Mejorar el rendimiento de combustión de un motor de cohete híbrido utilizando un nuevo grano de combustible con una estructura helicoidal anidada
Summary
Se presenta una técnica que utiliza un grano de combustible sólido con una novedosa estructura helicoidal anidada para mejorar el rendimiento de combustión de un motor cohete híbrido.
Abstract
Se presenta una técnica para mejorar el rendimiento de combustión de un motor cohete híbrido utilizando una nueva estructura de grano de combustible. Esta técnica utiliza las diferentes tasas de regresión de los combustibles a base de acrilonitrilo butadieno y parafina, que aumentan los intercambios de materia y energía mediante zonas de flujo de remolino y recirculación formadas en las ranuras entre las paletas adyacentes. La técnica de fundición centrífuga se utiliza para fundir el combustible a base de parafina en un sustrato de estireno de acrilonitrilo butadieno hecho por impresión tridimensional. Utilizando el oxígeno como oxidante, se llevaron a cabo una serie de pruebas para investigar el rendimiento de combustión del nuevo grano de combustible. En comparación con los granos de combustible a base de parafina, el grano de combustible con una estructura helicoidal anidada, que se puede mantener durante todo el proceso de combustión, mostró una mejora significativa en la tasa de regresión y un gran potencial en la mejora de la eficiencia de combustión.
Introduction
Se requiere urgentemente una técnica para mejorar el rendimiento de combustión de un motor de cohete híbrido. Hasta la fecha, las aplicaciones prácticas de los motores de cohetes híbridos son todavía mucho menores que las de los motores de cohetes sólidos y líquidos1,2. La baja tasa de regresión de los combustibles tradicionales limita la mejora del rendimiento del empuje para el motor de cohete híbrido3,4. Además, su eficiencia de combustión es ligeramente inferior a la de otros cohetes de energía química debido a la combustión de difusión interna5,como se muestra en la Figura 1. Aunque se han estudiado y desarrollado diversas técnicas, como el uso de múltiples puertos6, mejora de aditivos7,8,9, combustible licuado10,11,12, inyección de remolino13, protuberancias14, y cuerpo de farol15, estos enfoques están asociados con problemas en la utilización del volumen, eficiencia de combustión, rendimiento mecánico, y calidad de redundancia. Hasta ahora, la mejora estructural del grano de combustible, que no tiene estas deficiencias, ha atraído más atención como medio eficaz de mejorar el rendimiento de combustión16,17. El advenimiento de la impresión tridimensional (3D) ha sido una forma eficaz de aumentar el rendimiento de los motores de cohetes híbridos a través de la capacidad de producir de forma rápida y económica diseños de granos convencionales complejos o granos de combustible no convencionales18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30. Sin embargo, durante el proceso de combustión, estas mejoras en el rendimiento de combustión disminuyen con la quema de la estructura característica, lo que resulta en una disminución en el rendimiento de combustión23. Hemos demostrado que un diseño novedoso es útil para mejorar el rendimiento de los motores de cohetes híbridos31. El detalle de esta técnica y los resultados representativos se presentan en este documento.
El grano de combustible consiste en un sustrato helicoidal hecho por acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS) y un combustible anidado a base de parafina. Basado en la impresión centrífuga y 3D, se combinaron las ventajas de los dos combustibles con diferentes tasas de regresión. La estructura helicoidal especial del grano de combustible después de la combustión se muestra en la Figura 2. Cuando el gas pasa a través del grano de combustible, se crean simultáneamente numerosas zonas de recirculación en ranuras entre cuchillas, que se muestra en la Figura 3. Esta estructura característica en la superficie interior aumenta la energía cinética de turbulencia y el número de remolinos en la cámara de combustión, que aumentan los intercambios de materia y energía en la cámara de combustión. En última instancia, la tasa de regresión del nuevo grano de combustible se mejora efectivamente. El efecto de mejorar la tasa de regresión ha sido bien demostrado: en particular, se demostró que la tasa de regresión del nuevo grano de combustible era un 20% superior a la del combustible a base de parafina en el flujo de masa de 4g/s-cm 2,32.
Una ventaja del grano de combustible con una estructura helicoidal anidada es que es fácil de fabricar. El proceso de moldeo requiere principalmente un mezclador de fusión, una centrífuga y una impresora 3D. El sustrato ABS formado por la impresión 3D reduce en gran medida el costo de fabricación. Otra ventaja significativa y única es que el efecto de mejora no desaparece durante el proceso de combustión.
Este documento presenta el sistema experimental y el procedimiento para mejorar el rendimiento de combustión de un motor de cohete híbrido utilizando la nueva estructura de grano de combustible. Además, este documento presenta tres comparaciones representativas de los parámetros de rendimiento de combustión para demostrar la viabilidad de la técnica, incluida la frecuencia de oscilación de la presión de la cámara de combustión, la tasa de regresión y la eficiencia de combustión caracterizada por la velocidad característica.
Protocol
Representative Results
Discussion
La técnica presentada en este artículo es un enfoque novedoso utilizando un grano de combustible con una estructura helicoidal anidada. No hay dificultades para establecer el equipo y las instalaciones necesarias. La estructura helicoidal se puede producir fácilmente mediante la impresión 3D, y la anidación de combustibles a base de parafina se puede llevar a cabo fácilmente mediante la fundición centrífuga. Las impresoras 3D de moldeo por deposición fundida (FDM) no son costosas y el costo de las centrífugas e…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (Grant Nos. 11802315, 11872368 y 11927803) y equipment Pre-Research Foundation of National Defense Key Laboratory (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 |
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