Гибридный Ракетный Двигатель: от тактики к практике.

В этом году я собираюсь продолжить тему: разработка и испытания опытных образцов гибридного ракетного двигателя на N2O и полимерном топливе с импульсом 250-1000 N*s для ракеты зонда для высот 5-30 км...
Попробую поддерживать этот топик-рабочий дневник конкретного проекта в надежде всё-таки обрести последователей в России.

Итак, от тактики к практике... Первый двигатель, который я представляю, это Me_H_4_38/700.
Это монококк калибра 38 мм (внешний) и длиной 700 мм на 350 гр N2O. Горючее - nylon (grilon-poliamida), расчётный It=220-250 N*s.
Расчитан отчасти в программе Hybrid calc., отчасти вручную. Механический дизайн разработан в AutoCAD14. Построен в 2002 году в обычной механической мастерской. Из покупных комплектующих используются бронзовые фитинги и соединительный полимерный шланг высокого давления диам. 6 мм (int.) (2000 psi, TEKALAN).
Стальная (шовная) труба-корпус имеет полированную внутреннюю поверхность с диаметром 35.5 мм (1.5"). Проточена до толшины 1 мм и имеет приливы до 1.25 мм на торцах для болтового крепления (6+6 болтов М4). Сопло выточено из графита и стопориться дюралевым упором. Передняя крышка с фитингом для вентилирования выточена из дюраля. Имеет 2 о-ринга. Инжектор свободноскользящий также из дюраля имеет фитинг с инжектором в 2 мм, на который надевается нейлоновая трубка для заправки бака, образованного узлом инжектора и передней крышкой. Сам инжектор стопорится шашкой. Перед заправкой на трубку надевается игнитор сделанный из шашки композитного топлива с пороховым инициатором и сопротивлением из нихрома.
Вот, пожалуй и всё пока. На фото видны особенности конструкции, описанные выше.
Сейчас двигатель испытавается. В этом топике буду помещать описания идей дизайна некоторых узлов и данные испытаний. Всегда буду рад ответить на вопросы и обсудить предложения. Также как всегда готов поделиться планами (чертежами) и советами с теми, кто всерьёз захочет присоединиться к новым разработкам или повторить эту. Надеюсь постировать новые сообщения раз в неделю, убирая предыдущие графические файлы, чтобы не перегружать тему.

Откуда ты будешь убирать графические файлы? Из предыдущих сообщений? Как же их тогда читать?

Откуда ты будешь убирать графические файлы? Из предыдущих сообщений? Как же их тогда читать?

 

Дело в том, что у меня переполнился ящик с графическими файлами (было 20 Мб). Пришлось что-то убрать. Но из этой темы пока ничего убирать не буду. Посмотрю в течение месяца. Если будет интерес, то продолжу, нет, так закрою. Писать в воздух не очень хорошо. Хотя самому позволяет таким образом аккумулировать записи.

Центаурус,
у тебя же есть сайт? Помещай старые файлы на нем, а вместо них на форуме делай ссылки.
В принципе, болансер говорил, что добавит квоту тем, кто её превысит, но не думаю, что сейчас подходящее время просить об этом.

OK! Так и сделаю.

Ещё два фото.
На одном из них видна система заправки бака закисью азота. Для этого используется промежуточный бак ёмкостью 2 л (для ГОХ) заправляемый из большого. Магистраль сделана из нейлоновой трубки высокого давления. На стандартном "Т" фитинге смонтированы клапан для вентиляции магистрали и вентиль (шаровый, прямой) для подачи жидкой фазы в бак мотора. Бак имеет вентиляционную трубку (медицинская игла 0.6 мм, установленная в фитинг)через которую при заправке стравливается испаряющаяся закись. Заполнение бака контролируется по весу. Для этого мотор устанавливается на цифровые портативные весы (5кг). После заполнения необходимым количеством окислителя (от 50 до 350 г), дренажная иголка зжимается специальными пассатижами, вентили баллона и магистрали перекрываются. Затем, часть магистрали с вентилем отсоединяются от тройника и мотор готов к испытаниям.
Лучше это сделать в течение 15-20 следующих минут, особенно в тёплую погоду (как у нас сейчас, до +30ºЦ), иначе может опасно повысится давление. В общем-то на больших моторах перд пуском дренажное отверстие не закрывается и газовая фаза травится черз отверстие в фюзеляже ракеты.
На другом показаны игниторы. О них в другой раз.

Не удаляй пока файлы, я попрошу Балансера увеличить твою квоту.

Лучше это сделать в течение 15-20 следующих минут, особенно в тёплую погоду (как у нас сейчас, до +30ºЦ), иначе может опасно повысится давление. ...

