Гибридный Ракетный Двигатель: от тактики к практике.

Чтобы закончить тему этих статических испытаний, добавлю технику изготовления ignitor-preheater. Очень важный элемент гибридного мотора. Практически - ключевой. Обычно на моторах (коммерческих) этой системы используются обычные пороховые игниторы, которые локально воздействуя на зарядную трубку, пережигают её и начинают горение. Как правило бывает много "пустышек" (когда из-за высокого начального давления и плохой атомизации струя жидкого окислителя не успевает среагировать с быстро горящим пороховым зарядом). Иногда добавляют диск, вырезанный из композитной шашки коммерческого SRM. Если он успеет загореться вместе с пороховым зарядом до разрыва шланга, то процесс идёт более успешно. Но также часты неудачные запуски. Работая много с микрогибридом, я понял роль ignitor-preheater в пироклапане, и решил разработать некий гибрид порохового инициатора с пиротехническим композитным зарядом высокой теплотворной способности. Такой заряд фабрикуется из смеси нитрата калия, перхлората калия, оксида железа и эпоксидной смолы с малым содержанием отвердителя (полимеризация идёт долго, ок. недели). Формовка его идёт в бумажную форму требуемого диаметра и с центральным каналом, равным диаметру нейлоновой трубки ( 7 мм). Обязательно делается свидетель, который сжигается на воздухе с измерением скорости. Перед изготовлением девайса, от шашки отпиливается сегмент нужной длины. Затем на боковой части кольцевого сегмента делается пропил напильником (фото 1), куда вставляется запал-резистор с пороховой затравкой (BP с нитроклеем)и заклеивается пороховой мякотью с опилками самой шашки (очень полезные опилки, рекомендую для запалов) (фото 2). Затем разводится эпокси (Poхypol, 10 мин), смешивается с теми же опилками и ею затем заливают пороховую затравку, делая соединение герметичным и прочным (фото 3,4). Финальной операцией будет обмотка полученного девайса по боковой поверхности двумя слоями липкой матерчатой ленты. Всё это для того, чтобы горение РАЗВИВАЛОСь ВНУТРь, достигая своим фронтом трубки уже тогда, когда сформировался факел мощного пламени внутри прекамеры (делается в нейлоновом гране мотора перед инжектором). Тогда N2O, вырываясь из инжектора сразу же попадает в зону высокой температуры и успевает на пути разложиться на N2 и O да и лучше атомизироваться (аэрозольная фаза), резко повышая КПД горения. По прикидкам и опыту этот мотор должен добить до Is 180-190 с, что совсем неплохо для системы Урбанский-Колбурн (обычный Is - 170 с). Это уже видно по выхлопному факелу, достигнутому этим мотором в данном ст.тесте. Он почти равен длине мотора (700 мм) (обычно 200-300 мм, для этого класса). Пока стенд не оборудован системой записи, но в дальнейшем надеюсь это сделать и записать график тяги.

Но почему бы поджиг кольца прехеатера(предподогревателя ) не начинать с внутренней поверхности ?
Тогда бы на вырвавшийся NO2 действовал поток тепла от горящей затравки. И нетребовалось расчитывать на теплоемкость созданных газов.

No NO2 but N2O...

Так и работает пороховой игнитор, приложенный к пластиковой трубке. Прожигает её, в результате жидкая фаза вырывается через проплавленное отверстие вбок и образует облако газообразного N2O, которое, если в камере ещё существует облако раскалённых газов от порохового заряда, инициирует горение. Второй вариант развития ситуации: струя атомизированной жидкой фазы выходит чуть позже... и далее следует "пшик". Представь себе, Дима, что мы поджигаем кольцо изнутри. Из-за медленного разгорания основного preheater может возникнуть ситуация, описанная выше (хотя может и сработать), когда самая мощная струя атомизированной закиси азота выталкиваемая давлением ок. 800 пси (40-50 Атм) вылетит из сопла без того, чтобы начать горение. Далее будет выходить газовая фаза и горение может начаться, но мотор уже никогда не достигнет своего расчётного к.п.д. Это я очень хорошо изучил на микрогибриде (более 200 ст.тестов) и уже встречал на этом образце. Поэтому лучший вариант, это когда сжатая закись азота как разьяренный тигр в цирке прыгает через огненное кольцо preheater, разлагается и уже обогащённая кислородом начинает испарение и горение основной полимерной или иной шашки в камере сгорания (внутри grain core если говорить точнее).

a_centaurus> Наиболее проста схема: Урбанского-Колбурна, где ...
Мотор вполне надёжный, хотя и не позволяет добиться высокого КПД и удельного импульса из-за только одного инжекторного отверстия.

a_centaurus> Мотор должен за 2 сек произвести 600 Н*с при Is около 200 с.

a_centaurus> По прикидкам и опыту этот мотор должен добить до Is 180-190 с, что совсем неплохо для системы Урбанский-Колбурн (обычный Is - 170 с).

