Summary
Bir hibrid roket motoruyanma performansını artırmak için yeni bir iç içe sarmal yapısı ile katı yakıt tahıl kullanan bir teknik sunulmaktadır.
Abstract
Yeni bir yakıt tane yapısı kullanarak bir hibrid roket motoruyanma performansını artırmak için bir teknik sunulmaktadır. Bu teknik, komşu vanes arasındaki oluklarda oluşan girdap akışı ve sirkülasyon bölgeleri ile hem madde hem de enerji alışverişini artıran akrilonitril bütadien stiren ve parafin bazlı yakıtların farklı regresyon oranlarını kullanır. Santrifüj döküm tekniği üç boyutlu baskı ile yapılan bir akrilonitril butadiene stiren substrat içine parafin bazlı yakıt döküm için kullanılır. Oksijeni oksitleyici olarak kullanarak, yeni yakıt tanelerinin yanma performansını araştırmak için bir dizi test yapılmıştır. Parafin bazlı yakıt tanelerine kıyasla, yanma süreci boyunca muhafaza edilebilen iç içe bağlı sarmal yapıya sahip yakıt taneleri, regresyon oranında önemli bir iyileşme ve yanma veriminin iyileştirilmesinde büyük bir potansiyel göstermiştir.
Introduction
Bir hibrid roket motoru yanma performansını artırmak için bir teknik acilen gereklidir. Bugüne kadar, hibrid roket motorlarının pratik uygulamaları hala çok daha az bu katı ve sıvı roket motorları1,2. Geleneksel yakıtların düşük regresyon oranı hibrid roket motoru için itme performansının iyileştirilmesi sınırlar3,4. Buna ek olarak, yanma verimliliği, Şekil 1'degösterildiği gibi, içten difüzyon yanma5nedeniyle diğer kimyasal enerji roketleri biraz daha düşüktür. Çeşitli teknikler çalışılmış ve geliştirilmiş olmasına rağmen, çok bağlantı noktalarıkullanımıgibi 6 , katkı maddeleriarttırıcı 7,8,9, sıvılaştırıcı yakıt10,11,12, girdap enjeksiyon13, çıkıntılar14, ve blöf vücut15, Bu yaklaşımlar hacim kullanımı sorunları ile ilişkilidir, yanma verimliliği, mekanik performans, ve artıklık kalitesi. Şimdiye kadar, bu eksiklikleri yok yakıt tahıl, yapısal iyileştirme, yanma performansını artırmak için etkili bir araç olarak daha fazla dikkat çekti16,17. Üç boyutlu (3D) baskı gelişiyle hızlı ve ucuza ya karmaşık konvansiyonel tahıl tasarımları veya konvansiyonel olmayanyakıt taneleri18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30üretmek için yeteneği ile hibrid roket motorlarının performansını artırmak için etkili bir yol brough vardır . Ancak, yanma işlemi sırasında, yanma performansı ndaki bu gelişmeler karakteristik yapı yanma ile azalır, yanma performansı bir azalma ile sonuçlanan23. Biz yeni bir tasarım hibrid roket motorları performansını artırmada yararlı olduğunu göstermiştir31. Bu teknik ve temsil sonuçları için detay bu yazıda sunulmuştur.
Yakıt tanesi akrilonitril-bütadiene-stiren (ABS) ve iç içe parafin bazlı yakıt tarafından yapılan sarmal substrat oluşur. Santrifüj ve 3D baskıya bağlı olarak, farklı regresyon oranlarına sahip iki yakıtın avantajları birleştirildi. Yanma sonrası yakıt taneciğin özel sarmal yapısı Şekil 2'de gösterilmiştir. Gaz yakıt tanesinden geçtiğinde, bıçaklararasındaki oluklarda aynı anda çok sayıda sirkülasyon bölgesi oluşturulur ve bu şekil 3'te gösterilmiştir. İç yüzeydeki bu karakteristik yapı, yanma odasındaki türbülans kinetik enerjisini ve girdap sayısını arttırır ve yanma odasında hem madde hem de enerji alışverişini artırır. Sonuçta, yeni yakıt tahıl regresyon oranı etkili bir şekilde geliştirilmiştir. Regresyon oranını artırmanın etkisi iyi kanıtlanmıştır: özellikle, yeni yakıt tanesinin regresyon oranı nın 4 g/s·cm2,32kütle akısı ndaki parafin bazlı yakıttan %20 daha yüksek olduğu gösterilmiştir.
