解放日报:民间火箭实验记

民间火箭实验记

2012年6月18日   孔令君

胡振宇向记者展示火箭发动机的固体燃料。(孔令君 摄)

罗澍正在准备火箭发动机的地面测试。(采访对象提供)
几位广州的大学生,正在造火箭,暂定7月份将正式发射。

他们研制的火箭,还是“真正意义”的“系统化设计”火箭,重约50公斤,高约3米,能携带气象、传感、无线电侦测等电子设备,发射到约5000米的高空,并用降落伞整体回收,堪称国内业余爱好者研制的最大、最先进火箭。

“神九”发射成功后,且听民间火箭的故事。

四位“技术宅男”的“火箭F4”

胡振宇负责火箭的发动机、箭体设计及燃料,他高中偏科化学,凭着体育特长进了华南理工大学学管理,但心中念念不忘的,总是化学实验和燃料、炸药。这个造火箭的团队成员大多如此,自认是“技术宅男”,聚在一起谈论的话题,全是旁人听不懂的科技术语。

罗澍负责航空电子设备和数据采集,他在高中时便是湛江一中有名的“小发明家”,曾获全国发明展览会金奖,被中山大学自主招生录取。负责备用方案设计的张子林,“玩火箭”好几年,所有朋友都津津乐道于他家的“阳台实验室”,一团糟。还有自由职业者陈诗会,空闲时设计制造了火箭的无线点火器。

他们,大多大一大二,十七八岁。

全国业余火箭爱好者不过几十人

造火箭,是出于爱好。

罗澍说,他给火箭做航电设备,是为追求技术的提高。他喜欢挑战高难度,在高速高空高摩擦的火箭中,想要保证电子设备稳定工作,即使是罗澍这种出色的电子信息专业学生,也面临大量难题。

最初,胡振宇曾喜欢偷偷造一些实验炸药,追求“瞬间冲击波响彻云霄”的快感;罗澍和张子林高中时就自制火箭,一个追求精确控制,一个追求火箭“一飞冲天”的快感……

真正让“游戏火箭”的几个人聚在一起,正儿八经地造火箭,是因为一个叫“科创”的科技爱好者论坛,论坛甚至还牵头成立了“科创航天局”,召集全国相关方面的爱好者互帮互助造火箭,还设定了具体的火箭研制时间表。

“这个圈子很小,全国的业余火箭爱好者,不过几十人。”胡振宇说。每一年,这些火箭迷们会从各地赴年会相聚,交流经验,到无人山区射几颗小火箭以庆祝。这些火箭迷,成了大学生们的外援,帮忙做一些零件,讨论指正每一次测试中的数据和问题……这次造火箭,追求的远不仅是快感,而是技术的收获和思考。

“万户Ⅱ号”以发动机爆炸而收场

他们失败过。

从去年9月起,胡振宇、罗澍等人的“火箭项目”正式开始。他们勤工俭学、省吃俭用,凑钱制造名为“万户”的火箭。

没有经验,没有资金,他们利用尽可能方便的资源,拿PVC管材做箭体,借学校的实验室和小工厂的车床做电子芯片和发动机,基本全靠自己动手。“造火箭很烧钱,就这样也花了至少1.8万元。”胡振宇说。但“万户”火箭像模像样,流线型箭体,黝黑的空心锥发动机喷嘴,看起来就像是微缩版的长征火箭,初次设计的飞行高度是640米。

但发射并不顺利,去年11月,“万户Ⅰ号”被空管部门叫停,改为在广州大学城进行地面模拟测试;12月,大学生们终于争取到空管部门的支持,在规避航道的偏远建筑空地试射“万户Ⅱ号”,却以发动机爆炸、发射失败收场。

正要放弃,他们意外地得到了华南理工大学一位校友的资助,有了10万元的项目资金,为他们租了实验室。更重要的是,资助者正是一家家电企业老板,工厂里有精密数控车床可借用。从此,他们除了上课,就往工厂和实验室跑。

爆炸可能因隔热层一个发丝般缝隙

火箭爆炸,主要因为准备仓促,燃料、发动机没有经过足够充分的测试。

有了钱、有了失败经验,这次他们造火箭谨慎了很多。

但凭几个“毛孩”,造火箭岂是易事?哪怕是造一台业余火箭,其中涉及到的跨学科问题,千头万绪。火箭头锥的曲线,箭体如何与发动机连接,喷射口的角度,乃至每一枚螺丝钉的选材和尺寸,都需要经过严格测试,再通过软件进行不断验证,才得出最后数据。比如,火箭尾翼上的一颗螺丝,首先要计算它的承受力,若数据偏差,发射时可能尾翼脱落;记者在实验室看见好几个发动机“残骸”,爆炸的原因,可能仅仅是隔热层有一个发丝般的缝隙……许多因素,都会导致火箭发射功亏一篑。

