İç içe helisel yapıya sahip Yeni Bir Yakıt Tanesi Kullanarak Hibrit Roket Motorunun Yanma Performansını Artırma
Summary
Bir hibrid roket motoruyanma performansını artırmak için yeni bir iç içe sarmal yapısı ile katı yakıt tahıl kullanan bir teknik sunulmaktadır.
Abstract
Yeni bir yakıt tane yapısı kullanarak bir hibrid roket motoruyanma performansını artırmak için bir teknik sunulmaktadır. Bu teknik, komşu vanes arasındaki oluklarda oluşan girdap akışı ve sirkülasyon bölgeleri ile hem madde hem de enerji alışverişini artıran akrilonitril bütadien stiren ve parafin bazlı yakıtların farklı regresyon oranlarını kullanır. Santrifüj döküm tekniği üç boyutlu baskı ile yapılan bir akrilonitril butadiene stiren substrat içine parafin bazlı yakıt döküm için kullanılır. Oksijeni oksitleyici olarak kullanarak, yeni yakıt tanelerinin yanma performansını araştırmak için bir dizi test yapılmıştır. Parafin bazlı yakıt tanelerine kıyasla, yanma süreci boyunca muhafaza edilebilen iç içe bağlı sarmal yapıya sahip yakıt taneleri, regresyon oranında önemli bir iyileşme ve yanma veriminin iyileştirilmesinde büyük bir potansiyel göstermiştir.
Introduction
Bir hibrid roket motoru yanma performansını artırmak için bir teknik acilen gereklidir. Bugüne kadar, hibrid roket motorlarının pratik uygulamaları hala çok daha az bu katı ve sıvı roket motorları1,2. Geleneksel yakıtların düşük regresyon oranı hibrid roket motoru için itme performansının iyileştirilmesi sınırlar3,4. Buna ek olarak, yanma verimliliği, Şekil 1’degösterildiği gibi, içten difüzyon yanma5nedeniyle diğer kimyasal enerji roketleri biraz daha düşüktür. Çeşitli teknikler çalışılmış ve geliştirilmiş olmasına rağmen, çok bağlantı noktalarıkullanımıgibi 6 , katkı maddeleriarttırıcı 7,8,9, sıvılaştırıcı yakıt10,11,12, girdap enjeksiyon13, çıkıntılar14, ve blöf vücut15, Bu yaklaşımlar hacim kullanımı sorunları ile ilişkilidir, yanma verimliliği, mekanik performans, ve artıklık kalitesi. Şimdiye kadar, bu eksiklikleri yok yakıt tahıl, yapısal iyileştirme, yanma performansını artırmak için etkili bir araç olarak daha fazla dikkat çekti16,17. Üç boyutlu (3D) baskı gelişiyle hızlı ve ucuza ya karmaşık konvansiyonel tahıl tasarımları veya konvansiyonel olmayanyakıt taneleri18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30üretmek için yeteneği ile hibrid roket motorlarının performansını artırmak için etkili bir yol brough vardır . Ancak, yanma işlemi sırasında, yanma performansı ndaki bu gelişmeler karakteristik yapı yanma ile azalır, yanma performansı bir azalma ile sonuçlanan23. Biz yeni bir tasarım hibrid roket motorları performansını artırmada yararlı olduğunu göstermiştir31. Bu teknik ve temsil sonuçları için detay bu yazıda sunulmuştur.
Yakıt tanesi akrilonitril-bütadiene-stiren (ABS) ve iç içe parafin bazlı yakıt tarafından yapılan sarmal substrat oluşur. Santrifüj ve 3D baskıya bağlı olarak, farklı regresyon oranlarına sahip iki yakıtın avantajları birleştirildi. Yanma sonrası yakıt taneciğin özel sarmal yapısı Şekil 2’de gösterilmiştir. Gaz yakıt tanesinden geçtiğinde, bıçaklararasındaki oluklarda aynı anda çok sayıda sirkülasyon bölgesi oluşturulur ve bu şekil 3’te gösterilmiştir. İç yüzeydeki bu karakteristik yapı, yanma odasındaki türbülans kinetik enerjisini ve girdap sayısını arttırır ve yanma odasında hem madde hem de enerji alışverişini artırır. Sonuçta, yeni yakıt tahıl regresyon oranı etkili bir şekilde geliştirilmiştir. Regresyon oranını artırmanın etkisi iyi kanıtlanmıştır: özellikle, yeni yakıt tanesinin regresyon oranı nın 4 g/s·cm2,32kütle akısı ndaki parafin bazlı yakıttan %20 daha yüksek olduğu gösterilmiştir.
İç içe sarmal yapıya sahip yakıt tanelerinin bir avantajı da üretiminin basit olmasıdır. Kalıplama işlemi esas olarak bir erime karıştırıcı, bir santrifüj ve bir 3D yazıcı gerektirir. 3D baskının oluşturduğu ABS alt katmanı üretim maliyetini büyük ölçüde azaltır. Bir diğer önemli ve benzersiz avantajı da geliştirme efektinin yanma işlemi sırasında kaybolmamasıdır.
Bu kağıt, yeni yakıt tane yapısı kullanarak bir hibrid roket motoru yanma performansını artırmak için deneysel sistem ve prosedür sunuyor. Ayrıca, bu kağıt yanma odası basıncı salınım frekansı, regresyon oranı ve karakteristik hız ile karakterize yanma verimliliği de dahil olmak üzere tekniğin fizibilite kanıtlamak için yanma performans parametrelerinin üç temsili karşılaştırmalar sunar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu yazıda sunulan teknik, iç içe bağlı sarmal yapılı bir yakıt tanesi kullanılarak yeni bir yaklaşımdır. Gerekli ekipman ve tesislerin kurulmasında herhangi bir güçlük yoktur. Sarmal yapı 3D baskı ile kolayca üretilebilir ve parafin bazlı yakıtların iç içe geçmeleri santrifüj döküm ile kolayca yapılabilir. Erimiş biriktirme kalıplama (FDM) 3D yazıcılar pahalı değildir ve santrifüjmaliyeti düşüktür.
Şekilli yakıt taneciliğinin iç yüzeyinde göz ardı…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı (Grant Nos. 11802315, 11872368 ve 11927803) ve Ekipman Ön Araştırma Vakfı Ulusal Savunma Anahtar Laboratuvarı (Grant No. 6142701190402) tarafından desteklenmiştir.
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).
