga innerdiameter. (c) Bild av det formade bränslet. Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.
Bild 5: Experimentell uppställning.
Schematisk för hybridraketmotorn i laboratorieskala. Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.
Bild 6: LabVIEW mät- och kontrollprogramgränssnitt.
(a) Setup interface (b) auto-mode interface (c) manuellt läge gränssnitt (d) program som kör övervakning gränssnitt. Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.
Figur 7: Ändring av förbränningskammarens tryck och oxidationsmassflödeshastighet.
Under förbränningsprocessen förblir massflödet av oxidationsmedel och förbränningskammarens tryck relativt stabil. Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.
Figur 8: Jämförelse av förbränningskammarens trycksvängningsfrekvens.
Lågfrekvent svängning är hybridraketers dominerande förbränningssvängningssätt. Jämfört med paraffinbaserade bränslekorn har amplituden av dominerande svängning för bränslesäden med kapslad spiralstruktur ökat något. Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.
Figur 9: Jämförelse av regressionshastighet med oxidationsfluss.
Som flux av oxidationsmedel ökar, effekten av den nya strukturen på att öka regressionen takt blir mer betydande. Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.
Figur 10: Jämförelse av förbränningseffektivitet baserad på karakteristisk hastighet.
(a) Den genomsnittliga förbränningseffektiviteten för paraffinbaserad bränslespannskorn är 77 %. (b) Den genomsnittliga brinneffektiviteten för nya kärnor är 79%. Eftersom förbränningsvärmevärdet för det ABS-material som används är extremt lågt förbättras förbränningseffektiviteten något. Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Tekniken som presenteras i detta dokument är en ny metod med hjälp av en bränslekorn med en kapslad spiralformad struktur. Det finns inga svårigheter med att inrätta nödvändig utrustning och nödvändiga anläggningar. Den spiralformade strukturen kan enkelt produceras genom 3D-utskrift, och kapsling av paraffinbaserade bränslen kan enkelt utföras genom centrifugalgjutning. Smält deposition gjutning (FDM) 3D-skrivare är inte dyra och kostnaden för centrifuger är låg.
När den inre ytan av den formade bränslesäden befanns ha sprickor som inte kan ignoreras, höjdes uppvärmningstemperaturen i smältblandaren till 200 °C. Sedan användes de lågviskositetsegenskaperna hos det paraffinbaserade bränslet för att utföra en reparationsscällning för att fylla kärnorna i bränslesäden. Efter att säden var helt nedkyld, var det inre hålet polerat tills diametern var förenligt med den ursprungliga designen en.
Det finns flera kritiska steg i protokollet. I Steg 1.1.1.5, eftersom kontaktytan mellan ABS-substratet och utskriftsbordet är liten, deformeras botten av substratet lätt och kan glida under tryckprocessen, vilket i slutändan resulterar i tryckfel. Detta problem kan lindras kraftigt genom att öka kontaktytan på bottenytan. Det konstaterades att använda Raft med Kjol parameter fungerar bäst. Utfyllnadstätheten måste ställas in på 100 % för att minska tryckighetsdrummen i ABS-substratet och öka trycktätheten. I steg 1.1.1.8 kan dessutom en inställning av den uppvärmda bäddtemperaturen till 100 °C effektivt förhindra att ABS-substratet skeva.
I steg 1.1.2.2, baserat på den termiska deformationstemperaturen för ABS och den minimala smälttemperaturen för det paraffinbaserade bränslet, var uppvärmning av det konfigurerade paraffinbaserade bränslet till en temperatur på 120 °C bevisat genomförbart. Det är nödvändigt att förhindra att ABS-substratet deformeras när temperaturen är för hög. Samtidigt är det nödvändigt att undvika ofullständig smältning och blandning av det paraffinbaserade bränslet när temperaturen är för låg.
I steg 1.1.3, i syfte att förkorta gjutning tid, och för att undvika problemet att bränslet spannmål är lätt knäckt på grund av den överdrivna termisk stress som genereras under kylningsprocessen av en-shot gjutning processen, öka antalet hällor och effektiv kylning är nödvändiga för snabb och hög kvalitet gjutning av bränslet spannmål. Enligt den faktiska gjutning kvalitet och tillverkning erfarenhet, fyra eller fler hälla gånger krävs för storleken på bränslespann i detta arbete.
