Melhorando o desempenho de combustão de um motor de foguete híbrido usando um novo grão de combustível com uma estrutura helicoidal aninhada
Summary
Uma técnica utilizando um grão de combustível sólido com uma nova estrutura helicoidal aninhada para melhorar o desempenho de combustão de um motor de foguete híbrido é apresentada.
Abstract
Uma técnica para melhorar o desempenho de combustão de um motor de foguete híbrido usando uma nova estrutura de grãos de combustível é apresentada. Esta técnica utiliza as diferentes taxas de regressão de estireno butadieno acrilonitrilo e combustíveis à base de parafina, que aumentam as trocas de matéria e energia por fluxo de redemoinho e zonas de recirculação formadas nas ranhuras entre as palhetas adjacentes. A técnica de fundição centrífuga é usada para lançar o combustível à base de parafina em um substrato de estireno de acrilonitrilo butadieno feito por impressão tridimensional. Usando oxigênio como oxidante, uma série de testes foram realizados para investigar o desempenho de combustão do novo grão combustível. Em comparação com os grãos de combustível à base de parafina, o grão de combustível com estrutura helicoidal aninhada, que pode ser mantida durante todo o processo de combustão, apresentou melhora significativa na taxa de regressão e grande potencial de melhoria da eficiência da combustão.
Introduction
Uma técnica para melhorar o desempenho de combustão de um motor de foguete híbrido é urgentemente necessária. Até o momento, as aplicações práticas de motores híbridos de foguetes ainda são muito inferiores às dos motores de foguetes sólidos e líquidos1,2. A baixa taxa de regressão dos combustíveis tradicionais limita a melhoria do desempenho do impulso para o motor de foguete híbrido3,4. Além disso, sua eficiência de combustão é ligeiramente menor do que a de outros foguetes de energia química devido à combustão de difusão interna5,como mostrado na Figura 1. Embora várias técnicas tenham sido estudadas e desenvolvidas, como o uso de multi-portas6, aditivos de aprimoramento7,8,9, liquefazer combustível10,11,12, injeção de redemoinho13, saliências14, e corpo blefe15, essas abordagens estão associadas a problemas na utilização do volume, eficiência de combustão, desempenho mecânico e qualidade de redundância. Até agora, a melhoria estrutural do grão combustível, que não apresenta essas deficiências, tem atraído mais atenção como meio efetivo de melhorar o desempenho da combustão16,17. O advento da impressão tridimensional (3D) trouxe uma maneira eficaz de aumentar o desempenho dos motores de foguetes híbridos através da capacidade de produzir de forma rápida e barata tanto projetos de grãos convencionais complexos quanto grãos de combustível não convencionais18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30. No entanto, durante o processo de combustão, essas melhorias no desempenho da combustão diminuem com a queima da estrutura característica, resultando em uma diminuição no desempenho de combustão23. Demonstramos que um novo design é útil para melhorar o desempenho dos motores híbridos de foguetes31. O detalhe para esta técnica e os resultados representativos são apresentados neste artigo.
O grão de combustível consiste em um substrato helicoidal feito por acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS) e um combustível aninhado à base de parafina. Com base na impressão centrífuga e 3D, foram combinadas as vantagens dos dois combustíveis com diferentes taxas de regressão. A estrutura helicoidal especial do grão de combustível após a combustão é mostrada na Figura 2. Quando o gás passa pelo grão de combustível, inúmeras zonas de recirculação são criadas simultaneamente em ranhuras entre as lâminas, o que é mostrado na Figura 3. Essa estrutura característica na superfície interna aumenta a turbulência da energia cinética e do número de redemoinhos na câmara de combustão, que aumentam as trocas de matéria e energia na câmara de combustão. Em última análise, a taxa de regressão do novo grão de combustível é efetivamente melhorada. O efeito da melhoria da taxa de regressão tem sido bem comprovado: em particular, a taxa de regressão do novo grão combustível foi demonstrada como 20% maior do que a do combustível à base de parafina no fluxo de massa de 4 g/s·cm2,32.
Uma vantagem do grão de combustível com uma estrutura helicoidal aninhada é que é simples de fabricar. O processo de moldagem requer principalmente uma batedeira de derretimento, uma centrífuga e uma impressora 3D. O substrato ABS formado pela impressão 3D reduz consideravelmente o custo de fabricação. Outra vantagem significativa e única é que o efeito de aprimoramento não desaparece durante o processo de combustão.
Este artigo apresenta o sistema experimental e o procedimento para melhorar o desempenho de combustão de um motor de foguete híbrido usando a nova estrutura de grãos de combustível. Além disso, este artigo apresenta três comparações representativas dos parâmetros de desempenho de combustão para comprovar a viabilidade da técnica, incluindo a frequência de oscilação da pressão da câmara de combustão, taxa de regressão e eficiência de combustão caracterizada pela velocidade característica.
Protocol
Representative Results
Discussion
A técnica apresentada neste artigo é uma nova abordagem utilizando um grão de combustível com uma estrutura helicoidal aninhada. Não há dificuldades na instalação dos equipamentos e instalações necessários. A estrutura helicoidal pode ser facilmente produzida pela impressão 3D, e o ninho de combustíveis à base de parafina pode ser facilmente realizado por fundição centrífuga. As impressoras 3D de deposição fundida (FDM) não são caras e o custo das centrífugas é baixo.
Qu…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi apoiado pela Fundação Nacional de Ciência Natural da China (Grant nº 11802315, 11872368 e 11927803) e pela Fundação de Pré-Pesquisa de Equipamentos do Laboratório De Chaves de Defesa Nacional (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 |
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