而要得到各个部件的可靠数据,需要长时间大量的重复测试,胡振宇和罗澍等人,为此常常通宵做实验。每个人的电脑中,都存满了能搜罗到的所有国内外火箭制造的论文、视频及数据资料。

几个人在一起,要讨论的问题无穷尽

火箭中最关键的,是发动机设计、燃料配比及航电设备。

他们的实验室里堆满了瓶瓶罐罐,为了配出最适合的火箭固体燃料,他们制造了11台“试验发动机”,每一次微调配方,都要反复测试数据并进行地面测试,失败爆炸了6台后,才确定下最终燃料配方,“这次的发动机,喷射超音速气流没问题。”胡振宇说。

航电与监控系统对专业要求更高。虽然是业余火箭,但罗澍像设计专业火箭一样,采用了冗余设计,几乎所有的电子设备都是双备份。并且,高空的环境干扰、高速摩擦产生的静电、火箭自带无线电设备的辐射等等,对电子设备的设计是个考验。

还有降落伞何时打开,怎么控制它打开,连接线缆要多大强度?几个人聚在一起,要讨论的问题无穷无尽。

胡振宇告诉记者,国内外的论文资料中,有不少设计火箭的内容,出于保密原因,大多粗略甚至“故意出错”,且理论与实践不同,他们有时参照国外数据,发现测试时怪问题层出不穷。而对于众多的设计细节,无师可求,只能靠自己。

但无论如何,罗澍对他们的火箭很自豪,火箭升空后内部压力、外壳湿度等数据都是实时采集传输的,论坛上一位火箭迷为他们提供了价值20万元的无线电接收机,可以进行实时数据收集。他们自行设计制造的航电部分,可以通过传感器实时捕捉到火箭的每一个微小动作……

对方问:你订这个干什么?答:造火箭

优秀的设计师,必须要有制造产品的实践经验。

要造火箭,仅仅是成绩优秀、理论丰富的聪明人还不够。他们遇到的问题,繁琐而棘手。

火箭的不少关键部件,包括燃料和电子设备,当然无法直接购买。能买到的,都只是原材料。比如,胡振宇打算采用碳纤维管做箭体材料,因为它够轻、强度够大,而且不影响无线信号传输。但碳纤维管很难加工,要买到适合口径的谈何容易,光是找到愿意为他们订制口径的厂商,就花了半个多月。

对方问你订这个干什么?胡振宇回答:造火箭。在采购材料的过程中,竟也因此得到不少意外的支持。

制造更难。比如火箭的头锥,内口深,一般的车床无法加工。胡振宇自行设计,将头锥分为三段分别加工。但具体怎么做,部件之间如何连接,给工人一张设计图显然不够,就需要他们一趟趟跑工厂、下车间了。

资助者希望火箭挂上企业宣传条幅

胡振宇在工厂和师傅讨论设计,用了很多“一定”,“一定要垂直”,“一定要对上”。

这家家电厂的不少工人们都知道,他们是“造火箭”的,对加工的精度要求很高。但偶尔,也有工人私底下嘀咕:几个毛孩子,造火箭干什么?

寻求成就感之外,造民间火箭,是为科研。

罗澍告诉记者,他们想要研制的火箭,比探空气球飞得高,比低轨道的人造卫星飞得低,发射这类火箭可以收集数据,用于气象、天文等研究,也可为导弹、卫星、运载火箭和人造卫星的研制提供便利。他们曾经带着自己的火箭数据,去中科院与教授和博士生交流,得到不少认可。

他们志向高远,希望有朝一日,能和航天五院(中国空间技术研究院)靠拢,承接一些科研任务。但不仅是工人,连他们的资助者也对此都有些疑惑。资助者的希望之一,是在7月民间火箭发射时,能在火箭上挂上自家企业的宣传条幅。

民间火箭在国内的商业用途并不多

某家公司专营“玩具火箭”,外形逼真,点火后能发射,升空高度从几十米到上百米不等,一些公司开业,也会买来这种火箭像放鞭炮一样放几个,取个“一飞冲天”的好兆头。还有公司售卖小火箭,用于人工降雨,在山区使用成本低、效果不错。

显然,几位大学生研制“真火箭”意不在此,但他们对于未来的商业化,还没有明确的思路。

罗澍爱谈理想,他认为民间火箭的优势,在于成本低廉,能降低火箭的发射门槛,可以想象的美好未来,是给每个城市配备自己的通讯卫星。通过研制民间火箭,能提高不少领域的技术水平,甚至降低成本。罗澍真正感兴趣的,是将民间火箭中某些技术应用于无人机的导航系统。胡振宇的梦想,是能成立一家私人航天公司,将火箭及相关技术商业化。

“科研并不是功利的,在投入研究之前,没人能预料未来能因此带来怎样的技术革新和商业前景。”罗澍说。

“我们与国家航天事业的定位不同”

国家航天局负责造火箭,发射卫星。为何你们还要造?