İç içe sarmal yapıya sahip yakıt tanelerinin bir avantajı da üretiminin basit olmasıdır. Kalıplama işlemi esas olarak bir erime karıştırıcı, bir santrifüj ve bir 3D yazıcı gerektirir. 3D baskının oluşturduğu ABS alt katmanı üretim maliyetini büyük ölçüde azaltır. Bir diğer önemli ve benzersiz avantajı da geliştirme efektinin yanma işlemi sırasında kaybolmamasıdır.
Bu kağıt, yeni yakıt tane yapısı kullanarak bir hibrid roket motoru yanma performansını artırmak için deneysel sistem ve prosedür sunuyor. Ayrıca, bu kağıt yanma odası basıncı salınım frekansı, regresyon oranı ve karakteristik hız ile karakterize yanma verimliliği de dahil olmak üzere tekniğin fizibilite kanıtlamak için yanma performans parametrelerinin üç temsili karşılaştırmalar sunar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Deneysel kurulum ve prosedürler
- Yakıt tanesinin hazırlanması
NOT: Yeni yapıya sahip yakıt taneleri Şekil 4'tegösterilen iki bölümden oluşuyordu. Roman tahılAna parçası olarak, parafin bazlı yakıt toplam kitlenin% 80'den fazlasını oluşturmaktadır. ABS substratı ek yakıt olarak kullanılır. Bu yakıt tanesinin hazırlanması 3D baskı ve santrifüj döküm birleştirilerek gerçekleştirildi.- Substrat hazırlama
- ABS substrat çizimi için 3D yazılım açın.
NOT: Parafin bazlı yakıt için sarmal çerçeve ve destek sağlamayı amaçlayan ABS substratı, eksenel yönde ve duvarda saat yönünde 360° dönen on iki entegre bıçaktan oluşur. - ABS alt tabakasının 3B yapısını STL dosyası olarak kaydedin.
- 3B dilimleme yazılımını açın ve ABS substratyapısını içeri aktarın.
- Dilimlemeye Başlat'ıtıklatın ve Ana Şablon'dan Hızlı yazdırma modunu seçin.
NOT: Birincil Ekstruder için ABS 1.75 mmseçin. - Çift tıklatma Hızı,dolgu yoğunluğunu %100'e değiştirin ve Platform Eklemesiiçin Etekli Raft'ı seçin.
NOT: Baskı kalitesini artırmak ve çözgüden korunmak için, baskı gövdesi ile alt plaka arasındaki temas alanını artırmak için baskı tabanının(Etekli Sal)bir yapısının kullanılması gerekmektedir. - Kaydet ve Kapat'ıtıklatın ve ardından Dilim'itıklatın.
- 3B yazıcıyı açın ve ABS substrat dilimi dosyasını içeri aktarın.
- Isıtılan yatak ve meme sıcaklığını sırasıyla 100 ve 240 °C'ye ayarlayın.
- Sabitlemeden sonra yazdırmak için Başlat'ı tıklatın.
- ABS substrat çizimi için 3D yazılım açın.
- Parafin bazlı yakıt hazırlama
- Parafin, polietilen (PE) balmumu, stearik asit, etilen-vinil asetat (EVA) ve karbon tozu hammaddeleri hazırlayın. Parafin bazlı yakıtı bu bileşenlerin oranına göre 0.58:0.2:0.1:0.1:0.02 olarak yapılandırın.
NOT: Her hammaddenin özel bilgileri malzeme tablosunda gösterilmiştir. Parafin bazlı yakıtın dağıtım oranı sabit değildir ve deneyin amacına göre uygun şekilde ayarlanabilir. Karbon tozu eklemenin amacı radyant ısı transferini engellemek ve yanma sırasında yakıt tanelerinin yumuşamasını ve çökmesini önlemektir. - Yapılandırılan hammaddeleri eritme mikserinin içine yerleştirin ve tamamen eriyin ve tamamen karışıncaya kadar karıştırın.
NOT: Parafin bazlı yakıt, ABS kanatlarının deformasyonunu önlerken tam erimeyi sağlamak için 120 °C'ye ısıtılır.