 

a_centaurus, не лучше ли, зная рабочее давление балона, температуру заправки, максимальную температуру хранения заправлять то количество газа, которое может спокойно храниться и перевозиться?
Я прикидываю ситуацию на себя - нет возможности заправлять стразу перед тестом.
Заправил - похранил примерно неделю - прожог

Мне не очень понятно, каким образом давление в баке зависит от количества закиси азота? Насколько я знаю, давление в баке для сжиженных газов зависит только от температуры.

Мне не очень понятно, каким образом давление в баке зависит от количества закиси азота? Насколько я знаю, давление в баке для сжиженных газов зависит только от температуры.

 

у закиси и углекислоты очень низкая критическая температура 31С, поэтому коэффициент наполнения баллона зависит от его рабочего давления

при рабочем 150атм наполнение 600гр/л, при 250атм 800гр/л

выше 31С все в газ переходит, и давление из сжиженного с его 50-70атм переходит в сотни газообразного

давление в закрытом баке в котором есть жидкая закись азота зависит только от температуры - от количества жидкости не зависит.

давление в закрытом баке в котором есть жидкая закись азота зависит только от температуры - от количества жидкости не зависит.

 

"Заправил - похранил примерно неделю - прожог"

 

Не понял, откуда появился вопрос Serge 77. Спору нет: Давление зависит от температуры, а не от количества N2O. Хотя критические объёмы и давления также имеют место быть. Но, чтобы не загромождать этот топик философскими дискуссиями (идея была - дать побольше прикладных материалов), уточню, что вопрос заправки бака окислителем под давлением - один из важнейших в создании и эксплуатации гибридного мотора. И здесь, чем меньше бак, тем большая проблема. Как правило, заправка основана на предварительном охлаждении бака до температуры -20-30ºЦ (фризер или многократная экспансия небольшого количества закиси из бака). Я уже рассказывал о своём экспериментальном моторе с баком на 15 гр закиси. Там, удалось решить проблему заправки, только переохлаждением дуралевого бака до азотной температуры, поскольку другие методы в таких размерах чрезвычайно сложны. Заправочный узел с дренажным отверстием получается очень дорогим. Метод работает, но жидкий азот замораживает резиновые о-ринги, которые после нескольких термоциклов теряют эластичность и при резком (пироклапан) открытии инжектора, мгновенно (взрывом)расширяются, рвутся и закупоривают отверстие горловины бака.
В конкретном случае заправка окислителем Me_H_38 имеющего общий корпус для камеры и бака (монококк) имеет свои особенности. Стальной корпус мотора внутри имеет полированную поверхность с малым экцинтриситетом. Блок инжектора (дураль) имеет три линии о-рингов и скользит, не теряя герметичности, внутри корпуса камеры до упора о шашку. Передняя крышка (дураль)- 2. Охлаждение до азотных температур здесь не годиться (по крайней мере погружением мотора в ж. азот), потому что о-ринги теряют эластичность, а дюраль и сталь имеют разные КТР и начинает свистеть из под крышки и болтов крепления (50 Атм, однако при 25º). Помещение во фризер работает лучше, но это годится только для лабораторных испытаний, а в поле надо полагаться только на физику процесса.
Заправка производится через длинную нейлоновую трубку, что резко снижает эффективность процесса (внутреннее испарение и повышение давления газовой фазы), а контроль только по весу. Когда вы заправили бак нужным количеством закиси (бак расчитан на наличие расширительного пространства на жидкой фазой), нужно закрыть дренажный клапан и, либо перекрыть трубку вблизи сопла зажимом и отрезать лишнее, либо ставить мотор в ракету, не отрываясь от пуповины и оставляя травить газ. На практике в поле делают именно так. Естественно расход окислителя при этом повышается (за 15 мин стравливается около 1/3 бака). Если мотор сделан добротно, то оставлять под давлением на несколько часов можно (я оставлял на ночь), но не рекомендуется, поскольку вернуться вновь к заправке с обрезанной трубкой будет сложно.
Другое дело моторы с раздельным баком и вентилем для заправки с дренажным клапаном (Aerotech). Там бак может в принципе храниться какое-то время в термостабилизированном контейнере, а в поле соединяться с камерой и инжектором и в полёт. Именно такой мотор я сейчас проектирую (2"), но это будет другая история.

вопрос заправки бака окислителем под давлением - один из важнейших в создании и эксплуатации гибридного мотора. И здесь, чем меньше бак, тем большая проблема. Как правило, заправка основана на предварительном охлаждении бака до температуры -20-30ºЦ (фризер или многократная экспансия небольшого количества закиси из бака).

 

удивительно!

Опыт авто-тюнингистов говорит о том что с заправкой проблем нет если помнить что это как бы не газ а жидкость под давлением, т.е. нужно обеспечить подачу по трубочки в заправляемую емкость именно жидкости и СРАЗУ.