这样的问题,不少人问过他们。而他们所自矜的,是业余爱好者的“精神”——不受约束的创造力和纯粹爱好者的热情。

“我们与国家航天事业的定位不同。”罗澍说,举全国之力研制建造的运载火箭,要求高可靠性、高性能、高度系统化、精密化,自然成本很高;而民间火箭可以大胆采用新材料、新技术,打破固有的体系和思维,追求环保和高效。

他们还将自己与北京航空航天大学近些年研制的火箭区分开来,认为那是专业院所的正式科研活动,与爱好者单纯的执着和热情截然不同。

胡振宇告诉记者,美国有十多家规模不同的私营航天公司,其中不少由航天爱好者发起,在数十年的航天技术革新中扮演不容小觑的角色,承接美国国家航空航天局的一些关键任务,而我国在这方面还是空白。

他们所希望的是人们能关注民间火箭实验的本身,而非飞行高度、技术创新等数据上的“意义”。

如今,胡振宇正在努力联系7月正式发射火箭的场地,以免再次被叫停。民间的科技爱好者,往往处于被误解、被忽视的尴尬境地,不仅难以得到实验条件的支持,更难有人对他们的实验损失提供保障。他们并不奢望科研立项,只希望社会管理的宽容和支持。

液体发动机地面试验事故(1201号事故通报)

2012年5月,贵州局在进行液体火箭发动机地面试验的准备工作时,发生一起大事故,现将事故情况通报如下。

事故概况:

甲、乙、丙三人在开阔地进行液体发动机地面点火试车的准备工作,该发动机采用浓缩过氧化氢-煤油推进剂系统,燃料挤压供应,氧化剂采用催化分解。试验人员依预订程序关闭氧化剂、燃料阀门,对氧化剂储槽加压到7MPa,拟在不送燃料的情况下,进行氧化剂输送系统的带压冷流测试。这种试验理论上危险性很低,因此甲乙丙三人站在发动机一侧,距离约1米的地方,使用遥控操作输送系统开机和调节流量。在甲按下开关的瞬间,发动机发生猛烈爆炸,靠近燃料喷注器侧的钢制发动机机体粉碎,法兰盘炸碎,催化床飞散失踪。靠近喷口一侧的约一半机体向反方向飞出十余米。

事故造成一人轻伤,两人轻微伤,并造成一定财产损失。甲颈部被破片击中,形成两处长约5厘米,深约0.3~0.5厘米狭长创口,缝合8针。乙口腔被一颗稀土陶瓷催化剂颗粒击中,颗粒深入组织内部,经手术取出。丙脚部被破片划伤血管,造成一定量出血。甲左侧耳朵听力受损,尚待听力鉴定。现场地面密布弹坑,附近一15mm钢管被破片切断,试验设备炸毁。

事故性质:自然事故。

事故级别:大事故。

事故原因分析:

事故发动机为采用再生冷却的钢制发动机,机体材质为40Cr,设计工作压强3MPa,耐压大于20MPa。事故发生前两天曾进行过一次小流量地面试车,未发生异常。在小流量试验时,氧化剂先用尽,因此关车后,燃料储槽中还剩大约200ml煤油。在事故发生前,未放尽燃料储槽中的煤油,也没有对发动机进行吹扫或清洗。本来此时发动机内是不存在煤油的,但是在事故发生前,为检查燃料节制阀的状态,在燃料储槽泄压的情况下,手工启闭过几次阀门。此时少量煤油(估计在几毫升到十几毫升量级)依靠重力滴入燃烧室。

在从实验室搬运发动机到试车场地的过程中,发动机发生倾斜,出现喷口高、氧化剂喷嘴低的姿势,使少量煤油逆流进氧化剂催化室。在搬运过程中,丙发现发动机外有少量液滴滴下,告知了其余人员,未引起警惕。发动机安装完毕后,按计划应进行燃料输送系统的试验,确保氧化剂输送系统可靠工作。试验步骤是:为氧化剂储槽加压到规定压力,然后单一开放氧化剂节制阀,使少量氧化剂进入发动机,催化分解产生氧和水;使用电动控制装置调节氧化剂阀门,控制氧化剂流量,观察喷气是否平稳、正常。该实验理论上没有爆炸风险,以前也多次重复进行,均未发生异常。但是该发动机氧化剂输送系统在设计上存在缺陷,即通电瞬间,调节阀操控电机必须短暂复位,而复位点为半开启状态,该过程持续约0.5秒。复位完成后,调节阀回到预设位置,一般预设为关闭位置。