- Parafin, polietilen (PE) balmumu, stearik asit, etilen-vinil asetat (EVA) ve karbon tozu hammaddeleri hazırlayın. Parafin bazlı yakıtı bu bileşenlerin oranına göre 0.58:0.2:0.1:0.1:0.02 olarak yapılandırın.
- Yakıt tane üretimi
NOT: Yanma performansını artırmanın etkisini daha iyi göstermek için, aynı bileşimdeki parafin bazlı yakıt taneleri kontrol olarak belirlenmiştir.- ABS alt tabakasını santrifüjün içine yerleştirin ve bir uç kapağıyla sabitle.
- Gücü takın ve su soğutma pompası anahtarını açın.
- Santrifüj rölesini açın ve hızı 1400 rpm'ye yükseltin.
- Erime mikserinin vanasını açın ve döküme başlayın.
NOT: Erimiş parafin bazlı yakıt, kalıp tan ana bölümüne boru dan ve uç kapaktan merkezi bir açıklıkla akar. Yerçekimi etkisi altında, sıvı yakıt kalıbın eksenel yönü boyunca yayılır. Etkili soğutma ile birlikte, birden çok kez orijinal bir kerelik dolum süreci bölmek için bir çoklu döküm yöntemi, termal stresi azaltmak için gereklidir. - Yakıt tanesini çıkarın ve şekli kırpın.
- Yakıt taneölçümü ve kaydı
- Yakıt tanesinin ağırlığını, uzunluğunu ve iç çapını ölçün ve kaydedin.
- Tam yakıt tanesini fotoğraflayın.
- Substrat hazırlama
- Hibrid roket motor sisteminin hazırlanması
NOT: Şekil 5'tegösterildiği gibi hibrid roket motor sistemi dört bölümden oluşuyordu: besleme sistemi, ateşleme sistemi, motor ve ölçüm ve kontrol sistemi. Motor kısmı beş bölümden olenmiştir: meşale ateşleyici, baş, yanma odası, yanma sonrası oda ve meme. Hibrid roket motorunun toplam uzunluğu yaklaşık 300 mm, yanma odasının iç çapı ise 70 mm'dir.- Hibrid roket motoru montajı
NOT: Laboratuvar ölçekli hibrid roketin ayrıntılı detayları ve deneysel sistemin bileşimi önceki makalede bulunabilir32.- Hibrit roket motorunun yanma odası bölümünü slayt rayına sabitle.
- Yakıt tanesini yükleyin ve yanma odası bölümünü kurun.
- Baş ve meme yükleyin.
- Meşale ateşleyiciyi hibrid roket motorunun kafasına töyorum.
- Bujiyi takın ve güç kaynağını bağlayın.
- Test tezgahı ile gaz silindiri arasındaki azot, oksitleyici, ateşleme metanı ve ateşleme oksijen gazı besleme hatlarını bağlayın.
- Endüstriyel bilgisayarı, çok fonksiyonlu veri toplama kartını, kütle akış denetleyicisini ve test tezgahının kontrol kutusunu bağlayın.
- Test tezgahındaki güç, kütle akış denetleyicisi ve ateşleyici.
- Hibrid roket motoru montajı
- Test sistemini kontrol edin ve deneysel koşulları ayarlayın.
- FlowDDE yazılımını açın ve İletişim'den İletişim ayarlarını tıklatın.
- Karşılık gelen bağlantı arabirimini tıklatın ve Tamam'ı tıklatın.
- Akış denetleyicisiyle iletişim kurmak ve ölçüm ve kontrol programını (MCP) açmak için İletişimi Aç'ı tıklatın.
- Çok işlevli veri toplama kartının G/Ç kanalını ayarlayın ve tüm sistemle iletişim kurmak için Çalıştır'ı tıklatın.
- MCP çalışma durumunu kontrol edin ve manuel kontrol moduna ayarlayın.
NOT: MCP iki mod içerir: el-el-kontrol hata ayıklama için kullanılır ve otomatik kontrol deneyler sırasında kullanılır. LabVIEW tarafından yazılan MCP Şekil 6'dagösterilmiştir. - Buji sinin çalışma durumunu kontrol edin ve bir valf testi yapın.
