Migliorare le prestazioni di combustione di un motore a razzo ibrido utilizzando un nuovo grano combustibile con una struttura elicoiale annidata
Summary
Viene presentata una tecnica che utilizza un granello di combustibile solido con una nuova struttura elicoiale annidata per migliorare le prestazioni di combustione di un motore a razzo ibrido.
Abstract
Viene presentata una tecnica per migliorare le prestazioni di combustione di un motore a razzo ibrido utilizzando una nuova struttura a grana di combustibile. Questa tecnica utilizza i diversi tassi di regressione dello stirene acrilonitrile butadiene e dei combustibili a base di paraffina, che aumentano gli scambi di materia ed energia attraverso il flusso vorticoso e le zone di ricircolo formate alle scanalature tra le palette adiacenti. La tecnica di fusione centrifuga viene utilizzata per gettare il combustibile a base di paraffina in un substrato di stirene acrilonitrile butadiene realizzato con stampa tridimensionale. Utilizzando l’ossigeno come ossidante, sono state condotte una serie di prove per studiare le prestazioni di combustione del nuovo grano combustibile. Rispetto ai grani di combustibile a base di paraffina, il grano combustibile con una struttura elicoiale annidata, che può essere mantenuto durante tutto il processo di combustione, ha mostrato un miglioramento significativo del tasso di regressione e un grande potenziale nel miglioramento dell’efficienza della combustione.
Introduction
È urgente mente necessaria una tecnica per migliorare le prestazioni di combustione di un motore a razzo ibrido. Ad oggi, le applicazioni pratiche dei motori a razzo ibridi sono ancora molto meno di quelle dei motori a razzo solido eliquido 1,2. Il basso tasso di regressione dei combustibili tradizionali limita il miglioramento delle prestazioni di spinta per il motore arazzo ibrido 3,4. Inoltre, la sua efficienza di combustione è leggermente inferiore a quella di altri razzi ad energia chimica a causa della combustione a diffusioneinterna 5, come mostrato nella figura 1. Sebbene siano state studiate e sviluppate varie tecniche, come l’uso di multi-porte6,il miglioramento degli additivi7,8,9,liquefatti10,11,12,iniezione vorticosa13,sporgenze14e bluff body15,questi approcci sono associati a problemi di utilizzo del volume, efficienza di combustione, prestazioni meccaniche e qualità di ridondanza. Finora, il miglioramento strutturale del grano combustibile, che non presenta queste carenze, ha attirato maggiore attenzione come mezzo efficace per migliorare le prestazioni dicombustione 16,17. L’avvento della stampa tridimensionale (3D) ha un modo efficace per aumentare le prestazioni dei motori a razzo ibridi attraverso la capacità di produrre rapidamente ed economicamente progetti di grani convenzionali complessi o grani di combustibile non convenzionali18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30. Tuttavia, durante il processo di combustione, questi miglioramenti nelle prestazioni di combustione diminuiscono con la caratteristica combustione della struttura, con conseguente diminuzione delle prestazioni di combustione23. Abbiamo dimostrato che un nuovo design è utile per migliorare le prestazioni dei motori a razzo ibridi31. I dettagli di questa tecnica e i risultati rappresentativi sono presentati in questo documento.
Il grano combustibile è costituito da un substrato elicoilicoilico fatto da acrilonitrile-butadiene-stirene (ABS) e da un combustibile a base di paraffina annidata. Sulla base della stampa centrifuga e 3D, sono stati combinati i vantaggi dei due combustibili con diversi tassi di regressione. La speciale struttura elicoiale del grano combustibile dopo la combustione è illustrata nella figura 2. Quando il gas passa attraverso il grano combustibile, numerose zone di ricircolo vengono create simultaneamente a scanalature tra lame, come mostrato nella figura 3. Questa struttura caratteristica sulla superficie interna aumenta l’energia cinetica della turbolenza e il numero di vortice nella camera di combustione, che aumentano gli scambi di materia ed energia nella camera di combustione. In definitiva, il tasso di regressione del nuovo grano combustibile è effettivamente migliorato. L’effetto del miglioramento del tasso di regressione è stato ben dimostrato: in particolare, il tasso di regressione del nuovo grano combustibile è stato dimostrato essere superiore del 20% a quello del combustibile a base di paraffina al flusso di massa di 4 g/s·cm2,32.
Un vantaggio del grano combustibile con una struttura elicoiale annidata è che è semplice da produrre. Il processo di stampaggio richiede principalmente un miscelatore di fusione, una centrifuga e una stampante 3D. Il substrato ABS formato dalla stampa 3D riduce notevolmente i costi di produzione. Un altro vantaggio significativo e unico è che l’effetto di miglioramento non scompare durante il processo di combustione.
Questo documento presenta il sistema sperimentale e la procedura per migliorare le prestazioni di combustione di un motore a razzo ibrido utilizzando la nuova struttura del grano combustibile. Inoltre, questo documento presenta tre confronti rappresentativi dei parametri delle prestazioni di combustione per dimostrare la fattibilità della tecnica, tra cui la frequenza di oscillazione della pressione della camera di combustione, il tasso di regressione e l’efficienza di combustione caratterizzata da velocità caratteristica.
Protocol
Representative Results
Discussion
La tecnica presentata in questo articolo è un nuovo approccio che utilizza un grano combustibile con una struttura elicoiale annidata. Non vi sono difficoltà nella creazione delle attrezzature e degli impianti necessari. La struttura elicoiale può essere facilmente prodotta dalla stampa 3D e la nidificazione di combustibili a base di paraffina può essere facilmente effettuata mediante colata centrifuga. Le stampanti 3D FDM (Fused Deposition Molding) non sono costose e il costo delle centrifughe è basso.
<p class…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato supportato dalla National Natural Science Foundation of China (Grant n. 11802315, 11872368 e 11927803) e dalla Equipment Pre-Research Foundation del National Defense Key Laboratory (Grant n. 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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