在进行氧化剂输送系统测试之前,因试验理论风险很低,故没有清场。试验开始后,首先对输送系统上电复位,就在这0.5秒之内,大约40ml体积的92%过氧化氢在高压下注入发动机,立即与催化床上的煤油催化反应,形成高压或液相爆轰,导致猛烈爆炸。

本次事故的因素链包括:前次试验未吹扫——前次试验后未放空燃料储槽——事故之前手工检查燃料阀门时未截断燃料供应——倾斜搬运——发现液体异常滴落时未检查原因——氧化剂输送系统缺陷——未清场。

事故教训:

1、提高安全意识。
2、对每个环节的安全风险做充分估计,不放过任何安全隐患,必须改进后再实验,绝不能带病上马。
3、发现任何异常必须高度警惕,反复检查、论证,未查明原因和充分防范后果前,停止进一步试验。
4、凡是有氧化剂进入发动机的试验,必须清场。氧化剂、燃料加压前是否必须清场,另行论证。

(撰文:刘虎)

事故发动机

爆炸前

爆炸后

 

附:对本次事故的扩展认识

世界航天史上有多次人员近距离检修带推进剂的发动机或航天器时意外起火或爆炸的伤亡事故。

苏联P-16(SS-7),违章带推进剂检修第一级时第二级点火,战略火箭军司令等160人遇难。
(世界航天史上最严重的事故)
http://news.163.com/07/1026/15/3RO6EN6H0001124J.html

戚发轫回忆:风云2号在厂房里爆炸(实际上是固体发动机意外点火),1人遇难。
http://news.sina.com.cn/c/2010-07-15/060420681401.shtml

美国私人公司Scaled Composites太空船2号的固液混合发动机在地面测试中爆炸,3人遇难。
http://news.sina.com.cn/w/2007-07-28/130112287502s.shtml
注意图片,不仅发动机爆炸,整个氧化剂N2O储箱都爆炸了,现场一片焦黑。
事发时,研究人员正在测试一氧化二氮在发动机喷射器中的流动。

太空船2号的事故案例与本次事故类似,也是氧化剂系统冷流测试中意外爆炸。其原因在一些版本中疑似为N2O受到压缩冲击,触发自分解爆炸反应;当然也不排除易燃物沾染的可能性(有多起由于易燃物沾染引发的氧气厂爆炸案例)。高浓度H2O2与N2O具有类似的自分解爆炸性,本次事故没有波及到高浓度H2O2储箱实属万幸。

由于带推进剂操作时人员距离太近,仅靠防护措施很难实现本质安全。
此类操作应尽可能减少,只要有可能就改为遥控操作。
对于必须进行的带推进剂安装调试,从本次事故看,仅凭简单的记忆安全操作常识难以有效覆盖事故链。宜在操作前编写一份作业指导书,列出正常的操作流程和可能的异常情况、危险因素后再进行操作。

固体火箭由于氧化剂和燃料预先混合,带推进剂的操作涵盖了从混合药柱原料到试车的全过程。向发动机内安装药柱和点火药的组装过程较为危险;而对大直径药柱进行机械加工时产生的易燃切屑、扬尘(及其沾染机床遗留的隐患)容易被忽视。(刘彦君)

附:科创航天局事故分类

责任事故:违反安全规程、通用禁忌,或显然可以预见事故及其后果并且可以采取而未采取防范措施导致的事故。

自然事故:在排除责任事故的前提下,因对科学规律、技术矛盾缺乏掌握或公知的理论存在缺陷而无法预见,从而难以避免的事故。

技术事故:在排除责任事故和自然事故的前提下,因技术条件所限,尚无有效预防措施,难以避免的事故。

50mm直径M.L.(RAP)燃料固体火箭发动机的点火试验

50mm直径M.L.(RAP)燃料固体火箭发动机的点火试验

在前段时间科创航天局(KCSA)301所已经对改配五号环氧树脂-高氯酸铵(M.L.,RAP)燃料就行了50规格发动机的装机测试,效果喜人。
详情请见:http://bbs.kechuang.org/read-kc-tid-45427.html
但是由于喷口喉部薄弱,导致在热机测试的后期,扩展段与喉部被烧穿。经过后期计算,发动机的喷燃比在90~220之间。
为了测得更加充分的推、压力数据,在今(6月13日)日下午,KCSA-301进行了第二次RAP测试,此次燃料的配方与上次相同,制造工艺也相同。
其喷燃比设计曲线如下:


