Verbetering van de verbrandingsprestaties van een hybride raketmotor met behulp van een nieuwe brandstofkorrel met een geneste spiraalvormige structuur
Summary
Een techniek die gebruik maakt van een vaste brandstofkorrel met een nieuwe geneste spiraalvormige structuur om de verbrandingsprestaties van een hybride raketmotor te verbeteren, wordt gepresenteerd.
Abstract
Een techniek om de verbrandingsprestaties van een hybride raketmotor te verbeteren met behulp van een nieuwe brandstofkorrelstructuur wordt gepresenteerd. Deze techniek maakt gebruik van de verschillende regressie tarieven van acrylonitril butadieen styreen en paraffine-gebaseerde brandstoffen, die de uitwisseling van zowel materie en energie te verhogen door swirl flow en recirculatie zones gevormd op de groeven tussen de aangrenzende schensten. De centrifugaal giettechniek wordt gebruikt om de op paraffine gebaseerde brandstof in een acrylonitril butadieen styreensubstraat te gieten gemaakt door driedimensionaal printen. Met behulp van zuurstof als oxidatiemiddel, een reeks tests werden uitgevoerd om de verbranding prestaties van de nieuwe brandstofkorrel te onderzoeken. In vergelijking met paraffinegebaseerde brandstofkorrels vertoonde de brandstofkorrel met een geneste spiraalvormige structuur, die gedurende het gehele verbrandingsproces kan worden gehandhaafd, een aanzienlijke verbetering van het regressiepercentage en een groot potentieel voor verbetering van de verbrandingsefficiëntie.
Introduction
Een techniek om de verbrandingsprestaties van een hybride raketmotor te verbeteren is dringend vereist. Tot op heden zijn de praktische toepassingen van hybride raketmotoren nog steeds veel minder dan die van vaste en vloeibare raketmotoren1,2. De lage regressiesnelheid van traditionele brandstoffen beperkt de verbetering van de stuwkrachtprestaties voor de hybride raketmotor3,4. Bovendien is de verbrandingsefficiëntie iets lager dan die van andere chemische energieraketten als gevolg van interne diffusieverbranding5, zoals blijkt uit figuur 1. Hoewel verschillende technieken zijn bestudeerd en ontwikkeld, zoals het gebruik van multi-ports6, het verbeteren van additieven7,8,9, vloeibaar maken van brandstof10,11,12, swirl injectie13, uitsteeksels14, en bluf lichaam15, worden deze benaderingen geassocieerd met problemen in volumegebruik, verbrandingsefficiëntie, mechanische prestaties en redundantie kwaliteit. Tot nu toe heeft de structurele verbetering van het brandstofgraan, dat deze tekortkomingen niet vertoont , meer aandacht getrokken als een doeltreffend middel om de verbrandingsprestaties te verbeteren16,17. De komst van driedimensionaal (3D) printen heeft brough een effectieve manier om de prestaties van hybride raketmotoren te verhogen door de mogelijkheid om snel en goedkoop complexe conventionele graanontwerpen of niet-conventionele brandstofkorrels18,19,20,21,22,23, 24,25,26,27,28,29,30te produceren . Tijdens het verbrandingsproces verminderen deze verbeteringen in de verbrandingsprestaties echter met de karakteristieke structuurverbranding , wat resulteert in een daling van de verbrandingsprestaties23. We hebben aangetoond dat een nieuw ontwerp nuttig is bij het verbeteren van de prestaties van hybride raketmotoren31. De details voor deze techniek en representatieve resultaten worden in dit document gepresenteerd.
De brandstofkorrel bestaat uit een spiraalvormig substraat gemaakt door acrylonitril-butadieen-styreen (ABS) en een geneste paraffinebrandstof. Op basis van centrifugaal en 3D-printen werden de voordelen van de twee brandstoffen met verschillende regressiepercentages gecombineerd. De speciale spiraalvormige structuur van het brandstofkorrel na verbranding wordt weergegeven in figuur 2. Wanneer gas door de brandstofkorrel gaat, worden er tegelijkertijd talrijke recirculatiezones gecreëerd bij groeven tussen bladen, wat wordt weergegeven in figuur 3. Deze karakteristieke structuur op het binnenoppervlak verhoogt de turbulentie kinetische energie en werveling nummer in de verbrandingskamer, die de uitwisseling van zowel materie en energie in de verbrandingskamer te verhogen. Uiteindelijk wordt de regressiesnelheid van de nieuwe brandstofkorrel effectief verbeterd. Het effect van de verbetering van het regressiepercentage is goed bewezen: met name de regressiesnelheid van de nieuwe brandstofkorrel bleek 20% hoger te zijn dan dat van de op paraffine gebaseerde brandstof bij de massastroom van 4 g/s·cm2,32.
Een voordeel van de brandstofkorrel met een geneste spiraalvormige structuur is dat het eenvoudig te vervaardigen is. Het gietproces vereist voornamelijk een smeltmixer, een centrifuge en een 3D-printer. Het ABS-substraat gevormd door 3D-printen verlaagt de productiekosten sterk. Een ander belangrijk en uniek voordeel is dat het verbeteringseffect niet verdwijnt tijdens het verbrandingsproces.
Dit document presenteert het experimentele systeem en de procedure voor het verbeteren van de verbrandingsprestaties van een hybride raketmotor met behulp van de nieuwe brandstofkorrelstructuur. Daarnaast bevat dit document drie representatieve vergelijkingen van verbrandingsprestatieparameters om de haalbaarheid van de techniek aan te tonen, waaronder oscillatiefrequentie van de druk van de verbrandingskamer, regressiesnelheid en verbrandingsefficiëntie die wordt gekenmerkt door karakteristieke snelheid.
Protocol
Representative Results
Discussion
De techniek die in dit document wordt voorgesteld is een nieuwe benadering gebruikend een brandstofkorrel met een geneste spiraalvormige structuur. Er zijn geen problemen bij het opzetten van de benodigde apparatuur en faciliteiten. De spiraalvormige structuur kan gemakkelijk worden geproduceerd door 3D-printen, en nesten van paraffine-gebaseerde brandstoffen kunnen gemakkelijk worden uitgevoerd door centrifugaalgieten. Gesmolten depositie molding (FDM) 3D-printers zijn niet duur en de kosten van centrifuges is laag.
…Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door de National Natural Science Foundation of China (Grant No. 11802315, 11872368 en 11927803) en Equipment Pre-Research Foundation of National Defense Key Laboratory (Grant No. 614270190402).
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).
