Forbedre forbrenningsytelsen til en hybrid rakettmotor ved hjelp av et nytt drivstoffkorn med en nestet spiralformet struktur
Summary
En teknikk som benytter et fast brensel korn med en ny nestet spiralformet struktur for å forbedre forbrenningsytelsen til en hybrid rakettmotor presenteres.
Abstract
En teknikk for å forbedre forbrenningsytelsen til en hybrid rakettmotor ved hjelp av en ny drivstoffkornstruktur presenteres. Denne teknikken benytter de forskjellige regresjonshastighetene av akrylnitril butadien styren og parafinbaserte drivstoff, noe som øker utvekslingene av både materie og energi ved virvelstrømnings- og resirkuleringssoner dannet ved sporene mellom de tilstøtende svinlene. Sentrifugalstøpeteknikken brukes til å kaste det parafinbaserte drivstoffet inn i et akrylnitril butadienstyrnesubstrat laget av tredimensjonal utskrift. Ved hjelp av oksygen som oksidasjonsmiddel ble det utført en rekke tester for å undersøke forbrenningsytelsen til det nye drivstoffkornet. Sammenlignet med parafinbaserte drivstoffkorn viste drivstoffkornet med en nestet spiralstruktur, som kan opprettholdes gjennom forbrenningsprosessen, betydelig forbedring i regresjonshastigheten og stort potensial for forbedring av forbrenningseffektivitet.
Introduction
En teknikk for å forbedre forbrenningsytelsen til en hybrid rakettmotor er sterkt nødvendig. Til dags dato er praktiske anvendelser av hybridrakettmotorer fortsatt langt mindre enn de av faste og flytende rakettmotorer1,2. Den lave regresjonshastigheten av tradisjonelle drivstoff begrenser forbedringen av skyvekraftytelsen for hybridrakettmotor 3,4. I tillegg er forbrenningseffektiviteten litt lavere enn for andre kjemiske energiraketter på grunn av forbrenning av forbrenningav forbrenning 5, som vist i figur 1. Selv om ulike teknikker har blitt studert og utviklet, for eksempel bruk av multi-porter6, styrke tilsetningsstoffer7,8,9, flytende drivstoff10,11,12, virvel injeksjon13, fremspring14, og bløff kroppen15, disse tilnærmingene er forbundet med problemer i volumutnyttelse, forbrenning effektivitet, mekanisk ytelse, og redundans kvalitet. Så langt har strukturell forbedring av drivstoffkornet, som ikke har disse manglene, tiltrukket seg mer oppmerksomhet som et effektivt middel for å forbedre forbrenningsytelsen16,17. Bruk av tredimensjonal (3D) utskrift har brough en effektiv måte å øke ytelsen til hybrid rakettmotorer gjennom evnen til å raskt og billig produsere enten komplekse konvensjonelle korn design eller ikke-overbevisende drivstoff korn18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30. Men under forbrenningsprosessen reduseres disse forbedringene i forbrenningsytelsen med den karakteristiske strukturbrenningen, noe som resulterer i en reduksjon i forbrenningsytelse23. Vi har vist at en ny design er nyttig for å forbedre ytelsen til hybrid rakettmotorer31. Detaljene for denne teknikken og representative resultater presenteres i denne artikkelen.
Drivstoffkornet består av et spiralalt substrat laget av akrylnitril-butadien-styren (ABS) og et nestet parafinbasert drivstoff. Basert på sentrifugal- og 3D-utskrift ble fordelene med de to drivstoffene med forskjellige regresjonshastigheter kombinert. Den spesielle spiralformede strukturen til drivstoffkornet etter forbrenning er vist i figur 2. Når gass passerer gjennom drivstoffkornet, opprettes det samtidig mange resirkuleringssoner ved spor mellom bladene, som er vist i figur 3. Denne karakteristiske strukturen på den indre overflaten øker turbulens kinetisk energi og virvel nummer i forbrenningskammeret, noe som øker utvekslingen av både materie og energi i forbrenningskammeret. Til syvende og sist er regresjonshastigheten til det nye drivstoffkornet effektivt forbedret. Effekten av å forbedre regresjonsraten har blitt godt bevist: spesielt ble regresjonshastigheten til det nye drivstoffkornet vist å være 20% høyere enn det parafinbaserte drivstoffet ved massestrømmen på 4 g / s · cm2,32.
En fordel med drivstoffkornet med en nestet spiralformet struktur er at det er enkelt å produsere. Støpeprosessen krever hovedsakelig en smeltemikser, en sentrifuge og en 3D-skriver. ABS-substratet dannet av 3D-utskrift reduserer produksjonskostnadene betydelig. En annen betydelig og unik fordel er at forbedringseffekten ikke forsvinner under forbrenningsprosessen.
Dette papiret presenterer det eksperimentelle systemet og prosedyren for å forbedre forbrenningsytelsen til en hybrid rakettmotor ved hjelp av den nye drivstoffkornstrukturen. I tillegg presenterer dette papiret tre representative sammenligninger av forbrenningsytelsesparametere for å bevise teknikkens gjennomførbarhet, inkludert svingningsfrekvens for forbrenningskammertrykk, regresjonshastighet og forbrenningseffektivitet preget av karakteristisk hastighet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Teknikken som presenteres i dette papiret er en ny tilnærming ved hjelp av et drivstoffkorn med en nestet spiralformet struktur. Det er ingen problemer med å sette opp nødvendig utstyr og fasiliteter. Den spiralformede strukturen kan enkelt produseres ved 3D-utskrift, og hekking av parafinbaserte drivstoff kan enkelt utføres ved sentrifugalstøping. Smeltet avsetning molding (FDM) 3D-skrivere er ikke dyrt og kostnaden for sentrifuger er lav.
Når den indre overflaten av det formede drivsto…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av 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).