我们将喷燃比控制在130~190之间,同时也加厚了发动机喉部的厚度。
发动机规格数据如下:
燃烧室有效长度:220mm
燃烧室内径:50.5mm
燃料外径:46mm
隔热层材质:HD-PVC
燃料配方:改配RAP五号
药柱总重:588g
点火药:铝-高氯酸钾点火药(附着药柱表面)
下面是实验过程的一些记录图片:
药柱称重


装配前准备


装药效果图


装机测试视频:

 

原地址:http://v.youku.com/v_show/id_XNDEyMzYxMjA0.html
发动机工作瞬间截图


测试后的喷口特写(非常均匀的碳沉积层)


发动机翻滚后,被冲刷的草坪


喷口与第一节药柱隔热层连接紧密(取出时完整连接)


将隔热层取出,隔热效果良好,发动机内壁光洁,喷口收敛段碳沉积均匀
隔热层内壁隔热效果良好


喷口扩展段及堵头内壁合影


最后来一张,敬业的聚硫橡胶隔热垫圈(表示还是很有弹性的)


在本次测试中,由于试车台质量较轻(50kg)
推力墙选择不恰当,导致整个测试台翻滚,只收集到部分数据,但从数据中仍然可以发现此台发动机的强大能量。


目前,广局现役测试台已经难以满足大推力发动机的测试需求,新型测试台方案正在斟酌。广局的同志们一定会再接再厉,不辜负大家的期望。

50mm口径M.L(RAP)固体火箭发动机的试制进展

撰文:科创航天局广州课题组

经过近2个月的配方优化工作之后,在RAP系列燃料的改性研究中得到了可喜的收获!!

RAP系列燃料最初由我坛特邀专家(ehco)成功制造http://bbs.kechuang.org/read-kc-tid-33078.html

并在2011年4月进行了多次发动机试车http://bbs.kechuang.org/read-kc-tid-33147.html

在2011年5月进行了32规格发动机的成功试飞  http://bbs.kechuang.org/read-kc-tid-33541.html

在2011年8月的安顺火箭年会上,我也参加了RAP的药柱制造,并从中获得了很大的经验。

但从以往的发动机测试中,RAP也并不是完美无缺,其燃料的稳定性及工艺细节在后来的X光分析及微观标准分析后,均发现细小问题,例如药柱中存在气泡,发动机喘燃断燃等问题。

为此,KCSA-301研究所希望能通过对这些问题的解决与改进,使RAP普及化,安全化。

首先,我们以小规格发动机为最初的基础试车平台对RAP改配的新型燃料进行初期试车实验以收集其性能特性,并分析其中的不足。

很多很多的标准试验发动机,8mm喷口,45#喷口堵头,304壳体,燃烧室规格为内径32*长度50mm。

對樣品藥柱進行外形加工

成品藥柱及發動機合影
  

从3月末开始,我负责对RAP配方进行优化调配,其中进行了10次的小发动机测试,损毁发动机6台。

其中包括添加HTPB改善力学性质,添加DOS作为增塑剂,改变燃料原料配比,改变粘合剂比例,改变AP粒径,改变粘合剂类型,添加催化剂等多方面的调配测试。

相关的视频有:
RAP-HTPB燃料(喘燃)

http://player.youku.com/player.php/sid/XMzc5MTk2NTIw/v.swf

二茂铁催化RAP燃料  (爆炸)
http://player.youku.com/player.php/sid/XMzgwNjc4MTI0/v.swf

 改配RAP三号装机测试  (燃速过慢)
http://player.youku.com/player.php/sid/XMzgwNjc4MjY0/v.swf

改配RAP四号装机测试  (性能稳定)
http://player.youku.com/player.php/sid/XMzkxMzE0NTgw/v.swf

还有很多实验视频,由于参考价值不大,因此没有上传。
最终在进行了数次配方改进之后,终于获得了稳定的RAP燃料配方,其加工性能优异(主要体现在药浆流动性好,加工时间较长),并且有着非常均匀的燃烧效果。

其配方为如下图(改配RAP五号)

(注意:改配RAP六號的配方有著嚴重缺陷,由於GCC137活性較強,極易以AP發生置換反應,生成大量氨氣,並放出熱量促使藥柱迅速固化)

進行小規格試車:  

 
(其燃料規格:外徑28mm*長度50mm*中孔8mm   發動機噴吼直徑4mm)

之後,我們還對藥柱就行了50規格的藥柱就行了X光透視及密度計算:

質量:165.85g

直徑:44.2mm

長度:64.1mm

通過簡單計算後得出其密度為: 1.687 g/cm3

並與今天下午成功進行了50規格改配RAP五號燃料發動機試車

其發動機有效燃燒室長度為220mm,噴吼直徑9mm

燃料採用4段雙C型藥柱進行填裝,外徑46mm,中孔15mm,長度55mm,孔深度40mm(2段藥柱中其中一段的深度,另外一段為通孔)