удивительно!

Опыт авто-тюнингистов говорит о том что с заправкой проблем нет если помнить что это как бы не газ а жидкость под давлением, т.е. нужно обеспечить подачу по трубочки в заправляемую емкость именно жидкости и СРАЗУ.

 

Разница между заправкой автомобильного бачка из большого (25 л) баллона при помощи изолированного короткого и толстого шланга и гибридного мотора типа "монококк", где трубка диаметром всего 6 мм а её длина около 1.5-2.0 м, такая же, как перезаправка из большого баллона 60 кг, в малый - 1.5 кг... Там это делается элементарно, самотёком, через заправочное отверстие (большой баллон перевёрнут) слегка открыв клапан, чтобы стенки малого охладились до нужной температуры. В моторе, сконструированном для полёта, всё не так (хотя очень похоже). Включаются факторы, уже описанные мною выше. Кстати, не зря эта тема часто обсуждается на форумах ГРД. На слово, понимаю, верится с трудом, но предлагаю попробовать, если есть у кого-то доступ к закиси. То есть смысл в том, что заправка окислителем - это серьёзная операция, к которой надо серьёзно готовиться и набивать руку, чтобы быть готовым к неожиданностям. В последний раз, при заправке, замёрз вентиль на баллоне (было жарко до +30º в лаборатории и влажно), а вентиль на трубке я убрал, чтобы сократить длину трубки... Заправил 200 гр, озажал и отрезал трубку, собравшись ставить мотор на стенд... и не смог закрыть вентиль, а другого зажима под рукой не оказалось. Пришлось вытащить баллон на улицу, чтобы газ вышел.

Сразу не заметил что на ГРД тоже графитовое сопло. Не понятно как оно герметизировано. За счет плотной посадки? А удерживается в корпусе двигателя упором в стопорное кольцо?

Сразу не заметил что на ГРД тоже графитовое сопло. Не понятно как оно герметизировано. За счет плотной посадки? А удерживается в корпусе двигателя упором в стопорное кольцо?

 

Естественно. Сопло из графита, потому что температура газов достигает 3000º. В монококе сопло герметизировано не по стенкам, а по торцу (хотя в коммерческих моторах ставят о-ринг, на всякий случай). На втором снимке вверху виден коричневый о-ринг из витона (стойкая силиконовая резина) между соплом и шашкой из нейлона. Такой же о-ринг ставиться между инжектором и ишашкой. Поскольку процесс горения в гибриде происходит только внутри канала шашки, которая до конца (увы) не сгорает, этого достаточно. В данной конструкции сопло имеет адаптер из нескольких слоёв бумаги и пластикового стаканчика для центровки. На фото внизу это видно. Посадка сопла свободная, плавающая. Стопорится упором из нерж.стали на 6 винтах. Кстати стопорение производится не телом винта, а головкой. То есть вся конструкция напрягается при заполнении бака закисью и уже остаётся в этом положении. После прожига снимается ретейнер и всё легко разбирается в обратной последовательности. Инжектор выдавливается шомполом (ведь трубка сгорела) через отверстие в передней крышке для вентиляционного фитинга (который выкручивается).

a_centaurus] После заполнения необходимым количеством окислителя (от 50 до 350 г), дренажная иголка зжимается специальными пассатижами, вентили баллона и магистрали перекрываются.

Интересно отметить, что это перекликается со способом аварийного перекрытия трубопроводов. Например, в кислотном хозяйстве очень разумно иметь гидроклещи, способные пережать любую трубу, установленной в депо, в особенности магистральные трубы для кислот. Потому что иногда не остается иного выхода остановить течь и заменить запорную арматуру или участок трубы.

Для этого нужно предварительно провести испытания труб на пережатие именно тем инструментом, который будет использоваться. И если после нескольких опытов пережатие будет герметично, а труба не дает трещин, то данную пару можно использовать.

Игл тоже не мешает испытать, тем более, что большинства одноразовые иглы делают из шовной трубки.

---

Поправка - большинства из тех, что попадались мне в руки

Игл тоже не мешает испытать, тем более, что большинства одноразовые иглы делают из шовной трубки.

---

Поправка - большинства из тех, что попадались мне в руки

 

Удачно обратил внимание на эту деталь и попал в точку, Варбан. При попытке пережать одноразовую иголку, с ходу это сделать не удалось. Продолжала свистеть. Стал искать металлическую... и не нашёл. По крайней мере у нас в городе. Пришлось поставить тонкий капилляр из нержавейки, поджать его предварительно и загнуть. Тогда удалось наполнить бак. Ведь нужно найти баланс между стравливаемым количеством газовой фазы и прибывающей жидкой. Обычно используют отверстия 0.15-0.2 мм. Придётся искать жиклёр (от газовых горелок) и монтировать его в фитинге с пробкой.

