Verbesserung der Verbrennungsleistung eines Hybrid-Raketenmotors mit einem neuartigen Kraftstoffkorn mit einer verschachtelten Helical-Struktur

Eine Technik zur Verbesserung der Verbrennungsleistung eines Hybridraketenmotors ist dringend erforderlich. Bis heute sind die praktischen Anwendungen von Hybridraketentriebwerken noch weit geringer als die von festigen und flüssigen Raketentriebwerken^1,2. Die niedrige Regressionsrate traditioneller Kraftstoffe begrenzt die Verbesserung der Schubleistung für den Hybridraketenmotor^3,4. Darüber hinaus ist seine Verbrennungseffizienz aufgrund der Verbrennungsverbrennung⁵etwas geringer als die anderer chemischer Energieraketen, wie in Abbildung 1dargestellt. Obwohl verschiedene Techniken untersucht und entwickelt wurden, wie die Verwendung von Multi-Ports⁶, Verbesserung der Additive^7,8,9, Verflüssigung Kraftstoff^10,11,12, Wirbelinjektion¹³, Vorsprünge¹⁴, und Bluff Körper¹⁵, Diese Ansätze sind mit Problemen in der Volumenauslastung verbunden, Verbrennungseffizienz, mechanische Leistung, und Redundanzqualität. Bisher hat die strukturelle Verbesserung des Brennstoffkorns, das diese Mängel nicht aufweist, mehr Aufmerksamkeit als wirksames Mittel zur Verbesserung der Verbrennungsleistung erregt^16,17. Das Aufkommen des dreidimensionalen (3D) Drucks hat eine effektive Möglichkeit, die Leistung von Hybrid-Raketenmotoren durch die Fähigkeit zu erhöhen, schnell und kostengünstig entweder komplexe konventionelle Korndesigns oder unkonventionelle Brennstoffkörner^{18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30}zu produzieren. Während des Verbrennungsprozesses verringern sich diese Verbesserungen der Verbrennungsleistung jedoch mit der charakteristischen Strukturverbrennung, was zu einer Abnahme der Verbrennungsleistung^{führt 23}. Wir haben gezeigt, dass ein neuartiges Design nützlich ist, um die Leistung von Hybridraketentriebwerken zu verbessern³¹. Die Einzelheiten zu dieser Technik und repräsentative Ergebnisse werden in diesem Papier vorgestellt.

Das Brennstoffkorn besteht aus einem Spiralsubstrat aus Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) und einem verschachtelten Paraffin-basierten Kraftstoff. Basierend auf Zentrifugal- und 3D-Druck wurden die Vorteile der beiden Kraftstoffe mit unterschiedlichen Regressionsraten kombiniert. Die spezielle Spiralstruktur des Brennstoffkorns nach der Verbrennung ist in Abbildung 2 dargestellt. Wenn Gas durch das Brennstoffkorn fließt, entstehen gleichzeitig zahlreiche Umwälzzonen an Nuten zwischen den Klingen, wie in Abbildung 3dargestellt. Diese charakteristische Struktur auf der inneren Oberfläche erhöht die Turbulenzen kinetische Energie und Wirbelzahl in der Brennkammer, die den Austausch von Materie und Energie in der Brennkammer erhöhen. Letztlich wird die Regressionsrate des neuartigen Brennstoffkorns effektiv verbessert. Die Wirkung der Verbesserung der Regressionsrate ist gut bewiesen: Insbesondere wurde die Regressionsrate des neuartigen Brennstoffkorns als 20 % höher als die des Paraffin-basierten Brennstoffs bei einem Massenstrom von 4 g/cm^2,32nachgewiesen.

Ein Vorteil des Brennstoffkorns mit einer verschachtelten Spiralstruktur ist, dass es einfach herzustellen ist. Der Formprozess erfordert hauptsächlich einen Schmelzmischer, eine Zentrifuge und einen 3D-Drucker. Das durch 3D-Druck gebildete ABS-Substrat reduziert die Herstellungskosten erheblich. Ein weiterer wesentlicher und einzigartiger Vorteil ist, dass der Verbesserungseffekt während des Verbrennungsprozesses nicht verschwindet.

In diesem Beitrag werden das experimentelle System und verfahren zur Verbesserung der Verbrennungsleistung eines Hybridraketenmotors unter Verwendung der neuartigen Kraftstoffkornstruktur dargestellt. Darüber hinaus stellt dieses Papier drei repräsentative Vergleiche von Verbrennungsleistungsparametern vor, um die Durchführbarkeit der Technik zu beweisen, einschließlich der Schwingungsfrequenz des Verbrennungsraumdrucks, der Regressionsrate und der Verbrennungseffizienz, die durch die charakteristische Geschwindigkeit gekennzeichnet sind.