發動機試車採用1g 200目銀藥進行點火,遙控雙保險啟動

不多說廢話了,來記賬測試時的勁爆瞬間

點火1/30s後,成功吐出一串馬赫環

約1s後,馬赫環達到峰值

第一段C型藥柱燒完,吐出超音速無焰煙霧

這貨不是發動機,這貨不是發動機

明亮的尾焰

約3s,好吧~~   噴口終於吃不消了,噴吼-擴展段轉角處燒化瞬間

最終發動機工作了114幀,(30幀/秒)

燃燒效果均勻,同時也在3s後成功操爆嬌嫩的噴口……

視頻鏈接:

 
噴口烧毁……
細節特性……  有明顯在高溫下拉伸沖刷過的痕跡
  4根PVC隔熱層,兩個完好,離噴口最近的兩個合二為一了
  

不小心掰斷的……

擴展段撕裂處的細節特寫
  

收斂段有均勻的沖刷沉積碳層
  

最終,RAP改配系列實驗以接近完美的發動機測試為階段性實驗畫上了圓滿的逗號  。

科创航天局主席参观广州YT-4课题组

 

[科新社5月15日简讯]科创航天局主席,科普专家刘虎同志,于2012年5月13日~5月15日到科创航天广州课题组视察YT-4探空火箭项目进展情况,就项目进展、学术建设、安全管理等话题与项目组亲切交流。5月14日,刘虎与项目组成员罗澍、胡振宇、陈诗会等一同前往WH-4赞助商拓璞电器集团的工厂,参与地面试验的准备工作,并观看了小型火箭发动机的内弹道测试试验。

 

火箭燃料用环氧树脂系列粘合剂的工艺特点对比

火箭燃料用环氧树脂系列粘合剂的对比研究

科创航天局301所

目前局内使用环氧树脂作为火箭燃料粘合剂的趋势日益递增,相信广大网友对于这种常见的粘合剂并不陌生。 但由于牌号不同,固化剂不同,所导致的粘合效果以及燃料的力学性质差异性是显而易见的 近日,我在KCSA-301中进行了较为简单粗略的对比性实验,现将这些不同告知广大爱好者 以便在以后固体燃料的制造过程中,避免不必要的麻烦。

首先,我们在进行对比性实验之前,先要对一些牌号所代表的物质及意义进行简要阐述。

1.环氧树脂的牌号数字 例如:E51 即表示其环氧值为51 环氧值是指每100克环氧树脂中含有的环氧基的当量数。单位为当量/100克。它与环氧当量的关系为环氧值=100/环氧当量。

E57,E51,E44都属于双酚A型环氧树脂 因此符合以下换算关系: 环氧值=2×100/环氧树脂分子量

即Ev=2×100/M 环氧当量=100/环氧值 即En=100/Ev

环氧基含量=43×100/环氧当量 即Ec=43×100/En

不需要复杂的计算便可得知,同一类型(例如:双酚A型)的环氧树脂的数字牌号越大,其聚合的分子链对应的分子量则越小, 其树脂的流动性越好,相对的反应基团的屏蔽效应也较小,反应活性较高,速率较快。但由于链长相对较短,其使用同一种方式聚合固化的产物力学性质也会较差(表现在抗拉强度上,俗称“较脆”) 。

2.固化剂所对应的固化类型 常用固化剂有T31及GCC137 T31属于多乙烯多胺类固化剂(粘度高,密度大,反应活性高)。 GCC137则属于聚醚胺,异佛尔酮二胺类固化剂(粘度低,密度较低,反应活性低)

3.增塑剂的类别 DOS,DOP,DOZ都属于高级烃的之类化合物,在增塑体系中,并不参与反应,只能部分溶入体系中,从而达到增塑效果 HTPB在环氧树脂体系中,属于特殊性增塑剂,其HTPB的端羟基会与环氧树脂的端位环氧基团进行化合反应,从而达到链增长的增塑效果。

以下是對比性實驗記錄:

實驗前,準備好試管及各種原料

將E51及E57分別加入到特定的試管中(每根試管中3.4g)

每根試管中3.4g

加入HTPB到特定的試管中(每根試管中加入1g)

分別將T31及GCC137加入到對應的試管中(每根试管1g)

將其迅速攪拌至均勻

然後放入真空倉內進行脫氣處理(真空壓力≤-0.09MPa)

取出後發現E57和T31的那一組已經固化了,放熱巨大,手觸感覺後,估計已經超過60℃)
攪拌後,進行到此步的時間大約為15min,室溫28.5℃
分段是由於抽真空脫氣時底部氣體膨脹所導致

斜過來45°對比一下

以上實驗均在室溫28~30℃的環境下進行

得出的結論是:

以混合后开始计算时间

E51-T31,E57-T31,E51-T31-HTPB,E57-T31-HTPB这四组以T31作为固化剂的体系中
在混合20min后均有强烈放热,手触估计温度>60℃。放热的强烈顺序E57 > E57-HTPB > E51 > E51-HTPB。
约40min后,体系完全固化。
E57-T31和E51-T31在没有良好的降温措施下,会产生大量气泡!!