- Veri kayıt işlevini test edin.
- Ayar arabirimini açın ve valf açma ve kapatma süresi, ateşleme süresi ve veri kayıt süresi dahil olmak üzere test süresini ayarlayın.
NOT: Kütle akış denetleyicisinin oksitleyici akımı ayarlanan değere düzenlemesi biraz zaman alır, bu nedenle ateşleme süresi oksitleyicinin tedarikinden sonra 2 s olarak ayarlanmıştır. - Güvenlik gerekliliklerini ve deneysel alandan temiz personeli ayarlayın.
- Silindir valfini açın ve düzenleyici valfin çıkış basıncını farklı kütle akış hızı koşullarına göre ayarlayın.
NOT: 6MPa besleme basıncı ile oksitleyicinin kütle akış hızı 7 g/s ile 29 g/s arasındadır. - Ayar arabirimini açın ve oksitleyici kütle akış hızını ayarlayın.
- Hibrid roket motoru ateşleme
- Kamerayı aç.
- MCP'yi otomatik kontrol moduna ayarlayın ve tetikleyiciyi bekleyin.
- Denemeyi başlatmak için MCP'yi Başlat'ı tıklatın.
- Yaklaşık bir dakika sonra, MCP'yi Durdur'u tıklatın ve kamerayı kapatın.
- Gaz silindirini kapatın ve basıncı azaltmak için boru hattındaki vanayı açın.
- Test tezgahını kapatın ve yakıt tanesini çıkarın.
- Adımı 1.1.4'e tekrarlayın.
2. Yanma performansının analizi
- Basınç salınımının analizi
NOT: Kaydedilen yanma odası basınç verileri Pc(t) olarak temsil edilir.- Pc(t)'yi veri işleme yazılımıyla açın.
- Hibrid roket motorunun yanma işlemi sırasında ki süreyi seçin.
- Basınç salınımını analiz etmek için Analiz > Sinyal İşleme > FFT'yi seçin.
- Varsayılan ayarları kullanın ve Tamam'ı tıklatın.
- Regresyon oranının analizi
- Yakıt tanelerinin regresyon oranını aşağıdaki fonksiyona göre hesaplayın:
ΔD'nin ateşleme testinden sonra katı yakıt tanesinin ortalama iç çaplarının değişimini temsil ettiği durumlarda;
yakıt tanesinin kalite değişimini temsil; L, yakıt tanesinin uzunluğudur; ρ katı yakıtın ortalama yoğunluğudur; t çalışma zamanıdır.
NOT: Roman tanesinin ortalama yoğunluğu şu şekilde ifade edilebilmelidir:
sırasıyla iç içe parafin bazlı yakıt ve ABS malzemesinin yoğunluğunu 
temsil eder; 
- Oksidizer akı fonksiyonu olarak regresyon oranını uygun.
NOT: Montaj işlevi Allometric1 olarak seçildi
ve yinelemealgoritması Levenberg-Marquardt optimizasyon algoritması olarak seçildi.
- Yakıt tanelerinin regresyon oranını aşağıdaki fonksiyona göre hesaplayın:
- Yanma verimliliğinin analizi
- Ortalama yanma odası basıncı Pc aşağıdaki fonksiyona göre hesaplayın:
Pc(t) farklı zamanlarda yanma odası basıncını temsil eder; t1 ve tn, yanma odası basıncının ortalama basıncın sırasıyla %50'sinden fazla olduğu ilk ve son zamanları temsil eder; n arasındaki basınç veri noktalarının sayısını temsil eder ve t1 ve tn. - Aşağıdaki fonksiyona göre yanma karakteristik hızı C⃰ hesaplayın:
Pc ortalama yanma odası basıncı olduğu yerde; At boğaz bölgesidir; mama toplam kütle akış hızıdır. - NASA CEA kodu33tarafından parafin yakıt C⃰P teorik karakteristik hızını hesaplayın.