Det finns två begränsningar i denna teknik. En är att materialen är oförenliga. På grund av den termiska stress och gjutning fel, är den nya bränslekorn sannolikt har sprickor, defekter eller avfärgning under gjutningsprocessen. Genom att jämföra resultaten från eldningsproven mellan den spruckna bränslespannsan och den normala bränslespannsan konstaterades dock att den karakteristiska strukturen hos de två typerna av bränslekorn, vilket visas i figur 2, förblev i stort sett densamma efter förbränningen. Inga uppenbara fenomen av erosiv förbränning observerades på den inre ytan av bränslesäden. Eftersom de låga viskositetsegenskaperna hos det paraffinbaserade bränslet gör att det spontant fyller sprickorna under förbränningsprocessen, är denna nya bränslekorn inte känslig för sprickor.
För det andra, på grund av egenskaper hos centrifug, paraffinbaserade bränslen inte lättkylda i tid under bildandet av bränslesäden, vilket resulterar i delaminering. För att undvika en så stor inverkan på den radiella enhetligheten hos bränslespann, kan öka antalet hällningar övervinna denna svårighet.
Baserat på den strukturella optimering, föreslås en ny bränslespann med en kapslad spiralformad struktur. På grund av de olika regressionshastigheterna mellan de två materialen kan denna karakteristiska struktur finnas under hela förbränningsprocessen och ge prestandaförbättringar. Jämfört med paraffinbaserad bränslespann, visar denna nya struktur effektiv förbättring, inklusive den totala regressionshastigheten och förbränningseffektiviteten.
Den presenterade tekniken kan användas för att förbättra förbränningsprestandan hos traditionella bränslen som HTPB (hydroxyl-avslutade polybutadien), paraffinbaserat bränsle och karboxyl-avslutade polybutadien. Vi tror att denna teknik effektivt kan lösa det centrala problemet med låg regression takt som för närvarande begränsar utvecklingen av hybrid raketmotor. Dessutom visar denna teknik stor potential för att förbättra förbränningseffektiviteten. Ytterligare optimering av parametrar som bladstrukturen, antalet blad och bladtjockleken behövs för att maximera förbränningsprestandan.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har inget att avslöja.
Acknowledgments
Detta arbete stöddes av National Natural Science Foundation of China (Grant nos. 11802315, 11872368 och 11927803) och Equipment Pre-Research Foundation of National Defense Key Laboratory (Anslagsnr.614270190402).
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
- Boiron, A. J., Cantwell, B. 49th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. , (2013).
- Mazzetti, A., Merotto, L., Pinarello, G. Paraffin-based hybrid rocket engines applications: A review and a market perspective. Acta Astronautica. 126, 286-297 (2016).
- 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).
- Jens, E. T., Narsai, P., Cantwell, B., Hubbard, G. S. 50th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. , (2014).
- Kuo, K. K., Chiaverini, M. J. Fundamentals of Hybrid Rocket Combustion and Propulsion. , (2007).
- Boardman, T., et al. 33rd Joint Propulsion Conference and Exhibit. , (1997).
- 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).
- 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).
- Karakas, H., Kara, O., Ozkol, I., Karabeyoglu, A. M. AIAA Propulsion and Energy 2019 Forum. , (2019).
- 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).
- Leccese, G., Cavallini, E., Pizzarelli, M. AIAA Propulsion and Energy 2019 Forum. , (2019).
- 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).
- 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).
- Kumar, R., Ramakrishna, P. A. Effect of protrusion on the enhancement of regression rate. Aerospace Science and Technology. 39, 169-178 (2014).
- 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).
- Degges, M. J., et al. 49th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. , (2013).
- Connell, T., Young, G., Beckett, K., Gonzalez, D. R. AIAA Scitech 2019 Forum. , (2019).
- Whitmore, S., Peterson, Z., Eilers, S. 47th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. , (2011).
- Whitmore, S. A., Armstrong, I. W., Heiner, M. C., Martinez, C. J. 2018 Joint Propulsion Conference. , (2018).
- 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).
- Whitmore, S. A., Sobbi, M., Walker, S. 50th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. , (2014).
- 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).
- Creech, M., et al. 53rd AIAA Aerospace Sciences Meeting. , (2015).
- Lyne, J. E., et al. 2018 Joint Propulsion Conference. , (2018).
- Elliott, T. S., et al. 52nd AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. , (2016).
- Armold, D., et al. 49th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. , (2013).
- Armold, D. M., et al. 50th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. , (2014).
- Fuller, J., Ehrlich, D., Lu, P., Jansen, R., Hoffman, J. 47th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. , (2011).
- 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).
- 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).
- Hitt, M. A. 2018 Joint Propulsion Conference. , (2018).
- 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).
- McBride, J. B., Gordon, S. Computer Program for Calculation of Complex Chemical Equilibrium Compositions and APPlications. , (1996).
- De Zilwa, S., Zilliac, G., Karabeyoglu, A., Reinath, M. 39th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit. , (2003).
- 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).
