İç içe helisel yapıya sahip Yeni Bir Yakıt Tanesi Kullanarak Hibrit Roket Motorunun Yanma Performansını Artırma

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 motorları^1,2. Geleneksel yakıtların düşük regresyon oranı hibrid roket motoru için itme performansının iyileştirilmesi sınırlar^3,4. 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 noktaları^kullanımıgibi 6 , katkı maddeleri^{arttırıcı 7,8,9}, sıvılaştırıcı yakıt^10,11,12, 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 çekti^16,17. Üç boyutlu (3D) baskı gelişiyle hızlı ve ucuza ya karmaşık konvansiyonel tahıl tasarımları veya konvansiyonel olmayanyakıt taneleri^18,19,^20,21^{,22,23,24,25,26,27,28,29,30}üretmek 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 göstermiştir^31. 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·cm^2,32kütle 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.

Protocol

1. Deneysel kurulum ve prosedürler

1. 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.
   1. Substrat hazırlama
      1. 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.
      2. ABS alt tabakasının 3B yapısını STL dosyası olarak kaydedin.
      3. 3B dilimleme yazılımını açın ve ABS substratyapısını içeri aktarın.
      4. Dilimlemeye Başlat'ıtıklatın ve Ana Şablon'dan Hızlı yazdırma modunu seçin.
         NOT: Birincil Ekstruder için ABS 1.75 mmseçin.
      5. Çift tıklatma Hızı,dolgu yoğunluğunu 0'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.
      6. Kaydet ve Kapat'ıtıklatın ve ardından Dilim'itıklatın.
      7. 3B yazıcıyı açın ve ABS substrat dilimi dosyasını içeri aktarın.
      8. Isıtılan yatak ve meme sıcaklığını sırasıyla 100 ve 240 °C'ye ayarlayın.
      9. Sabitlemeden sonra yazdırmak için Başlat'ı tıklatın.
   2. Parafin bazlı yakıt hazırlama
      1. 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.
      2. 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.
   3. Yakıt tane üretimi
      NOT: Yanma performansını artırmanın etkisini daha iyi göstermek için, aynı bileşimdeki parafin bazlı yakıt taneleri kontrol olarak belirlenmiştir.
      1. ABS alt tabakasını santrifüjün içine yerleştirin ve bir uç kapağıyla sabitle.
      2. Gücü takın ve su soğutma pompası anahtarını açın.
      3. Santrifüj rölesini açın ve hızı 1400 rpm'ye yükseltin.
      4. 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.
      5. Yakıt tanesini çıkarın ve şekli kırpın.
   4. Yakıt taneölçümü ve kaydı
      1. Yakıt tanesinin ağırlığını, uzunluğunu ve iç çapını ölçün ve kaydedin.
      2. Tam yakıt tanesini fotoğraflayın.
2. 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.
   1. Hibrid roket motoru montajı
      NOT: Laboratuvar ölçekli hibrid roketin ayrıntılı detayları ve deneysel sistemin bileşimi önceki makalede bulunabilir³².
      1. Hibrit roket motorunun yanma odası bölümünü slayt rayına sabitle.
      2. Yakıt tanesini yükleyin ve yanma odası bölümünü kurun.
      3. Baş ve meme yükleyin.
      4. Meşale ateşleyiciyi hibrid roket motorunun kafasına töyorum.
      5. Bujiyi takın ve güç kaynağını bağlayın.
   2. Test tezgahı ile gaz silindiri arasındaki azot, oksitleyici, ateşleme metanı ve ateşleme oksijen gazı besleme hatlarını bağlayın.
   3. Endüstriyel bilgisayarı, çok fonksiyonlu veri toplama kartını, kütle akış denetleyicisini ve test tezgahının kontrol kutusunu bağlayın.
   4. Test tezgahındaki güç, kütle akış denetleyicisi ve ateşleyici.
3. Test sistemini kontrol edin ve deneysel koşulları ayarlayın.
   1. FlowDDE yazılımını açın ve İletişim'den İletişim ayarlarını tıklatın.
   2. Karşılık gelen bağlantı arabirimini tıklatın ve Tamam'ı tıklatın.
   3. Akış denetleyicisiyle iletişim kurmak ve ölçüm ve kontrol programını (MCP) açmak için İletişimi Aç'ı tıklatın.
   4. Çok işlevli veri toplama kartının G/Ç kanalını ayarlayın ve tüm sistemle iletişim kurmak için Çalıştır'ı tıklatın.
   5. 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.
   6. Buji sinin çalışma durumunu kontrol edin ve bir valf testi yapın.
   7. Veri kayıt işlevini test edin.
   8. 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.
   9. Güvenlik gerekliliklerini ve deneysel alandan temiz personeli ayarlayın.
   10. 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.
   11. Ayar arabirimini açın ve oksitleyici kütle akış hızını ayarlayın.
4. Hibrid roket motoru ateşleme
   1. Kamerayı aç.
   2. MCP'yi otomatik kontrol moduna ayarlayın ve tetikleyiciyi bekleyin.
   3. Denemeyi başlatmak için MCP'yi Başlat'ı tıklatın.
   4. Yaklaşık bir dakika sonra, MCP'yi Durdur'u tıklatın ve kamerayı kapatın.
   5. Gaz silindirini kapatın ve basıncı azaltmak için boru hattındaki vanayı açın.
   6. Test tezgahını kapatın ve yakıt tanesini çıkarın.
   7. Adımı 1.1.4'e tekrarlayın.