- Ortalama yanma odası basıncı Pc aşağıdaki fonksiyona göre hesaplayın:
yakıt tanesinin kalite değişimini temsil; L, yakıt tanesinin uzunluğudur; ρ katı yakıtın ortalama yoğunluğudur; t çalışma zamanıdır.
sırasıyla iç içe parafin bazlı yakıt ve ABS malzemesinin yoğunluğunu 
temsil eder; 
ve yinelemealgoritması Levenberg-Marquardt optimizasyon algoritması olarak seçildi.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Şekil 7 yanma odası basıncı ve oksitleyici kütle akış hızındaki değişiklikleri göstermektedir. Akış düzenlemesi için gerekli zamanı sağlamak için, oksitleyici yanma odasına önceden girer. Motor yanma odasında basınç oluşturduğunda, oksijen kütle akış hızı hızla düşer ve daha sonra nispeten sabit bir değişim korur. Yanma işlemi sırasında, yanma odasındabasınç nispeten istikrarlı kalır.
Yanma odası basınç salınım frekansının karşılaştırılmasını gösteren görüntüler Şekil 8'devealtındadır. Yeni yakıt tanebasınç dalgalanma spektrumu hibrid düşük frekans, Helmholtz modu ve yanma odasında akustik yarım dalga ile ilişkili üç farklı zirveleri, sırasıyla34içeriyordu. Yeni yakıt tanesine karşılık gelen basınç zirvelerinin konumu temelde parafin bazlı yakıtlarla aynıdır, bu da yeni yapının ek yanma salınımları getirme olasılığının düşük olduğunu gösterir. Ayrıca, düzleştirilmiş eğriden, baskın düşük frekanslı basınç salınımının genliği yeni yapı tarafından biraz daha fazla büyütüldi açıkça görülebilir. Bu nedenle, yeni yakıt tanelerinin gerçek uygulamadan önce, basınç salınımlarının genliğini azaltmak için daha fazla yapısal optimizasyon gereklidir.
Şekil 9, yeni yakıt taneleri ile parafin bazlı yakıt taneleri arasında oksitleyici akı fonksiyonu olarak regresyon oranının karşılaştırılmasını göstermektedir. Geleneksel HTPB yakıtları ile karşılaştırıldığında, parafin bazlı yakıtların regresyon oranı yaklaşık iki katına çıkarıldı. Bununla birlikte, aynı oksitleyici kütle akış hızında, yeni yakıt tanelerinin regresyon hızının parafin bazlı yakıttan daha yüksek olduğu gösterilmiştir. Ve iki yakıtın regresyon oranları arasındaki uçurum da oksitleyici akı arttıkça yavaş yavaş genişledi.
Karakteristik hıza göre yanma verimliliğini karşılaştıran bir görüntü Şekil 10'da sunulmuştur. Yeni yakıt tanesi, çeşitli oksitleyici/yakıt oranlarında parafin bazlı tanelerden daha yüksek (karakteristik hız) sergilenmiştir. Buna karşılık, iç içe sarmal yapısı tarafından kolaylaştırılan, yeni yakıt tahıl ortalama yanma verimliliği yaklaşık% 2 (%±0,7) artmıştır. Ticari ABS malzemelerinin düşük kalorifik değeri ve farklı eşdeğerlik oranları nedeniyle, yeni yapının getirdiği yanma veriminin iyileştirilmesi belirgin değildi.
Ateşleme testlerinin sonuçları, iç içe gelişmiş bir sarmal yapıya sahip yakıt tanesi için regresyon oranının etkin bir şekilde artırılabileceğini göstermiştir32. Ayrıca, yeni yapısı da yanma verimliliğinin iyileştirilmesi nde büyük bir potansiyel gösterir. Bitişik vanlar ve sarmal yapı arasındaki oluklarda çok sayıda sirkülasyon bölgeleri yanma odasında türbülans ve girdap sayısını artırır. Yakıt tanesi ile yanma bölgesi arasındaki madde ve enerji alışverişi artırılarak yanma performansı artırılır.
Şekil 1: Melez rokette yer alan yanma işlemi.
Hibrit roketin karıştırma ve yanma işlemleri sıvı lardan veya katılardan farklıdır. Melezlerde, yanma ve yanma yanma, yanma odası ile aynı uzunluğa sahip difüzyon yanma alanında meydana gelir. Difüzyon yanma modelinin doğası pratik uygulamalarda% 50 ila% 99 arasında değişen karıştırma ve yanma verimliliği, derecesinde bir azalmaya yol açar27,35. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: Yeni yakıt tanelerinin karakteristik yapısı.
