气态氧-固体高分子材料燃料发动机的设计和试验

气态氧-固体高分子材料燃料发动机的设计和试验

马骏驰,四川成都

2012年暑假,我对固液混合火箭发动机展开了试制,取得了一些成果,现将有关情况报道如下。

通常许多人会认为适合固液混合火箭发动机的燃料棒因该是横面燃烧,其实不然,圆形内孔的燃烧反而是最合适的。如果你不相信我可以给你两分钟时间看一下推导就能改变你的看法。
首先不得不提的是固液火箭发动机固体部分的推移速率的公式。

从这个公式中会发现,当氧化剂流量不变时,固体燃料间的燃烧面积会随着燃料的燃烧而变大,也就会造成燃料的推移速率降低,使得离开最佳氧燃比。

通过这个公式可以推导出当燃烧内孔为圆形时的燃料流量公式。

(当时在推导时忘记了乘以密度……额,蛋疼啊!不过密度为常量对整个方程的变化不会有影响。)

此公式的推导完成,下面使用excel软件绘制出燃料流量的函数图象。

当n为0.5时,图象为一条直线,此时为最佳数据。

这是n为0.55时的图象。

这是n为0.58时的图象(也就是PE燃料的图象)

这是n为0.68时的图象(也就是HTPB燃料的图象)

大部分的燃料的n值在0.4-0.7之间,因此使用圆形内孔可以满足要求。

在开机的瞬间,燃料的推移速率会非常大,也就是说时间会很短,短时间的氧燃比不合适对总的效率影响又不大,在设计时可以采用后面的燃料流量进行计算。(本来画出流量与时间的函数最直观,但是图象画起来比较麻烦)

其中还有一个大的问题就是固液火箭的推移速率很慢,通常在0.3mm/s-2mm/s,很难满足大推力发动机的要求,如果使用单孔就很难完成(除非添加大量金属粉末或者氧化剂,但是在业余条件下实现较为困难)
为此使用多孔药柱将是合适的选择。

第一次试验

燃料的介绍:
氧化剂:气态氧(由借来的钢瓶供应)
固体燃料棒:聚丙烯(直接安装在发动机内部)
最开始准备使用聚乙烯或者HTPB燃料,因为这两种燃料的文献比较大相对来说技术较为成熟,但是这两种我都无法购买,可能是我都人品问题吧。由于我的条件有所限制,最后被迫使用与聚乙烯性质较为相似的聚丙烯当做燃料棒。
聚丙烯的价格较为低廉我购买的价格为18元/kg,这价格远低于固体燃料。但是密度较低才0.9g/cm^3,在相同的性能下使用聚丙烯燃料会造成发动机体积较大浪费更多的材料使得成本可能会更高。
发动机参数:
设计压强:1.5MPa
发动机壳体材料:304不锈钢
喷管及堵头材质:40Cr(根据强度判断,可能是不合格产品,具体结果准备去化验得出)

喷注器材质:黄铜
设计推力:8kg
理论出口速度:2.38马赫

说完参数先上图片,免得说我在吊胃口。
视频还在发布中请稍等。此贴未完请勿盲目评论。

可能是燃料性质问题,亮度过大无法看见马赫环。下次我会使用滤光镜把大部分光过滤掉。

 

第二次:装机试验,验证在一定压力下燃烧的稳定性与燃烧是否充分等
这次使用的是第一次设计的喷管。设计推力:21kg  燃烧室压强2MPa   在测试中气瓶处的表显示气压约0.5MPa,因此出现严重的过膨胀。这次实验发现气态氧的能量密度可能过低,之后就重新修改了发动机参数。

点火的方式大家也就看见了,是现在喷管处插一根卫生纸把它点燃,缓慢打开气瓶使卫生纸燃烧并引燃内部的燃料棒,等燃料棒点燃后,把气瓶开大使燃料棒充分燃烧。





之后把火箭拆开,检查是否受损
发现几个燃料棒的连接处出现了端面燃烧,幸好是固液,如果是固机肯定炸了。

吸取这次教训后,后面的我就用环氧树脂把两根燃料粘在了一起,防止出现端面燃烧,造成发动机损坏。

发动机的喷管处积碳比较均为,未出现明显的损坏 .


