שיפור ביצועי הבעירה של מנוע רקטות היברידי באמצעות דגן דלק חדשני עם מבנה הליקל מקוננים
Summary
טכניקה תוך שימוש בתבואת דלק מוצקה עם מבנה הליקל מקוננים חדשני כדי לשפר את ביצועי הבעירה של מנוע רקטות היברידי מוצג.
Abstract
טכניקה לשיפור ביצועי הבעירה של מנוע רקטות היברידי באמצעות מבנה תבואה דלק חדשני מוצג. טכניקה זו מנצלת את שיעורי הרגרסיה השונים של אקרילוניטריל סטירן ודלקים מבוססי פרפין, אשר מגבירים את חילופי החומר והאנרגיה על ידי זרימת מערבולת ואזורי recirculation שנוצרו חריצים בין vanes הסמוכים. טכניקת הליהוק הצנטריפוגלי משמש כדי להשליך את הדלק מבוסס פרפין לתוך תכלת סטירן אסטרילוניטריל שנעשו על ידי הדפסה תלת ממדית. באמצעות חמצן כחמצון, נערכו סדרה של בדיקות כדי לחקור את ביצועי הבעירה של תבואת הדלק הרומן. בהשוואה גרגרי דלק מבוססי פרפין, גרגר הדלק עם מבנה הליקל מקוננים, אשר ניתן לשמור לאורך כל תהליך הבעירה, הראה שיפור משמעותי בקצב רגרסיה ופוטנציאל גדול לשיפור יעילות בעירה.
Introduction
טכניקה לשיפור ביצועי הבעירה של מנוע רקטות היברידי נדרשת בדחיפות. עד כה, יישומים מעשיים של מנועי רקטות היברידיים הם עדיין הרבה פחות מאלה של מנועי רקטות מוצקונוזלי 1,2. קצב הרגרסיה הנמוך של דלקים מסורתיים מגביל את שיפור ביצועי הדחף עבור מנוע הרקטותההיברידי 3,4. בנוסף, יעילות הבעירה שלה נמוכה במקצת מזה של רקטות אנרגיה כימית אחרותבשל בעירה פנימית 5, כפי שמוצג באות 1. למרות טכניקות שונות נחקרו ופיתחו, כגון השימוש ביציאותמרובות 6, שיפורתוספים 7,8,9, דלק נוזלי 10,11,12,הזרקת מערבולת 13,בלוטות 14, וגוףבלוף 15, גישות אלה קשורות לבעיות בניצול נפח, יעילות בעירה, ביצועים מכניים, ואיכות יתירות. עד כה, שיפור מבני של תבואת הדלק, אשר אין חסרונות אלה, משך יותר תשומת לב כאמצעי יעיל לשיפור ביצועי בעירה16,17. הופעתה של הדפסה תלת מימדית (תלת-ממדית) הביאה לדרך יעילה להגביר את הביצועים של מנועי רקטות היברידיים באמצעות היכולת לייצר במהירות ובצול גם עיצובי תבואה קונבנציונליים מורכבים או גרגרי דלק לאקונבנציונליים 18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30. עם זאת, במהלך תהליך הבעירה, שיפורים אלה בביצועי בעירה פוחתת עם שריפת המבנה האופייני, וכתוצאה מכך ירידה בביצועיבעירה 23. הוכחנו כי עיצוב חדשני שימושי בשיפור הביצועים של מנועי רקטות היברידיים31. הפירוט עבור טכניקה זו ותוצאות מייצגות מוצג בנייר זה.
תבואת הדלק מורכבת ממצע הליקלי מבעלות אקרילוניטריל-תות-סטירן (ABS) ודלק מקונן המבוסס על פרפין. בהתבסס על הדפסה צנטריפוגלית ותלת-ממדית, היתרונות של שני הדלקים עם שיעורי רגרסיה שונים שולבו. המבנה ההליקלי המיוחד של תבואת הדלק לאחר הבעירה מוצג בדמות 2. כאשר גז עובר דרך תבואת הדלק, אזורי תפוצה רבים נוצרים בו זמנית בגרובים בין להבים, המוצג באות 3. מבנה אופייני זה על פני השטח הפנימי מגביר את מערבולת אנרגיה קינטית ומספר מערבולת בתא הבעירה, אשר להגדיל את חילופי החומר והאנרגיה בתא הבעירה. בסופו של דבר, קצב הרגרסיה של תבואת הדלק הרומן משתפר ביעילות. ההשפעה של שיפור קצב הרגרסיה הוכחה היטב: בפרט, שיעור הרגרסיה של תבואת הדלק הרומן הוכח להיות 20% גבוה יותר מזה של דלק מבוסס פרפין בשטף המסה של 4 g/s·cm2,32.
אחד היתרונות של תבואת הדלק עם מבנה הליקל מקוננים הוא שזה פשוט לייצר. תהליך היצוק דורש בעיקר מערבל נמס, צנטריפוגה ומדפסת תלת-ממד. מצע ABS שנוצר על ידי הדפסה בתלת-ממד מפחית מאוד את עלות הייצור. יתרון משמעותי וייחודי נוסף הוא שאפקט השיפור אינו נעלם במהלך תהליך הבעירה.
נייר זה מציג את המערכת הניסיונית ואת ההליך לשיפור ביצועי הבעירה של מנוע רקטות היברידי באמצעות מבנה התבואה דלק הרומן. בנוסף, מאמר זה מציג שלוש השוואות מייצגות של פרמטרים של ביצועי בעירה כדי להוכיח את היתכנות הטכניקה, כולל תדירות תנודות של לחץ תא בעירה, קצב רגרסיה, ויעילות בעירה המאופיינת במהירות אופיינית.
Protocol
Representative Results
Discussion
הטכניקה המוצגת בנייר זה היא גישה חדשנית באמצעות גרגר דלק עם מבנה הליקל מקוננים. אין קשיים בהקמת הציוד והמתקנים הדרושים. המבנה ההליקל יכול להיות מיוצר בקלות על ידי הדפסה תלת-ממדית, וגינון של דלקים מבוססי פרפין יכול להתבצע בקלות על ידי יציקה צנטריפוגלית. תצהיר מותך יצוק (FDM) מדפסות 3D אינן יקר?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין (Grant Nos. 11802315, 11872368 ו- 11927803) וקרן קדם-מחקר ציוד של המעבדה הלאומית להגנה מפתח (גרנט מס’ 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).
