Förbättra förbränningsprestanda för en hybrid Rocket Engine med hjälp av en ny bränslespann med en kapslad helisk struktur
Summary
En teknik som utnyttjar en fast bränslekorn med en roman kapslade spiralformade struktur för att förbättra förbränningsprestanda av en hybrid raketmotor presenteras.
Abstract
En teknik för att förbättra förbränningsprestandan hos en hybridraketmotor med hjälp av en ny bränslekornstruktur presenteras. Denna teknik utnyttjar de olika regressionshastigheterna hos akrylnitril butadienstyren och paraffinbaserade bränslen, som ökar utbytet av både materia och energi genom virvelflöde och återcirkulationszoner som bildas vid spåren mellan de intilliggande vanerna. Centrifugalgjutningstekniken används för att gjuta det paraffinbaserade bränslet i ett akrylnitril butadienstyrensubstrat som görs genom tredimensionell utskrift. Med hjälp av syre som oxidationsmedel, en serie tester genomfördes för att undersöka förbränningsprestanda av den nya bränslesäd. I jämförelse med paraffinbaserade bränslekorn visade bränslekornen med en kapslad spiralformad struktur, som kan upprätthållas under hela förbränningsprocessen, en betydande förbättring av regressionshastigheten och stor potential vid förbättring av förbränningseffektiviteten.
Introduction
En teknik för att förbättra förbränningsprestandan hos en hybridraketmotor är angeläget. Hittills är praktiska tillämpningar av hybridraketmotorer fortfarande mycket mindre än de av fasta och flytande raketmotorer1,2. Den låga regressionsgraden för traditionella bränslen begränsar förbättringen av dragkraftsprestandan för hybridraketmotorn3,4. Dessutom är dess förbränningseffektivitet något lägre än för andra kemiska energiraketer på grund av förbränningsförbränning5, vilket visas i figur 1. Även om olika tekniker har studerats och utvecklats, såsom användning av multi-portar6, förbättra tillsatser7,8,9, kondensering bränsle10,11,12, virvel injektion13, utsprång14, och bluff kropp15, dessa metoder är förknippade med problem i volymutnyttjande, förbränningseffektivitet, mekanisk prestanda, och redundans kvalitet. Hittills har strukturell förbättring av bränslesäden, som inte har dessa brister, rönt mer uppmärksamhet som ett effektivt sätt att förbättra förbränningsprestanda16,17. Tillkomsten av tredimensionella (3D) utskrift har brough ett effektivt sätt att öka prestanda hybrid raketmotorer genom förmågan att snabbt och billigt producera antingen komplexa konventionella säd mönster eller ickekonventionella bränslekorn18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30. Men under förbränningsprocessen minskar dessa förbättringar i förbränningsprestandan med den karakteristiska strukturen sveda, vilket resulterar i en minskning av förbränningsprestanda23. Vi har visat att en ny design är användbar för att förbättra prestanda hybrid raketmotorer31. Detaljrikedomen för denna teknik och representativa resultat presenteras i detta dokument.
Bränslekornet består av ett spiralformigt substrat tillverkat av akrylnitril-butadien-styren (ABS) och ett kapslat paraffinbaserat bränsle. Baserat på centrifugal- och 3D-utskrift kombinerades fördelarna med de två bränslena med olika regressionsgrad. Den speciella spiralformade strukturen hos bränslekornet efter förbränning visas i figur 2. När gas passerar genom bränslesäden skapas samtidigt ett flertal återcirkulationszoner vid spår mellan bladen, vilket visas i figur 3. Denna karakteristiska struktur på den inre ytan ökar turbulensen kinetisk energi och virvelnummer i förbränningskammaren, vilket ökar utbytet av både materia och energi i förbränningskammaren. I slutändan förbättras regressionsgraden för den nya bränslespaningen effektivt. Effekten av att förbättra regressionsgraden har väl bevisats: i synnerhet visade sig regressionsgraden för den nya bränslespaningen vara 20 procent högre än för det paraffinbaserade bränslet vid massflödet på 4 g/s·cm2,32.
En fördel med bränslespann med en kapslad spiralformad struktur är att det är enkelt att tillverka. Den gjutning processen kräver främst en smält mixer, en centrifug, och en 3D-skrivare. ABS-substratet som bildas genom 3D-utskrift minskar tillverkningskostnaden kraftigt. En annan betydande och unik fördel är att förbättringseffekten inte försvinner under förbränningsprocessen.
Detta dokument presenterar det experimentella systemet och förfarandet för att förbättra förbränningsprestandan hos en hybridraketmotor med hjälp av den nya bränslekornstrukturen. Dessutom presenterar detta dokument tre representativa jämförelser av förbränningsprestandaparametrar för att bevisa att tekniken är genomförbar, inklusive svängningsfrekvens för förbränningskammarens tryck, regressionshastighet och förbränningseffektivitet som kännetecknas av karakteristisk hastighet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Tekniken som presenteras i detta dokument är en ny metod med hjälp av en bränslekorn med en kapslad spiralformad struktur. Det finns inga svårigheter med att inrätta nödvändig utrustning och nödvändiga anläggningar. Den spiralformade strukturen kan enkelt produceras genom 3D-utskrift, och kapsling av paraffinbaserade bränslen kan enkelt utföras genom centrifugalgjutning. Smält deposition gjutning (FDM) 3D-skrivare är inte dyra och kostnaden för centrifuger är låg.
När den inr…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av National Natural Science Foundation of China (Grant nos. 11802315, 11872368 och 11927803) och Equipment Pre-Research Foundation of National Defense Key Laboratory (Anslagsnr.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).