喷注器上面也有较为严重的积碳,说明了后部也出现了端面燃烧,之后通过打磨和加大压紧的力度得到了改善。

通过第二次的实验发现气态氧的能量密度过低,决定对发动机进行了参数的修改,相比原来的喷管减小了推力,还增加了一个后部燃烧室,使其燃烧更加充分,关于燃烧室的设计方法可以参考液体火箭发动机,由于固液的燃烧室容积随着固体燃料的消耗而变大,由此初始的容积可能会略低。

和之前的喷管进行对比



第三次:测出推移速率,由于当时天气原因,快要下雨了,必须赶在下雨之前将实验做完,因为当时遥控电点火器出现了接触不良等问题,所以没有使用电点火,这也就造成了实验的工作时间无法测量,结果就是第三部的实验没有精准测出推移速率。
正常工作时间共三秒为视频中的7-9s ,之前电磁阀(额定24V)在低压下12V能够正常工作,但是在加2MPa的气压后无法正常开启,也就造成了被迫使用手动开启,由于手动开启速度太慢,有效的工作时间相比较短。这也是我下次试车需要改进的地方。
本来是设计了一个水冷系统,但是天气不好,而且遥控设备接触不良等问题,我就没有安装,造成了不敢长时间工作。



从火焰中可以看到达到了完全膨胀,和我的设计要求十分接近。由于视频的拍摄、点火’开气瓶等动作全部是我一个人完成,因此难免有一些手忙脚乱,有没有来得及加滤光镜拍摄马赫环。在现场我隐隐约约看见了三个马赫环,而且排气的声音巨大,这时我有一些紧张,结果把气瓶给关闭了。当时和喷管相距四五米远的地面上的灰尘也被卷了起来。 可能只有在现场才会体验到那时震撼的感觉。

第四次:测出运送管道等设备产生的压降(气瓶处的压力表显示2.4MPa) 喷管使用的是10kg,2MPa

两次达到设计推力分别是 5-6S和8-10S  由于固液火箭和固体火箭相比有了可以重启的优势,由此中途尝试了一次重启,最后因工作时间太长而烧毁。
视频中可以看出地面的灰尘被吹走了,可见排气速度还是比较高。 最后喷管烧毁,部分燃气朝下方喷去,使得试车台与地面的摩擦力减小,导致试车台发生了一定的位移。


从火焰中可以看出有一些过膨胀,由此可以得出在气瓶不变的情况下使用1.5MPa的喷管较为合适。






 

拆机检查
由于燃烧温度比较高而且时间长,燃料棒和后部的堵头喷注器合二为一了,不过这也说明了这次防止端面燃烧做的不错。


我的燃料棒有两根是用环氧树脂粘接的,另外一个是通过502胶水进行简单的粘接,使用502胶水的明显效果差一些也发生了端面燃烧,这个是下次要修改的。

检查喷管
直接烧毁的喷管,看来已经无法正常使用了。

另外一个幸免的喷管

通过烧得发蓝的地方可以看出药柱内部的燃烧室同心度太差,毕竟我的经济条件有限只有用手枪钻打孔,下次干脆花钱上车床

总结:

以下几处需要改进
1.手动开启阀门速度过慢,造成无法测出推移速率,下次会使用电磁阀控制。
2.点火方式过于蛋疼,之后需要更换电热丝配合硝糖点火。
3.需要安装大功率的水冷器。
4.下次会使用多部相机进行拍摄,其中会有一个是用来拍摄马赫环的特写。
5.在燃料的加工上不能过度省钱,需要上车床,达到高同心度。
6.气态氧密度过低,无法满足大推力发动机,可以改进使用液氧。不过这一步相对有些遥远了。

 

第五次

发动机在其他部分没有改变,只是增加了水冷器和单独的喷注器面板。
喷管材料:310S
喷注器材料:310S
水冷套材料:304
设计推力:9.5kg
压强:1.8MPa
收敛段角度:45°
扩张段角度:10°