Хотелось бы по любопытствовать , кто ни будь пробовал создать гибридник обратной схемы :mellow: (окислитель в твердом состоянии).

Хотелось бы по любопытствовать , кто ни будь пробовал создать гибридник обратной схемы :mellow: (окислитель в твердом состоянии).

 

Мой любопытный земляк-омич. Для дискуссий на тему "не делал ли кто-нибудь..."
есть топик "Гибридный ракетный двигатель -обсуждение..." Там этот вопрос неоднократно поднимался и обсуждался. Подними его и найдёшь. Хотелось бы в данной теме обсуждать технические/технологические вопросы создания ГРД, а не заниматься философией этого типа двигателей. Кстати в Би-бке Форума есть великолепная книга Е.Марлинга:" Комбинированные ракетные двигатели". Рекомендую.

Хотелось бы по любопытствовать

 

Форумы Авиабазы

Спасибо за разъяснение, а эта книга у меня уже есть.

Сделал сегодня прожиг двигателя с 1/2 заправки бака окислителем. В основном, чтобы проверить все этапы: заправку, установку на стенд, зажигание, сьёмку и т.д.
Заправка осуществлялась из большого баллона напрямую в бак через нейлоновую трубку с стопорным вентилем (закрывается после заправки). Мотор соединялся с баллоном и укладывался на весы (Фото 1) Вес пустого мотора с трубкой - 998 -1000 гр. После того как из дренажной иглы пошёл пар (на дворе +32 сегодня) бак стал быстро заполняться (1 мин). Заполнив его 150 гр (расчитан на 260 гр) N2O, закрыл вентил баллона, затем на трубке и отсоединил её.
Стенд у меня в лаборатории в 50 метрах (на скале, вверху). Установил мотор на стенд, подключил "крокодилы" к контактам игнитора. Загорелся LED. Сделал несколько снимков с камеры установленной на треноге и поставил её на "видео". Камера у меня с дискеттой. Оставалось секунд на 8 видео. Пустил камеру и нажал "пуск". Стенд на террассе, а я стою за деревом в 2 м. И... ничего. Слышу, как камера отработала и остановилась. И тут, вместо того, чтобы поменять дискетту и проверить цепь, пошевелил разьём кабля и нажал кнопку ещё раз... Конечно, по закону Мёрфи на этот раз игнитор сработал штатно, ис сопла пошёл дым, а затем раздался рёв и высунулся факел голубого с лиловым цвета (типичный для этой пары) сантиметров 30 длиной. Мотор работал в этом режиме около 1 сек, как и было положено, затем из-за быстрого раширения остаток газа при малом давлении образовал уже просто пламя, которое поддерживалось ещё около минуты, пока я принёс мокрую траяпку и погасил его. Чтобы не перегревалось сопло и не загрязнялись металлические части.
Разобрался мотор без проблем. Все о-ринги и термоизоляция без проблем. Сгорело около 20 гр топлива (изнутри шашки), что соответствовало расчёту. Мотор должен за 2 сек произвести 600 Н*с при Is около 200 с. Надеюсь в ближайшие дни повторить статический тест и записать его на видео. Стенд пока ещё не оборудован системой регистрации (нужно просверлить дырку в стенке и смонтировать "strain gage" сзади на стойке. Актуально он на другом стенде для прожига вертикально расположенных моторов канди и микрогибридов). Но и по видео и хронометражу можно оценить performance мотора. После нескольких с.т. попробую его установить в ракету, которая должна добить до высоты 1000 м. Хотя этот мотор у меня исключительно стендовый, хотелось бы начать подготовку к оперированию гибрида большой тяги в условиях полигона.
На последнем снимке мотор ME_H_38 после статик теста. Хорошо видно оплавленное внутреннее пространство шашки.

Провёл сегодня статический тест представляемого мотора на 3/4 заправки (200 гр).
Также был использован уже стандартный 4 гр ignitor-preheаtеr (ранее использовался 2 гр, которого не хватало для качественного процесса дескомпозиции N2O и инициирования горения). Время тяги (определено по видео)было расчётным: ок. 2.8 сек, хотя мотор давал факел около 5 с. С полной заправкой (260 гр) время тяги предполагается 3.5 - 4.0 сек. Здесь прикладываю видеограмму, а смотреть видео (обязательно со звуком, он впечатляет) тут:

http://www.albe76.newmail.ru/Me_H_38_st.21.02.06.MPG

Ссылка на видеоролик не работает. Говорит - файл не найден.

Поправил ссылку.