تحسين أداء الاحتراق لمحرك صاروخ هجين باستخدام حبة وقود رواية ذات بنية بيضوية متداخلة
Summary
يتم تقديم تقنية استخدام الحبوب الوقود الصلب مع بنية الرواية المتداخلة الهليلة لتحسين أداء الاحتراق من محرك صاروخ هجين.
Abstract
يتم تقديم تقنية لتحسين أداء الاحتراق لمحرك صاروخ هجين باستخدام بنية حبوب الوقود الجديدة. وتستخدم هذه التقنية معدلات الانحدار المختلفة للباراريلونيتريل بوتاديين الستيرين والوقود القائم على البارافين، مما يزيد من تبادل كل من المادة والطاقة عن طريق تدفق الدوامة ومناطق إعادة التدوير التي تشكلت عند الأخاشق بين الفانات المجاورة. يتم استخدام تقنية الصب الطرد المركزي ليلقي الوقود القائم على البارافين في الركيزة الستايرين الاكريلونيتترية بوتادين التي أدلى بها الطباعة ثلاثية الأبعاد. باستخدام الأكسجين كما المؤكد، وأجريت سلسلة من الاختبارات للتحقيق في أداء الاحتراق من الحبوب الوقود رواية. بالمقارنة مع الحبوب الوقودية القائمة على البارافين، أظهرت حبوب الوقود ذات الهيكل الهليلي المتداخل، والتي يمكن الحفاظ عليها طوال عملية الاحتراق، تحسناً كبيراً في معدل الانحدار وإمكانات كبيرة في تحسين كفاءة الاحتراق.
Introduction
هناك حاجة ملحة إلى تقنية لتحسين أداء الاحتراق لمحرك صاروخ هجين. حتى الآن، والتطبيقات العملية لمحركات الصواريخ الهجينة لا تزال أقل بكثير من تلك التي من محركات الصواريخ الصلبة والسائلة1،2. إن معدل التراجع المنخفض للوقود التقليدي يحد من تحسن أداء الدفع لمحرك الصواريخ الهجين3،4. وبالإضافة إلى ذلك، فإن كفاءة الاحتراق أقل قليلاً من كفاءة صواريخ الطاقة الكيميائية الأخرى بسبب احتراق الانتشار الداخلي5، كما هو مبين في الشكل 1. على الرغم من أن تقنيات مختلفة قد درست وطورت، مثل استخدام المنافذ المتعددة6،وتعزيز المضافات7،8،9،وقود التسييل10،11،12، دوامة حقن13، نتوءات14، وخدعة الجسم15، وترتبط هذه النهج مع مشاكل في استخدام حجم ، وكفاءة الاحتراق ، والأداء الميكانيكي ، وجودة التكرار. حتى الآن، وقد اجتذب التحسين الهيكلي للحبوب الوقود، والتي لا تحتوي على هذه العيوب، المزيد من الاهتمام كوسيلة فعالة لتحسين أداء الاحتراق16،17. ظهور الطباعة ثلاثية الأبعاد (3D) له برو وسيلة فعالة لزيادة أداء محركات الصواريخ الهجينة من خلال القدرة على إنتاج سريع وغير مكلف إما تصميمات الحبوب التقليدية المعقدة أو الحبوب الوقود غير التقليدية18،19،20،21 ، 22،23،24،25،26،28،29،30. ومع ذلك، أثناء عملية الاحتراق، هذه التحسينات في أداء الاحتراق يقلل مع حرق هيكل مميزة، مما أدى إلى انخفاض في أداء الاحتراق23. لقد أثبتنا أن تصميم رواية مفيد في تحسين أداء محركات الصواريخ الهجينة31. وترد تفاصيل هذه التقنية ونتائج تمثيلية في هذه الورقة.
وتتألف حبوب الوقود من الركيزة الزللية التي أدلى بها الاكريلونيتريل-بوتاديين-الستايرين (ABS) ووقود متداخل قائم على البارافين. واستنادا إلى الطرد المركزي والطباعة ثلاثية الأبعاد، تم الجمع بين مزايا الوقودين اللذين ينطويان على معدلات انحدار مختلفة. يظهر الهيكل الهليلي الخاص لحبوب الوقود بعد الاحتراق في الشكل 2. عندما يمر الغاز من خلال الحبوب الوقود، يتم إنشاء العديد من مناطق إعادة تدوير في وقت واحد في الأخايد بين ريش، وهو ما يظهر في الشكل 3. يزيد هذا بنية مميّزة على السطح داخليّة الاضطراب طاقة حركيّة ورقم دوامة في ال احتراق غرفة, أيّ يزيد التبادل من مادة وطاقة في ال احتراق غرفة. في نهاية المطاف، يتم تحسين معدل الانحدار من الحبوب الوقود رواية بشكل فعال. وقد ثبت جيدا تأثير تحسين معدل الانحدار: على وجه الخصوص، ثبت أن معدل الانحدار من الحبوب الوقود الجديدة أن يكون 20٪ أعلى من الوقود القائم على البارافين في تدفق كتلة من 4 ز / س · سم2،32.
ميزة واحدة من الحبوب الوقود مع هيكل متداخل هو أنها بسيطة لتصنيع. تتطلب عملية صب أساسا خلاط تذوب، وطاردة مركزية، وطابعة 3D. الركيزة ABS التي شكلتها الطباعة 3D يقلل كثيرا من تكلفة التصنيع. ميزة أخرى هامة وفريدة من نوعها هي أن تأثير تعزيز لا تختفي أثناء عملية الاحتراق.
تعرض هذه الورقة النظام التجريبي والإجراءات لتحسين أداء الاحتراق لمحرك صاروخ هجين باستخدام بنية حبوب الوقود الجديدة. وبالإضافة إلى ذلك، تعرض هذه الورقة ثلاث مقارنات تمثيلية لبارامترات أداء الاحتراق لإثبات جدوى هذه التقنية، بما في ذلك تردد التذبذب لضغط غرفة الاحتراق، ومعدل الانحدار، وكفاءة الاحتراق التي تتسم بالسرعة المميزة.
Protocol
Representative Results
Discussion
التقنية المعروضة في هذه الورقة هي نهج جديد باستخدام حبة الوقود ذات بنية بيضوية متداخلة. ولا توجد صعوبات في إنشاء المعدات والمرافق اللازمة. يمكن إنتاج الهيكل الهللي بسهولة عن طريق الطباعة ثلاثية الأبعاد ، ويمكن بسهولة تنفيذ تعشيش الوقود القائم على البارافين عن طريق الصب الطرد المركزي. إنص…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد دعم هذا العمل المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (منحة رقم 11802315 و 11872368 و 11927803) والمعدات قبل البحوث مؤسسة الدفاع الوطني الرئيسية مختبر (منحة رقم 6142701190402).
Materials
| 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℃ |
| 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).