İki yakıt arasındaki farklı regresyon oranları sayesinde, bu iç içe geçen sarmal yapı yanma işlemi sırasında oluşur ve korunur. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: Sirkülasyon bölgesi oluşmuştur.
Gaz bitişik vanes arasındaki oluklar geçer, bir sirkülasyon bölgesi oluşur. Rahatsızlık yoğunlaştırıldı ve yanma odasındaki madde ve enerji alışverişi artırıldı. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 4: Yeni yakıt tanelerinin yapısal görüntüleri.
(a) Dış çapı 70 mm, iç çapı 30 mm ve 125 mm.(b)Parafin bazlı yakıt ve ABS bıçaklarının aynı iç çapı koruduğu yeni yakıt tanesinin iç içe bağlı sarmal yapısıile ABS substratının 3Boyutlu baskısı. (c) Şekilli yakıtın görüntüsü. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 5: Deneysel kurulum.
Laboratuvar ölçekli hibrid roket motoruşeması. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 6: LabVIEW ölçüm ve kontrol programı arabirimi.
(a) Kurulum arabirimi (b) otomatik mod arabirimi (c) manuel mod arabirimi (d) izleme arabirimi çalıştıran program. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 7: Yanma odası basıncı ve oksitleyici kütle akış hızının değişimi.
Yanma işlemi sırasında, oksitleyici ve yanma odası basıncının kütle akış hızı nispeten sabit kalır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 8: Yanma odası basınç salınım frekansının karşılaştırılması.
Düşük frekanslı salınım hibrid roketlerin baskın yanma salınım modudur. Parafin bazlı yakıt taneleri ile karşılaştırıldığında, iç içe geçmiş sarmal yapıya sahip yakıt taneleri için baskın salınım genliği biraz artmıştır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 9: Regresyon hızının oksitleyici akı ile karşılaştırılması.
Oksitleyicinin akışı arttıkça, yeni yapının regresyon oranını artırmaya etkisi daha da belirginleşir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 10: Karakteristik hıza göre yanma veriminin karşılaştırılması.
(a)Parafin bazlı yakıt tanesinin ortalama yanma verimi %77'dir. (b) Yeni taneciklerin ortalama yanma verimi %79'dur. Kullanılan ABS malzemenin yanma kalorifik değeri son derece düşük olduğundan, yanma verimliliği biraz artırılır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Bu yazıda sunulan teknik, iç içe bağlı sarmal yapılı bir yakıt tanesi kullanılarak yeni bir yaklaşımdır. Gerekli ekipman ve tesislerin kurulmasında herhangi bir güçlük yoktur. Sarmal yapı 3D baskı ile kolayca üretilebilir ve parafin bazlı yakıtların iç içe geçmeleri santrifüj döküm ile kolayca yapılabilir. Erimiş biriktirme kalıplama (FDM) 3D yazıcılar pahalı değildir ve santrifüjmaliyeti düşüktür.
Şekilli yakıt taneciliğinin iç yüzeyinde göz ardı edilemeyecek çatlaklar bulunduğunda, erime mikserindeki ısıtma sıcaklığı 200 °C'ye yükseltildi. Daha sonra, parafin bazlı yakıtın düşük viskozite özellikleri yakıt tanesinin boşluklarını doldurmak için bir onarım dökümü gerçekleştirmek için kullanılmıştır. Tane tamamen soğutulduktan sonra, çapı orijinal tasarım ile tutarlı olana kadar iç delik cilalı oldu.
Protokolde birkaç kritik adım vardır. Adım 1.1.1.5'te, ABS alt katmanı ile yazdırma tablosu arasındaki temas alanı küçük olduğundan, alt tabakanın alt kısmı kolayca deforme olabilir ve yazdırma işlemi sırasında kayar ve sonuçta yazdırma hatasına neden olabilir. Bu sorun büyük ölçüde alt yüzeyintemas alanı artırArak hafifletilebilir. Etek parametresi ile Raft kullanarak en iyi çalıştığı bulunmuştur. ABS substratındaki baskı boşluklarını azaltmak ve baskı yoğunluğunu artırmak için dolgu yoğunluğu %100'e ayarlanmalıdır. Buna ek olarak, Adım 1.1.1.8'de, ısıtılan yatak sıcaklığının 100 °C'ye ayarlanması ABS substratı'nın bükülmesini etkili bir şekilde önleyebilir.