E57-GCC137,E51-GCC137,E57-GCC137-HTPB,E51-GCC137-HTPB这四组以GCC137作为固化剂的体系。
在混合20min后,粘度略有上升,并且不明显,其体系仍然有很好的流动性,可以顺利进行加工。
在混合5h后,E57体系完全固化。
在混合6h后,E51体系完全固化。

从以上现象中,我们可以总结出GCC137是一种活性较低,利于延长固化时间,利于药柱加工的一种固化剂。

而E51体系的粘度普遍高于E57体系。

另外还需说明的一点,在以上反应中,混有HTPB作为增韧剂的体系均产生了少量分层。

这表明HTPB的用量超过了粘合剂所能反应的范围。

这是前一天晚上做的60℃环境固化实验结果。
使用E57及E51与T31及GCC137进行对比。
结果惨不忍睹~~~~

以E57作为粘合剂的体系迅速反应,放出大量热量,以至于体系迅速膨胀,产生大量气泡。

背面

E57-GCC137氣泡特寫

E51-T31体系在60℃环境下固化同样剧烈放热,产生了气泡,但是不是特别明显,所以没有拍照记录。

综上所述

可得出一种较为使用于固体燃料的粘合体系配比

即 E57                   74%
GCC137            21%
HTPB                   5%

先将HTPB与E57预先混合至乳白色,反应10min后,再与GCC137混合进行固化。

其优点是,粘合体系固化前粘度较低,加工性质良好,固化时间长,固化后仍能保持良好额力学性质以保证大型药柱的机械加工需求。(撰文:胡振宇)

液体火箭发动机设计参数计算软件发布

科创航天局贵州局的爱好者为设计液体火箭发动机编写了一系列计算工具,现在发布其中一部分,由魏广寅编写。

软件合集下载:LREDesignTools

1、气体直流喷注器设计

该软件系根据热力学公式,利用VB编写,考虑了气体可压缩性,以及管道中流动的内能-动能(温度-动量)转化,能设计出与实验结果十分接近的参数。

软件使用说明:气体比热比、气体常数、气体初始温度等可根据我之前发布的PEP软件计算得出,初始压强与背压之差即为喷注压降,质量流量根据发动机内弹道软件计算得出,流量系数对于普通光滑圆管(雷诺数>2000)的结构,当管道长径比为3左右时,可取0.75-0.85。喷口数量根据喷注器类型和钻孔工艺自行设定。

2、液体直流喷注器设计

该软件系根据流体伯努利方程,利用VB编写。适用于粘度较低的液体喷注计算(例如煤油、汽油、乙醇、甲醇、液氢、肼等)。

软件使用说明:液体流量根据内弹道设计得出,液体密度查表得出,喷注压降和喷嘴数量根据喷注器形式和雾化要求自行设定。流量系数一般取0.4来进行初步设计,之后根据实验对该系数进行修正。

3、气蚀文氏管设计

气蚀文氏管主要用于稳定管路的流量,其流量只决定于上游滞止压强和液体在当时温度的饱和蒸汽压,其流量不随下游背压的变化而变化。可有效隔离燃烧室燃烧震荡和粗糙燃烧对燃料管路及储罐的反馈。

该软件系根据液体伯努利方程及气蚀条件方程,采用VB编写。

软件使用说明  :
流量由发动机内弹道参数得出,饱和蒸汽压查表得出,管端直径即为管路直径。

75毫米RNX固体火箭发动机的制造和试车

科创航天局第301研究所承担的WH-4型探空火箭项目,目前已经进入了最后的冲刺阶段,争取每周一帖的进度……

今日(2012年6月2日)下午五时许,KCSA-301的四名成员前往“沙地”测试厂进行75规格RNX发动机试车,成果喜人~~

该台发动机,从设计到制造花费了一个多月的时间,其中从结构设计,到各类零件的加工都下足了功夫。

好,不说其它的了,现在就来对此次活动的历程进行介绍……

首先在总结之前的发动机事故和不足的基础上,我们认为在发动机的燃气密封上应该狠下功夫

因此,这次在设计的时候,特意在主要转接处进行了硅橡胶多层密封的设计

(白色为PVC隔热壳体,红色为金属连接处的梯形丝牙,黄色则是硅橡胶密封圈及密封垫 )

