ネストされたらせん構造を持つ新規燃料粒子を用いたハイブリッドロケットエンジンの燃焼性能の向上

ハイブリッドロケットエンジンの燃焼性能を向上させる技術が急務である。現在までに、ハイブリッドロケットエンジンの実用的なアプリケーションは、固体および液体ロケットエンジン^1、2よりもはるかに少ないです。従来の燃料の低回帰速度は、ハイブリッドロケットエンジン^3、4の推力性能の向上を制限します。また、その燃焼効率は、内部拡散燃焼⁵による他の化学エネルギーロケットのそれよりもわずかに低い、図1に示すように。マルチポート^6、強化添加剤7、8、9、液化燃料10、11、12、旋回噴射^13、突起^14、およびブラフボディ¹⁵の使用など、様々な技術が研究・開発されているが、これらのアプローチは、体積利用、燃焼効率、機械的性能、および冗長性の問題に関連している。これまで、これらの欠点を有さない燃料粒の構造改善は、燃焼性能^16,17を改善する有効な手段としてより注目を集めている。3次元(3D)印刷の出現は、複雑な従来の穀物設計または非従来型の燃料穀物18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30を迅速かつ安価に生産する能力を通じて、ハイブリッドロケットエンジンの性能を向上させる効果的な方法を持^{っています}。しかし、燃焼過程の間、これらの燃焼性能の改善は特性構造燃焼とともに減少し、燃焼性能²³の低下をもたらす。我々は、新しい設計がハイブリッドロケットエンジン³¹の性能向上に有用であることを実証した。この技術の詳細と代表的な結果を本稿で紹介します。

燃料粒は、アクリロニトリル-ブタジエンスチレン(ABS)とネストパラフィンベースの燃料によって作られたヘリカル基板で構成されています。遠心と3D印刷に基づいて、異なる回帰速度を持つ2つの燃料の利点を組み合わせました。燃焼後の燃料粒の特殊ならせん構造を図2に示す。ガスが燃料粒を通過すると、多数の再循環ゾーンが、図 3に示すブレード間の溝に同時に作成されます。この内面の特徴的な構造は燃焼室の乱流運動エネルギーと渦巻き数を増加させ、燃焼室内の物質とエネルギーの交換を増加させる。最終的には、新規燃料粒の回帰速度が効果的に改善される。回帰率の改善効果は十分に証明されている:特に、新規燃料粒の回帰速度は、4g/s·cm2,32の質量流束でパラフィン系燃料のそれよりも^20%高いことが実証された。

ネストされたらせん構造を持つ燃料穀物の1つの利点は、製造が簡単であるということです。成形プロセスには、主にメルトミキサー、遠心分離機、3Dプリンタが必要です。3D印刷により形成されるABS基板は製造コストを大幅に削減します。もう一つの重要かつユニークな利点は、燃焼プロセス中に増強効果が消えないということです。

本論文では、新しい燃料粒構造を用いてハイブリッドロケットエンジンの燃焼性能を向上させる実験システムと手順を紹介する。さらに、この技術の実現可能性を証明する燃焼性能パラメータの3つの代表的な比較を示し、燃焼室の圧力の発振頻度、回帰速度、および特徴的な速度を特徴とする燃焼効率を含む。