2. Yanma performansının analizi

1. Basınç salınımının analizi
   NOT: Kaydedilen yanma odası basınç verileri P_c(t) olarak temsil edilir.
   1. P_c(t)'yi veri işleme yazılımıyla açın.
   2. Hibrid roket motorunun yanma işlemi sırasında ki süreyi seçin.
   3. Basınç salınımını analiz etmek için Analiz > Sinyal İşleme > FFT'yi seçin.
   4. Varsayılan ayarları kullanın ve Tamam'ı tıklatın.
2. Regresyon oranının analizi
   1. 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;
   2. Oksidizer akı fonksiyonu olarak regresyon oranını uygun.
      NOT: Montaj işlevi Allometric1 olarak seçildi ve yinelemealgoritması Levenberg-Marquardt optimizasyon algoritması olarak seçildi.
3. Yanma verimliliğinin analizi
   1. Ortalama yanma odası basıncı P_c aşağıdaki fonksiyona göre hesaplayın:
      
      P_c(t) farklı zamanlarda yanma odası basıncını temsil eder; t₁ ve t_n, yanma odası basıncının ortalama basıncın sırasıyla P'sinden fazla olduğu ilk ve son zamanları temsil eder; n arasındaki basınç veri noktalarının sayısını temsil eder ve t₁ ve t_n.
   2. Aşağıdaki fonksiyona göre yanma karakteristik hızı C⃰ hesaplayın:
      
      P_c ortalama yanma odası basıncı olduğu yerde; A_t boğaz bölgesidir; mama toplam kütle akış hızıdır.
   3. NASA CEA kodu³³tarafından parafin yakıt C⃰_P teorik karakteristik hızını hesaplayın.

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 <...

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 mik...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
3D yazıcı	Raise3D	N2 Plus	305 & kez; 305 & kez; 605 mm
3D çizim yazılımı	Autodesk	Inventor
ABS	Raise3D	ABS siyah	1.75 mm
Kamera	Sony	A6000
Karbon	Aibeisi	ATP-88AT
Santrifüj makinesi	Luqiao Langbo Motor Co.Ltd	Özel	& le; 1450 rpm
Veri işleme yazılımı	OriginLab	Origin 2020
EVA	DuPont Company	360	bağlayıcı
Kütle akış kontrolörü	Bronkhost	F-203AV	0-1500 ln/dak
Eriyik karıştırıcı	Winzhou Chengyi Jixie Co.Ltd	Özel
Çok fonksiyonlu veri toplama kartı	NI	USB-6211
Parafin	Sinopec Grup Şirketi	58#	Tamamen rafine parafin, Erime noktası≈ 58° C
PE balmumu Katar	petrol kimya endüstrisi Şirketi	Özel
Dilimleme yazılımı	Raise3D	ideaMaker
Buji	NGK	PFR7S8EG
Stearik asit	ical Reaktif Şirketi	Özel	sertleştirici