Улучшение производительности сгорания гибридного ракетного двигателя с использованием нового топливного зерна с неуястной гелиальной структурой
Summary
Представлена техника использования твердого топливного зерна с новой вложенной гелиальной структурой для улучшения характеристики сгорания гибридного ракетного двигателя.
Abstract
Представлена методика повышения производительности сгорания гибридного ракетного двигателя с использованием новой структуры топливного зерна. Этот метод использует различные темпы регрессии акрилонитриле бутадиена и парафина на основе топлива, которые увеличивают обмены материи и энергии вихревым потоком и зонами рециркуляции, образовавшимися на канавках между соседними тунеядами. Метод центробежного литья используется для того, чтобы превратить топливо на основе парафина в акрилонитрил бутадиеновый субстрат, сделанный трехмерной печатью. Используя кислород в качестве окислителя, была проведена серия испытаний для исследования эффективности сжигания нового топливного зерна. По сравнению с зернами топлива на основе парафина, топливное зерно с вложенной гелиальной структурой, которое может поддерживаться на протяжении всего процесса сгорания, показало значительное улучшение скорости регрессии и большой потенциал в повышении эффективности сгорания.
Introduction
Срочно требуется методика повышения производительности сгорания гибридного ракетного двигателя. На сегодняшний день практическое применение гибридных ракетных двигателей по-прежнему намного меньше, чем у твердотопливных и жидкостныхракетных двигателей 1,2. Низкий уровень регрессии традиционных видов топлива ограничивает улучшение производительности тяги для гибридного ракетного двигателя3,4. Кроме того, его эффективность сгорания немного ниже, чем у других химических энергетических ракет из-за внутреннегосгорания диффузии 5, как показано на рисунке 1. Хотя различные методы были изучены и разработаны,такие как использование мульти-порты 6,повышение добавок 7,8,9, сжижение топлива10,11,12,вихревой впрыск 13,выступы 14, и блеф тела15, эти подходы связаны с проблемами в использовании объема, эффективность сгорания, механические характеристики, и избыточность качества. До сих пор структурное улучшение топливного зерна, которое не имеет этих недостатков, привлекло больше внимания в качестве эффективного средства повышенияпроизводительности сгорания 16,17. Появление трехмерной (3D) печати имеет brough эффективный способ увеличить производительность гибридных ракетных двигателей за счет возможности быстрого и недорого производить либо сложные обычные конструкции зернаили нетрадиционные зерна топлива 18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30. Однако, во время процесса сгорания, эти улучшения в производительности сгорания уменьшается с характерной структурой горения, в результате чего снижение производительности сгорания23. Мы показали, что новый дизайн полезен в повышении производительности гибридных ракетных двигателей31. Подробная информация об этом методе и репрезентативных результатах представлена в настоящем документе.
Топливное зерно состоит из геличного субстрата, изготовленного из адрилонитрила-бутадиена-стироля (ABS) и вложенного парафинового топлива. На основе центробежной и 3D-печати преимущества двух видов топлива с различными показателями регрессии были объединены. Специальная гелиная структура топливного зерна после сгорания показана на рисунке 2. Когда газ проходит через топливное зерно, многочисленные зоны рециркуляции одновременно создаются на канавках между лопастями, что показано на рисунке 3. Эта характерная структура на внутренней поверхности увеличивает турбулентность кинетической энергии и вихревой номер в камере сгорания, которые увеличивают обмены материи и энергии в камере сгорания. В конечном счете, скорость регрессии нового топливного зерна эффективно улучшается. Эффект от повышения скорости регрессии хорошо доказан: в частности, было продемонстрировано, что скорость регрессии нового топливного зерна на 20% выше, чем у парафинового топлива при массовом потоке 4г/см 2,32.
Одним из преимуществ топливного зерна с вложенной гелиальной структурой является то, что его просто изготовить. Процесс литья в основном требует смесителя расплава, центрифуги и 3D-принтера. Субстрат ABS, образованный 3D-печатью, значительно снижает производственные затраты. Другим важным и уникальным преимуществом является то, что эффект повышения не исчезает во время процесса сгорания.
В настоящем документе представлена экспериментальная система и процедура улучшения характеристики сгорания гибридного ракетного двигателя с использованием новой структуры топливного зерна. Кроме того, в настоящем документе представлены три репрезентативных сравнения параметров производительности сгорания, чтобы доказать осуществимость метода, включая частоту колебаний давления камеры сгорания, скорость регрессии и эффективность сгорания, характеризующуюся характерной скоростью.
Protocol
Representative Results
Discussion
Техника, представленная в этой работе, представляет 100-й подход с использованием топливного зерна с вложенным helical структурой. Нет никаких трудностей в создании необходимого оборудования и оборудования. Гелиальная структура может быть легко произведена с помощью 3D-печати, а гнездовани…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана Национальным фондом естественных наук Китая (Grant No 11802315, 11872368 и 11927803) и Фондом прединтуки оборудования Национальной оборонной ключевой лаборатории (Grant 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).
