Améliorer les performances de combustion d’un moteur-fusée hybride à l’aide d’un nouveau grain de carburant avec une structure héliétique imbriquée
Summary
Une technique utilisant un grain de combustible solide avec une nouvelle structure hélitique imbriquée pour améliorer les performances de combustion d’un moteur-fusée hybride est présentée.
Abstract
Une technique visant à améliorer les performances de combustion d’un moteur-fusée hybride à l’aide d’une nouvelle structure de grain de carburant est présentée. Cette technique utilise les différents taux de régression des combustibles acrylonitriles à base de butadiène et de paraffine, qui augmentent les échanges de matière et d’énergie par des zones de flux tourbillonnant et de recirculation formées aux rainures entre les vanes adjacentes. La technique de coulée centrifuge est utilisée pour jeter le combustible à base de paraffine dans un substrat de styrène acrylonitrile au butadiène fabriqué par impression tridimensionnelle. En utilisant l’oxygène comme oxydant, une série d’essais ont été effectués pour étudier les performances de combustion du nouveau grain de carburant. Par rapport aux grains de carburant à base de paraffine, le grain de carburant à structure hélicétique imbriquée, qui peut être maintenu tout au long du processus de combustion, a montré une amélioration significative du taux de régression et un grand potentiel d’amélioration de l’efficacité de combustion.
Introduction
Une technique pour améliorer les performances de combustion d’un moteur-fusée hybride est nécessaire de toute urgence. À ce jour, les applications pratiques des moteurs-fusées hybrides sont encore bien inférieures à celles des moteurs-fuséessolides et liquides 1,2. Le faible taux de régression des carburants traditionnels limite l’amélioration des performances de poussée pour le moteur-fuséehybride 3,4. De plus, son efficacité de combustion est légèrement inférieure à celle des autres fusées à énergie chimique en raison de la combustion de diffusion interne5, comme le montre la figure 1. Bien que diverses techniques aient été étudiées et développées, telles que l’utilisation de multi-ports6,l’amélioration des additifs7,8,9, liquéfiant le carburant10,11,12, injectiontourbillonnante 13, saillies14, et bluff corps15, ces approches sont associées à des problèmes dans l’utilisation du volume, l’efficacité de combustion, la performance mécanique, et la qualité de redondance. Jusqu’à présent, l’amélioration structurelle du grain de carburant, qui n’a pas ces lacunes, a attiré plus d’attention en tant que moyen efficace d’améliorer les performances de combustion16,17. L’avènement de l’impression tridimensionnelle (3D) a permis d’augmenter efficacement les performances des moteurs-fusées hybrides grâce à la capacité de produire rapidement et à peu de frais des conceptions de céréales conventionnelles complexes ou des grains de carburant nonconventionnels 18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30. Toutefois, au cours du processus de combustion, ces améliorations des performances de combustion diminuent avec la combustion caractéristique de la structure, ce qui entraîne une diminution des performances de combustion23. Nous avons démontré qu’une nouvelle conception est utile pour améliorer les performances des moteurs-fuséeshybrides 31. Le détail de cette technique et les résultats représentatifs sont présentés dans ce document.
Le grain de carburant se compose d’un substrat hélicoïque fabriqué à partir d’acrylonitrile-butadiène-styrène (ABS) et d’un combustible imbriqué à base de paraffine. Sur la base de l’impression centrifuge et 3D, les avantages des deux carburants avec des taux de régression différents ont été combinés. La structure hélioïque spéciale du grain de carburant après combustion est indiquée dans la figure 2. Lorsque le gaz traverse le grain de carburant, de nombreuses zones de recirculation sont simultanément créées à des rainures entre les pales, ce qui est indiqué dans la figure 3. Cette structure caractéristique sur la surface intérieure augmente l’énergie cinétique de turbulence et le nombre tourbillonnant dans la chambre de combustion, qui augmentent les échanges de matière et d’énergie dans la chambre de combustion. En fin de compte, le taux de régression du nouveau grain de carburant est effectivement amélioré. L’effet de l’amélioration du taux de régression a été bien prouvé: en particulier, le taux de régression du nouveau grain de carburant s’est avéré 20% plus élevé que celui du carburant à base de paraffine au flux de masse de 4 g/s·cm2,32.
Un avantage du grain de carburant avec une structure hélicétique imbriquée est qu’il est simple à fabriquer. Le processus de moulage nécessite principalement un mélangeur de fonte, une centrifugeuse et une imprimante 3D. Le substrat ABS formé par l’impression 3D réduit considérablement le coût de fabrication. Un autre avantage important et unique est que l’effet d’amélioration ne disparaît pas pendant le processus de combustion.
Cet article présente le système expérimental et la procédure pour améliorer les performances de combustion d’un moteur-fusée hybride à l’aide de la nouvelle structure de grain de carburant. En outre, cet article présente trois comparaisons représentatives des paramètres de performance de combustion pour prouver la faisabilité de la technique, y compris la fréquence d’oscillation de la pression de chambre de combustion, le taux de régression, et l’efficacité de combustion caractérisée par la vitesse caractéristique.
Protocol
Representative Results
Discussion
La technique présentée dans cet article est une nouvelle approche utilisant un grain de carburant avec une structure hélitique imbriquée. Il n’y a aucune difficulté à mettre en place l’équipement et les installations nécessaires. La structure hélicoïque peut être facilement produite par impression 3D, et la nidification des carburants à base de paraffine peut être facilement effectuée par coulée centrifuge. Les imprimantes 3D de moulage de dépôt fondu (FDM) ne sont pas chères et le coût des centrif…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ces travaux ont été soutenus par la National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 11802315, 11872368 et 11927803) et la Equipment Pre-Research Foundation of National Defense Key Laboratory (Subvention 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).