Adım 1.1.2.2'de, ABS'nin termal deformasyon sıcaklığına ve parafin bazlı yakıtın minimum erime sıcaklığına dayanarak, yapılandırılmış parafin bazlı yakıtın 120 °C sıcaklığa ısıtılması nın mümkün olduğu kanıtlanmıştır. Sıcaklık çok yüksek olduğunda ABS substratı deforme önlemek için gereklidir. Aynı zamanda, sıcaklık çok düşük olduğunda parafin bazlı yakıtın eksik erimesini ve karıştırılmasını önlemek gerekir.
Adım 1.1.3'te, kalıplama süresini kısaltmak ve tek atışlık kalıplama işleminin soğuma sürecinde oluşan aşırı termal stres nedeniyle yakıt tanelerinin kolayca çatlamasına neden olan problemi önlemek için, yakıt tanelerinin hızlı ve yüksek kaliteli dökümü için döküm ve etkili soğutma nın artırılması gereklidir. Gerçek kalıplama kalitesi ve üretim deneyimine göre, bu çalışmada yakıt tanelerinin büyüklüğü için dört veya daha fazla döküm zaman gereklidir.
Bu tekniğin iki sınırlaması vardır. Birincisi, malzemeler uyumsuz. Termal stres ve döküm hataları nedeniyle, yeni yakıt taneleri döküm işlemi sırasında çatlaklar, kusurlar veya debonding olması muhtemeldir. Ancak, çatlak yakıt tanesi ile normal yakıt taneleri arasındaki ateşleme testlerinin sonuçları karşılaştırılarak, Şekil 2'degösterilen iki çeşit yakıt tanelerinin karakteristik yapısının yanma sonrası temelde aynı kaldığı bulunmuştur. Yakıt tanesinin iç yüzeyinde belirgin bir erozyon yanma olgusu gözlenmedi. Parafin bazlı yakıtın düşük viskozite özellikleri yanma işlemi sırasında çatlakları kendiliğinden doldurmasını sağlayacağından, bu yeni yakıt tanesi çatlaklara karşı duyarlı değildir.
İkinci olarak, santrifüj özellikleri nedeniyle, parafin bazlı yakıtlar yakıt tanelerinin oluşumu sırasında zaman içinde kolayca soğutulamaz ve delaminasyon alabilme ile sonuçlanır. Yakıt tanesinin radyal tekdüzeliği üzerinde bu kadar büyük bir etkiyi önlemek için, dökülme sayısını artırmak bu zorluğun üstesinden gelebilir.
Yapısal optimizasyona dayanarak, iç içe sarmal yapıya sahip yeni bir yakıt tanesi önerilmektedir. İki malzeme arasındaki farklı regresyon oranları nedeniyle, bu karakteristik yapı tüm yanma işlemi boyunca var olabilir ve performans geliştirmeleri sağlar. Parafin bazlı yakıt tanesi ile karşılaştırıldığında, bu yeni yapı genel regresyon oranı ve yanma verimliliği de dahil olmak üzere etkili bir iyileşme gösterir.
Sunulan teknik HTPB (hidroksil-sonlandırılan polibütadien), parafin bazlı yakıt ve karboksil sonlandırılmış polibütadien gibi geleneksel yakıtların yanma performansını artırmak için kullanılabilir. Bu tekniğin, şu anda hibrit roket motorunun gelişimini kısıtlayan düşük regresyon oranı sorununu etkili bir şekilde çözebileceğine inanıyoruz. Buna ek olarak, bu teknik yanma verimliliğini artırmak için büyük bir potansiyel gösterir. Yanma performansını en üst düzeye çıkarmak için bıçak yapısı, bıçak sayısı ve bıçak kalınlığı gibi parametrelerin daha fazla optimizasyonu gereklidir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.
Acknowledgments
Bu çalışma Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı (Grant Nos. 11802315, 11872368 ve 11927803) ve Ekipman Ön Araştırma Vakfı Ulusal Savunma Anahtar Laboratuvarı (Grant No. 6142701190402) tarafından desteklenmiştir.
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).
