İç içe helisel yapıya sahip Yeni Bir Yakıt Tanesi Kullanarak Hibrit Roket Motorunun Yanma Performansını Artırma
18 Ocak 2021
Bir hibrid roket motoruyanma performansını artırmak için yeni bir iç içe sarmal yapısı ile katı yakıt tahıl kullanan bir teknik sunulmaktadır.
Bu yöntem, taneciklerin yanma performansını nasıl artırılabildiği sorusunun yanıtlatılabilir. Bu protokolün en önemli avantajları, sarmal yapı yakıt tanelerinin yanma işlemiyle birlikte kaybolmamasıdır. Bu yöntem, EBS ve PUX gibi farklı malzeme derlemeleri ile tane formülüne de uygulanabilir.
3D yazılım kullanarak akrilonitril bütadien stiren veya ABS substratı hazırlayarak başlayın. 3B substrat yapısını STL dosyası olarak kaydedin. Sonra 3D dilimleme yazılımı açın ve yapıyı içe aktarın.
Ana şablondan dilimlemeye başlat'ı tıklatın ve hızlı yazdırma modunu seçin. Çift tıklama hızı. Daha sonra dolgu yoğunluğunu %100'e değiştirin ve platform sürümü için etekli sal seçin.
Kaydet ve kapat'ı tıklatın ve ardından dilim'i tıklatın. 3B yazıcıyı açın ve ABS substratı dilim dosyasını içeri aktarın. Isıtılan yatak ve meme sıcaklığını sırasıyla 100 ve 240 santigrat dereceye ayarlayın.
Stabilizasyondan sonra yazdırmaya başlat'ı tıklatın. Başarılı baskı sağlamak için, ABS substratı ile sıcak plaka arasındaki yapışmayı artırmak için sıcak plakaya katı tutkal uygulayın. Parafin bazlı yakıt hazırlama için parafin, polietilen balmumu, sterik asit, etilen vinil asetat ve karbon tozu hammaddelerini hazırlayın.
Parafin bazlı yakıtı el yazması talimatlara göre yapılandırın ve yapılandırılan malzemeleri erime karıştırıcısına yerleştirin. Sonra eritin ve tamamen karışık kadar karıştırın. ABS substratını santrifüjün içine yerleştirin ve bir uç kapağıyla sabitle.
Tozu takın ve su soğutma pompası anahtarını açın. Sonra santrifüj röleaçın ve 1, 400 RPM hızını artırmak. Erime mikserinin vanasını açın ve döküme başlayın.
Yakıt tanesini çıkarın ve şekli kırpın. Tam yakıt tanesinin ağırlığını, uzunluğunu ve iç çapını ölçün ve kaydedin ve fotoğrafını çekin. Hibrid roket motorlarını monte etmek için, slayt rayındaki yanma odası bölümünü düzeltin, yakıt tanesini yükleyin ve yanma sonrası bölme bölümünü kurun.
Baş ve meme yükleyin. Sonra hibrid roket motorunun kafasına meşale ateşleyici yükleyin. 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.
FlowDDE yazılımını açın ve iletişim ayarlarına tıklayın. Karşılık gelen bağlantı arabirimini tıklatın ve tamam'ı tıklatın. Akış denetleyicisi ile iletişim kurmak için açık iletişimi tıklatın.
Ardından ölçüm ve kontrol programını veya MCP'yi açın. Çok işlevli veri toplama kartının giriş ve çıkış kanalını ayarlayın ve tüm sistemle iletişim kurmak için çalıştır'ı tıklatın. MCP çalışma durumunu kontrol edin ve manuel kontrol moduna ayarlayın.
Buji sinin çalışma durumunu kontrol edin ve bir valf testi yapın. Veri kayıt işlevini test edin. Ardından, ayar arabirimini açın ve valf açma ve kapatma süresi, ateşleme süresi ve veri kayıt süresi dahil olmak üzere test süresini ayarlayın.
Güvenlik gerekliliklerini ve deneysel alandan temiz personeli ayarlayın. Silindir valfini açın ve düzenleyici valfin çıkış basıncını farklı kütle akış hızı koşullarına göre ayarlayın. Ayar arabirimini açın ve oksitleyici kütle akış hızını ayarlayın.
Kamerayı açın, ardından MCP'yi otomatik kontrol moduna ayarlayın ve tetikleyiciyi bekleyin. Denemeyi başlatmak için MCP'ye tıklayın. Yaklaşık bir dakika sonra, dur'a tıklayın ve kamerayı kapatın.
Gaz silindirini kapatın ve basıncı azaltmak için boru hattındaki vanayı açın. Test tezgahını kapatın ve yakıt tanesini çıkarın. Yakıt tanesini daha önce gösterildiği gibi ölçün ve fotoğrafla.
Yanma odası basıncındaki ve oksitleyici kütle akış hızındaki değişiklikler burada gösterilmiştir. 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 odasındaki basınç sabit kalır. Yanma odası basınç salınım frekansı karşılaştırması burada sunulmuştur. Yeni yakıt tanesinin basınç dalgalanma spektrumu, hibrid düşük frekanslı Helmholtz modu ve yanma odasındaki akustik yarım dalga ile ilişkili üç farklı zirve içeriyordu.