为此,我们还特意使用CNC对星孔药柱端面的硅橡胶密封片进行了开模制造,以下为粗模

之後進行220目油石打磨

400目粗打磨
  

由於,矽膠片的表面精細程度要求不需要太高,因此就沒有進行鏡面處理,直接用數顯銑床進行插銷位鑽孔
  

最後,在200℃高壓硫化床進行高溫硫化操作,成型脫模

最終的產品,相當和諧~~

之前製作出來的RNX藥柱,這次用的是E57和GCC137為粘合體系,少量HTPB進行力學改性,配以車床和CNC做出的星孔藥柱

4根備用,每根規格都是200長度
  

嘎嘎~   今天中午,備齊所有裝備

发动机数据如下:

壳体材质:40Cr
喷口堵头材质:45#
喷吼材质:热解石墨(可千万别小看这东西强度,简直要命)
有效燃烧室长度 600mm(不包含密封件厚度,单纯燃料长度总和)
发动机内径:73.5mm
发动机外径:86 mm
设计耐压:98.1MPa (初次测试,就高些了,以后等数据出来就可以慢慢车薄)

数据采集设备:

KCSA-301 V1.1版高速数据采集卡(由罗澍设计制造)
KCSA-301 T-20125 中型固机试车平台(由胡振宇设计制造)
中航L6G 750kg行程应变片  200Hz采集频率 (感谢刘虎支持)
PTB503  32MPa  1000Hz 采集频率

开始组装~~

焓熵说了“药柱啥的,大朗头伺候”

  

嗯嗯,好的很~沒有偏心
  

來一張RNX菊花圖~~ 話說挺不錯的

這東西實在太重了,還是上卡盤解決問題

不行! 還是要水管扳手……
  

測測重量…………  我勒個去,嚇死人~~14.9kg

出發~  咱們去“沙地”測試廠……   可憐的我,只能人貨混運了
  

好大一包銀藥啊~~

會會牌,冷卻系統
  

最後的全景唉~~
  

測試後的噴口,感覺還過得去
  

測試裝置全圖

噴口擴展段特性,有不少碳沉積物

Warmonkey倒出推壓力曲線

试车视频:

http://v.youku.com/v_show/id_XNDA2ODMxODU2.html

 

最终结论:

此台75规格RNX发动机,工作时间越6s
总冲2554.0436N*s
比冲由于药柱质量暂不确定,以后补上,粗略估计的值有些低,只有90.6708s
峰值推力>100kg
点火压力:2MPa

发动机工作时间较长,喷燃比略低,并且有部分时间处于尾焰无推力状态,失压工作

改进办法:
1.提高设计喷燃比
2.缩小喷口喉部直径

设计喷燃比曲线

後續還有噴口灼噬報導,現在開閘放水~~

晚上回到KCSA-301之後,俺和猴子同學進行了發動機屍檢工作~

噴口打開,發現沉積物很多

石墨啊石墨~你還健在啊啊啊…………  這個情況很好,打消了老虎的顧慮
我不得不說,石墨這個東西太難拆下來了,最後只能全部敲碎,才能一小塊一小塊的翹下來

噴口收斂段與石墨轉角處,石墨的弧面被沖刷成平面了

菊花無處不在~

用砂紙清洗完之後,發現收斂段的金屬被沖刷了不少,出現了星孔形狀的凹陷
  

堵頭處,密封圈完好,表面略有沉積物

  

殼體內部完好,靠近堵頭處有沉積物

內部略有微量沉積物

清洗噴口收斂段的時候發現了很嚇人的一幕,由於沖刷嚴重,在噴吼處,金屬沉積到了石墨上,
形成了薄薄的一層金屬層,這層沉積物一直延續到擴展段轉角處

慘不忍睹的隔熱層…………歸其原因,是因為發動機內壁無法加工,只有73.5mm內徑,所以車去了不少PVC,導致最後的隔熱層厚度只有1mm

结语:此次发动机测试总体来说相当成功,但细节设计上仍有需要改进的地方

首先,从燃烧而言,此次发动机的工作压力较RNX常用的工作压力略低,这是由于设计时,喷燃比曲线设计留下的。
另外,在设计过程中没有中和材料原料规格的因素,因此出现了隔热层过薄的情况,在以后的大规格发动机中,将采用环氧树脂复合材料进行刷涂隔热
除此之外,在材质的选择上,45#已经难以胜任喷口这一零件,在以后的制造中,均将换成40Cr材质制造喷口,并进行热处理
在喷口收敛段和扩展段上,此次在收敛段采取了抛光处理,但由于时间因素,此项环节仍然没有做到最好,还是略有车加工时留下的细微刀纹,在以后的制造中,均采用200目,400目,800目,1200目,最后使用抛光砂纸进行全面打磨,以消除刀纹对气流的影响

最后来一张会会的邪恶点火器~

  

全文完。