중첩 헬리칼 구조의 새로운 연료 입자를 사용하여 하이브리드 로켓 엔진의 연소 성능 향상
Summary
하이브리드 로켓 엔진의 연소 성능을 향상시키기 위해 새로운 중첩 헬리칼 구조로 고체 연료 곡물을 활용하는 기술이 제시됩니다.
Abstract
새로운 연료 입자 구조를 사용하여 하이브리드 로켓 엔진의 연소 성능을 향상시키는 기술이 제시된다. 이 기술은 아크릴로니톨 부타디엔 스티렌과 파라핀 기반 연료의 다양한 회귀 율을 활용하여 인접한 베인 사이의 홈에서 형성된 소용돌이 흐름및 재순환 영역에 의해 물질과 에너지의 교환을 증가시다. 원심 주조 기술은 파라핀 기반 연료를 3차원 인쇄로 만든 아크릴로니톨 부타디엔 스티렌 기판으로 캐스팅하는 데 사용됩니다. 산소를 산화제로 사용하여, 새로운 연료 곡물의 연소 성능을 조사하기 위한 일련의 테스트를 실시했습니다. 파라핀 계 연료 곡물과 비교하여, 연소 공정 전반에 걸쳐 유지될 수 있는 중첩 된 헬리칼 구조를 가진 연료 곡물은 회귀 속도의 상당한 개선과 연소 효율 개선의 큰 잠재력을 보였다.
Introduction
하이브리드 로켓 엔진의 연소 성능을 향상시키는 기술이 시급히 필요합니다. 현재까지 하이브리드 로켓 엔진의 실용적인 응용 분야는 여전히 고체 및 액체 로켓 엔진1,2보다훨씬 적습니다. 기존 연료의 낮은 회귀 속도는 하이브리드 로켓 엔진3,4에대한 추력 성능의 향상을 제한한다. 또한, 그 연소 효율은 도 1에도시된 바와 같이 내부 확산 연소5로인한 다른 화학 에너지 로켓의 연소 효율보다 약간 낮다. 다중항6의사용, 첨가제7,8,9,액화 연료10,11,12,소용돌이 주입13,돌출14,및 절벽몸(15)의사용과 같은 다양한 기술을 연구 및 개발했지만, 이러한 접근 방식은 부피 활용, 연소 효율, 기계적 성능 및 적색품질 의 문제와 관련이 있다. 지금까지 이러한 단점이 없는 연료 곡물의 구조적 개선은 연소 성능향상(16,17)을개선하는 효과적인 수단으로 더욱 주목받고 있다. 3차원(3D) 프린팅의 출현은 복잡한 종래의 곡물 설계 또는 비전통적인 연료 곡물18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30을신속하고 저렴하게 생산할 수 있는 능력을 통해 하이브리드 로켓 엔진의 성능을 향상시키는 효과적인 방법을 가지고있다. 그러나, 연소 과정에서, 연소 성능의 이러한 개선은 특성 구조 연소와 함께 감소, 연소 성능(23)의감소의 결과. 하이브리드 로켓엔진(31)의성능 향상에 새로운 디자인이 유용하다는 것을 입증했습니다. 이 기술 및 대표 결과에 대한 세부 사항은 이 백서에 나와 있습니다.
연료 곡물은 아크릴로니톨-부타디엔 스티렌(ABS)과 중첩 파라핀 기반 연료로 만든 헬리칼 기판으로 구성됩니다. 원심 및 3D 프린팅을 기반으로 회귀 율이 다른 두 연료의 장점이 결합되었습니다. 연소 후 연료 곡물의 특수 헬리칼 구조는 도 2에 도시된다. 가스가 연료 곡물을 통과할 때, 수많은 재순환 구역은 그림 3에표시된 블레이드 사이의 홈에서 동시에 생성됩니다. 내부 표면에 이러한 특성 구조는 연소실에서 난기류 운동 에너지와 소용돌이 수를 증가시키고, 이는 연소실에서 물질과 에너지의 교환을 증가시킨다. 궁극적으로, 새로운 연료 곡물의 회귀 속도가 효과적으로 향상됩니다. 회귀율을 개선하는 효과는 잘 입증되었다: 특히, 새로운 연료 곡물의 회귀 속도는 4 g/s/cm2,32의질량 플럭스에서 파라핀 기반 연료의 20% 보다 높은 것으로 나타났다.
중첩 된 헬릭 구조를 가진 연료 곡물의 한 가지 장점은 제조가 간단하다는 것입니다. 성형 공정은 주로 용융 믹서, 원심분리기 및 3D 프린터가 필요합니다. 3D 프린팅에 의해 형성된 ABS 기판은 제조 비용을 크게 절감합니다. 또 다른 중요하고 독특한 장점은 연소 과정에서 개선 효과가 사라지지 않는다는 것입니다.
이 백서는 새로운 연료 입자 구조를 사용하여 하이브리드 로켓 엔진의 연소 성능을 향상시키기 위한 실험 시스템과 절차를 제시합니다. 또한, 이 백서는 연소실 압력의 진동 주파수, 회귀 속도 및 특성 속도특징연소 효율을 포함하여 기술의 타당성을 증명하기 위해 연소 성능 파라미터의 3가지 대표적인 비교를 제시합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
이 논문에 제시된 기술은 중첩 된 헬리칼 구조를 가진 연료 곡물을 사용하는 새로운 접근 방식입니다. 필요한 장비와 시설을 설치하는 데 어려움이 없습니다. 이 망막 구조는 3D 프린팅에 의해 용이하게 생성될 수 있으며, 파라핀 기반 연료의 중첩은 원심 주조에 의해 용이하게 수행될 수 있다. 융합 된 증착 성형 (FDM) 3D 프린터는 비싸지 않으며 원심 분리기의 비용이 낮습니다.
<p class="jove_content"…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작품은 중국 국립자연과학재단(그랜트 Nos. 11802315, 11872368, 11927803) 및 국방핵심연구소 장비 사전연구재단(6142701190402)이 지원했다.
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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