Yeni yakıt tanesinin basınç zirvelerinin konumları temelde parafin bazlı yakıtlarla aynıydı, bu da yeni yapının ek yanma salınımları getirme olasılığının düşük olduğunu gösteriyor. Oksidizer akısının bir fonksiyonu olarak regresyon hızı yakıt taneleri arasında karşılaştırıldı. Aynı oksitleyici kütle akış hızında, yeni yakıt tanelerinin regresyon hızı parafin bazlı yakıttan daha yüksekti ve oksidatif akısı arttıkça boşluk giderek genişledi.
Karakteristik hız yanma verimliliğini karşılaştırmak için kullanılmıştır. Yeni yakıt tanesi, çeşitli oksitleyici ve yakıt oranlarında parafin bazlı tanelerden daha yüksek bir karakteristik hız sergiledi. Bu, bu protokolü denerken yanma veriminin ortalama %2'sine karşılık gelir, parafin bazlı yakıtın döküm sıcaklığının 120 santigrat dereceden yüksek olamayacağını unutmayın.
Tam transkripti görüntüleyin ve binlerce bilimsel videoya erişin
Genel Bakış
Bu makale, hibrit roket motorlarının yanma performansını artırmak için yuvalı sarmal yapıya sahip katı yakıt tanesi kullanan yeni bir teknik sunmaktadır. Sarmal yapı, yakıt taneliğinin yanma süreci boyunca bütünlüğünü korumasını sağlar.
Çalışmanın Temel Bileşenleri
Bilim Alanı
- Yanma performansı
- Hibrit roket motorları
- Yakıt tanesi tasarımı
Arka Plan
- Yanma verimliliğini artırmak, hibrit roket motorları için kritik öneme sahiptir.
- Geleneksel yakıt taneliği yanma sırasında bozulabilir.
- Yeni yapılar potansiyel olarak performansı artırabilir.
- Yakıt taneliği için farklı malzeme derlemeleri araştırılabilir.
Çalışmanın Amacı
- Yanma performansını iyileştiren bir yakıt tanesi tasarımı geliştirmek.
- Yanma sırasında sarmal yapılı yakıt taneliğinin dayanıklılığını araştırmak.
- Bu yöntemin çeşitli malzeme bileşimlerine uygulanabilirliğini değerlendirmek.
Kullanılan Yöntemler
- 3D yazılım kullanarak akrilonitril bütadien stiren (ABS) substratının hazırlanması.
- 3D substrat yapısının STL dosyası olarak kaydedilmesi.
- Yapının 3D dilimleme yazılımına aktarılması.
- Performansı değerlendirmek için yanma testleri yapılması.
Ana Sonuçlar
- Sarmal yapılı yakıt taneliği yanma performansını artırmıştır.
- Yakıt taneliği yanma süreci boyunca yapısını korudu.
- Yöntem farklı malzeme formülasyonları için uyarlanabilir.
Sonuçlar
- Yeni sarmal yapı, hibrit roket motorlarının yanma verimliliğini artırır.
- Bu yaklaşım, gelecekteki yakıt tanesi tasarımları için umut verici bir yoldur.
- Daha fazla araştırma, optimizasyon için ek malzeme bileşimlerini araştırabilir.
Sıkça Sorulan Sorular
Executive Industry Relevance
This work presents a fuel grain design strategy for hybrid rocket propulsion systems, focusing on structural integrity and combustion efficiency. The nested helical structure enables sustained performance by resisting degradation during operation, offering a pathway to more predictable thrust profiles. Such innovations support de-risking in propulsion development by improving regression rate control and energy release consistency.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of material-property relationships under reactive conditions.
- Operational Value: Provides a reproducible platform for testing fuel-oxidizer interactions.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Facilitates standardized evaluation of regression rate as a function of oxidizer flux.
- Operational Value: Supports scalable preparation via centrifugal casting and 3D-printed substrates.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Offers a testbed for assessing combustion stability through pressure oscillation analysis.
- Operational Value: Enables iterative design refinement based on characteristic velocity and efficiency metrics.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into propulsion R&D workflows by linking fuel grain fabrication to performance testing, enabling data-driven design iterations. It supports early-stage screening of material combinations and structural geometries before full-scale testing.
- Discovery Biology: Not applicable; focused on material combustion behavior.
- Screening: Enables quantitative comparison of regression rates across oxidizer flux conditions.
- Analytics: Utilizes characteristic velocity and pressure spectra to assess combustion efficiency and stability.
- Translational Research: Supports continuity from lab-scale grain testing to engine-level performance prediction.
- Enterprise Reuse: The ABS substrate and casting process can be adapted for multiple fuel formulations.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Improves predictive confidence in fuel grain performance through structural persistence.
- Operational Value: Enhances reproducibility via standardized 3D printing and centrifugal casting.
- Strategic Value: Enables better go/no-go decisions by linking grain design to measurable combustion outcomes.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of propulsion concepts based on efficiency gains.
Implementation Considerations
- Requires expertise in 3D modeling, slicing, and printer operation for substrate fabrication.
- Needs centrifuge and melt mixer for fuel casting, with temperature control below 120°C.
- Demands cross-team alignment between materials, manufacturing, and test engineering groups.
- Must account for material-specific adaptation when extending to EBS or PUX formulations.
- Limited by the need for specialized test bench instrumentation to capture pressure and flow dynamics.
