Forbedring af forbrændingsydeevnen af en Hybrid Rocket Engine ved hjælp af en ny brændstofkorn med en indlejret spiralformet struktur
Summary
En teknik, der udnytter et fast brændsel korn med en ny indlejret spiralformet struktur til at forbedre forbrændingen ydeevne en hybrid raketmotor præsenteres.
Abstract
En teknik til at forbedre forbrændingen ydeevne en hybrid raketmotor ved hjælp af en ny brændstof korn struktur præsenteres. Denne teknik udnytter de forskellige regressionsrater af acrylonitrile butadien styren og paraffinbaserede brændstoffer, som øger udvekslingen af både stof og energi ved at hvirvle flow og recirkulation zoner dannet på rillerne mellem de tilstødende lameller. Centrifugalstøbningsteknikken anvendes til at kaste det paraffinbaserede brændstof i et acrylonitrile butadienstyrensubstrat fremstillet ved tredimensional trykning. Ved hjælp af ilt som iltningsmiddel, en række tests blev udført for at undersøge forbrændingen ydeevne af den nye brændstof korn. Sammenlignet med paraffinbaserede brændselskorn viste brændstofkornet med en indlejret spiralformet struktur, som kan opretholdes under hele forbrændingsprocessen, en betydelig forbedring i regressionshastigheden og et stort potentiale for forbedring af forbrændingseffektiviteten.
Introduction
En teknik til at forbedre forbrændingen ydeevne en hybrid raketmotor er presserende påkrævet. Til dato, praktiske anvendelser af hybrid raketmotorer er stadig langt mindre end den faste og flydende raketmotorer1,2. Den lave regressionshastighed for traditionelle brændstoffer begrænser forbedringen af trykyevnen for hybridraketmotoren3,4. Desuden er forbrændingseffektiviteten lidt lavere end for andre kemiske energiraketter som følge af forbrænding af intern diffusion5, som vist i figur 1. Selv om forskellige teknikker er blevet undersøgt og udviklet, såsom brug af multi-ports6, styrke tilsætningsstoffer7,8,9,flydende brændstof10,11,12, swirl injektion13,fremspring 14, og bluff krop15, disse tilgange er forbundet med problemer i volumen udnyttelse, forbrænding effektivitet, mekanisk ydeevne, og redundans kvalitet. Hidtil har den strukturelle forbedring af brændstofkornet, som ikke har disse mangler, tiltrukket sig større opmærksomhed som et effektivt middel til at forbedre forbrændingsydelsen16,17. Fremkomsten af tre-dimensionelle (3D) udskrivning har brough en effektiv måde at øge ydeevnen af hybrid raketmotorer gennem evnen til hurtigt og billigt producere enten komplekse konventionelle korn design eller ikke-konventionelle brændstof korn18,19,20,21,22,23,24,25, 26,27,28,29,30. Under forbrændingsprocessen mindskes disse forbedringer i forbrændingens ydeevne imidlertid med den karakteristiske struktur, der brænder, hvilket resulterer i et fald i forbrændingsydelsen23. Vi har vist, at et nyt design er nyttigt til at forbedre ydeevnen af hybrid raketmotorer31. Detaljerne for denne teknik og repræsentative resultater præsenteres i dette dokument.
Brændstoffet korn består af en spiralformet substrat lavet af acrylonitrile-butadien-styren (ABS) og en indlejret paraffin-baseret brændstof. Baseret på centrifugal- og 3D-printning blev fordelene ved de to brændstoffer med forskellige regressionsrater kombineret. Brændstofkornets særlige spiralformede struktur efter forbrænding er vist i figur 2. Når gassen passerer gennem brændstofkornet, skabes der samtidig talrige recirkulationszoner ved riller mellem vingerne, hvilket er vist i figur 3. Denne karakteristiske struktur på den indre overflade øger turbulens kinetisk energi og hvirvle nummer i forbrændingskammeret, hvilket øger udvekslingen af både stof og energi i forbrændingskammeret. I sidste ende er regressionsraten for det nye brændstofkorn effektivt forbedret. Det er blevet bevist, at regressionsraten er 20 % højere end det paraffinbaserede brændstof ved massefødsel på 4 g/s·cm2,32.
En fordel ved brændstofkorn med en indlejret spiralformet struktur er, at det er nemt at fremstille. Støbningsprocessen kræver hovedsageligt en smelteblander, en centrifuge og en 3D-printer. ABS-underlaget dannet af 3D-print reducerer i høj grad produktionsomkostningerne. En anden væsentlig og unik fordel er, at forbedringseffekten ikke forsvinder under forbrændingsprocessen.
Dette papir præsenterer forsøgssystemet og procedure for at forbedre forbrændingen ydeevne af en hybrid raketmotor ved hjælp af den nye brændstof korn struktur. Derudover præsenterer dette papir tre repræsentative sammenligninger af forbrændingsydelsesparametre for at bevise gennemførligheden af teknikken, herunder svingningsfrekvensen for forbrændingskammertryk, regressionshastighed og forbrændingseffektivitet karakteriseret ved karakteristisk hastighed.
Protocol
Representative Results
Discussion
Teknikken præsenteres i dette papir er en ny tilgang ved hjælp af et brændstof korn med en indlejret spiralformet struktur. Det er ikke vanskeligt at etablere det nødvendige udstyr og de nødvendige faciliteter. Den spiralformede struktur kan let fremstilles ved 3D-printning, og indlejring af paraffinbaserede brændstoffer kan nemt udføres ved centrifugalstøbning. Fused deposition støbning (FDM) 3D-printere er ikke dyre, og omkostningerne ved centrifuger er lav.
Når den indersiden af d…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 11802315, 11872368 og 11927803) og Equipment Pre-Research Foundation of National Defense Key Laboratory (Grant No. 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).