燃料介绍:
六星型聚丙烯燃料棒


星型孔用锯条手工锯出来的,精度有些差。

喷注器:
在之前使用单孔喷注器后发现燃烧后的燃料棒燃烧十分不均匀,成下图的模样

之后我就去参考了北航二号的喷注器设计,知道了湍流对燃烧效率的影响很大,为了增加湍流我就设计了一个面板型多孔喷注器。
最原始的设计方案是1.5mm的孔共18个,平均分配成三层。但是由于钻头太细台钻无法夹住钻头,就把喷注器的孔改为3mm。






在燃烧后发现这次燃料棒的燃烧十分均匀,各个部分的消耗速度几乎相等。


在这次7S试车时增加了水冷器,毕竟不是所有车工都是拉风,在加工过程中喷管的壁厚过大导致散热性能不佳也出现了烧毁。不过可以修复继续使用。
喷注器与喷管的拆解图





由于我不是文艺青年图可能画得不够好,请原谅。
以下是连接图

共俩电磁阀,一个大的另一个是小的,在点火时打开小的,等火被点着后开启大的电磁阀,使火箭进入正常工作状态。

 







改进:
1.增加了水冷系统
2.使用了面板型喷注器,现在已经具备了安装过氧化氢催化床的功能。
3.使用六星药柱,并且减低了氧燃比,防止过量的氧气对喷管的氧化。
4.使用遥控点火与电磁阀控制,但是到达实验的场地后发现遥控器落在家里了,在试车时就改用手动代替。
5..加快的氧化剂的开启速率成功测出推移速率。由于氧化剂的流量我无法精准控制,无法准确求出方程式的两个常数(a和m)。   但是在之后的设计与制作中,可以使用1.1mm/s的推移速率进行设计。


不足:
1.喷管壁厚过大造成散热速度不够,暂定的改进方法为:将喉部重新钻孔并且攻丝,安装石墨喷喉。
2.水冷器的冷却水流速不足,对流传热效果差,改进方法为减小冷却水套与喷管之间的通道面积,提高流速。目前对于PP—GOX燃料体系的火箭发动机(不包含燃料的供给系统)在以下问题已解决
1.燃料的稳定燃烧
2.大致推移速率的测量
3.使用面板型喷注器提高燃料燃烧的均匀性以下问题待解决
1.燃料的燃烧完全性。暂定的改进方法:减小喷注器孔的直径并且增多孔的数量。喷注器的孔要有一些倾斜,以便产生旋转气流,使其充分混合。
2.工作时间不够。暂定的改进方法:使用石墨喷喉的310S喷管。减小冷却水套与喷管之间的通道面积,提高流速增强对流传热的效果。

过几天我可能会对石墨喷喉的发动机进行试车。等冷却问题成功解决后,就可以宣布PP-GOX燃料固液火箭发动机项目完毕。
之后将会进行PE-H2O2发动机的研究。

本系列试验未达到KCSA关于试验场地安全的要求。

请勿效仿。

发稿日:2012-08-22

国内火箭爱好者的第一枚液体火箭试射成功

KCSA广东消息,国内火箭爱好者的首枚全液体火箭试射取得成功,这是液体发动机火箭从地面试车到实际发射的一大进展。

试射的火箭采用单组元液机发动机,燃料为92%浓缩过氧化氢,采用稀土陶瓷催化剂催化分解产生燃气。

发动机及箭体由广东爱好者“雪狼”制造;浓缩过氧化氢燃料和稀土陶瓷颗粒催化剂由贵州局制造。

火箭参数:

长108cm,直径5cm。发动机直径4.3cm   发动机长10.5cm   催化室5.5cm。整箭重量为2.85公斤,燃料500毫升。发动机工作时间8秒,推力约100牛顿。设计飞行顶高250米,发射点与落点距离约300米,发射角度85度。

根据设计飞行参数,综合安全和方便两方面考虑,试验地点选在一处距城区较近的荒地。

发射图片

降落


发射前准备

做发射准备

 

3d组装图

外观图

降落点,火箭上部插入黄土中,外观保持完整。

拆卸掉火箭尾部,图示中翼。

2012年8月31日报道,发稿人:雪狼。