Я так понимаю, инжекторное отверстие - это аналог форсунки в ЖРД?

Схема Урбанского-Колбурна почему так называется? Вроде обычный ГРД, классический, как я понял из описания.

Схема Урбанского-Колбурна называется называется потому, что запатентована как вариант дизайна гибридного мотора, в котором заправка бака окислителем производится через пластиковую трубку, которая одновременно служит клапаном и инжектор (да, это аналог форсунки, а вернее калька с english). После заправки бака эта трубка пережигается внутренним игнитером и потоком раскалённых газов затем частично сжигается внутри камеры (шашки) и выбрасывается наружу. Преимущества: простота дизайна, меньший вес. Недостатки: диаметр инжектора привязан к диаметру трубки (н.р. 2.66 мм для трубки 7/6 мм, 4,22 мм для 3/4" и т.д.), сложно сделать многопортовый и многоинжекторный дизайн (shower), повышающий Is, необходимость заправки на старте и малое время хранения. Есть варианты (Volcan, Italy) У-К с заправкой через заднюю крышку и трубкой внутри камеры только для открытия. Но он мне не нравится, потому что резко усложняет оперирование такого двигателя и повышает стоимость из-за необходимости использовать разьёмный клапан (дорогой и ненадёжный) для заправки. А однопортный инжектор, привязанный к диаметру той же трубки и необходимости её пережигания, оставляет Ис такого мотора весьма бедным (не более 170 с). Вообще, хороший ГРД отличается от просто ГРД именно наличием нескольких портов (каналов в шашке или просто шашек) и мультиинжекторным впрыском. А также мощным подогревателем (preheater). Посмотрите, для сравнения дизайн Вулкана и фото такого high pressure qwick connector марки Swagelock. Стоил 200 USd. Пока лежит для лучших времён.

Понятно. А какой для данной топливной пары максимально достижимый УИ при аматарском подходе?

Закись азота + nylon даёт 200 - 220 с. На микрогибридном моторе я получал 210 с. Но на большом моторе необходимо использовать многопортовой гран и распыление окислителя в мультиинжекторном блоке. У меня в разработке такой мотор калибра 80/50 мм на 1000 N, It - 5000 N*s.

Провёл испытания igniter-preheater изготовленного по новой формуле. За основу взята быстротвердеющая эпокси PoХypol-10 min. В России такая продаётся. Хотя и не дёшево. Пока было взято стандартное соотношение 1:1 по длине (по весу - 1 гр) компонентов эпокси. Сначала компонент "А" был разбавлен несколькими каплями изопропилового спирта, а затем смешан с 2.7 гр KNO3, 0.3 гр KClO4 и 0.1 гр Fe2O3. После получения равномерно промешанной пасты, в неё был добавлен компонент "B". Через несколько минут паста начала твердеть (консистенция пластилина) и была уложена в бумажную оправку. Затем в ней был сделан центральный канал. После 20 минут прогрева на лабораторной плитке, шашка была готова к испытаниям. Физическое состояние - твёрдое тело без всякой эластичности. Шашка имела размеры: диам. 15 мм, высота - 15 мм, диам. канала - 5 мм. Целью огневых испытаний было: измерение скорости горения на воздухе и отработка электрической системы поджига... Дефолтно предполагалось, что температура зоны горения и конфигурация этой зоны будут достаточны для пережигания нейлоновой питающей трубки-клапана гибридного мотора, если будет достигнут поджиг шашки от резистора и порохового инициирующего заряда. Шашка была распилена поперёк и в одно из полученных колец был вклеен пороховой мякотью на НЦ запальный шнур длиной 15 мм, а в другую был вклеен этой же эпокси (без окислителя) стандартный 1.0 Ом резистор из нихрома 0.1 мм с головкой из пороховой мякоти.
1. 1 образец был легко воспламенён от пороховой мякоти тлеющим шнуром. Скорость горения (радиальная) составила 1.2 мм/с. Цвет пламени фиолетово-голубой. Дыма было мало и шлака тоже.
2. 2 образец был воспламенён от батареи 12 В с пульта. Воспламенение быстрое, горение было направлено в небронированную сторону. По всем параметрам такой состав подходит для инициирования гибридных моторов. Быстротвердеющая эпокси позволяет приготовлять нужное небольшое количество пасты непосредственно перед испытаниями мотора или полётами. Очень удобная для формовки грана консистенция. Видео прилагается

Screen shot from video.

Вчера провёл очередное испытание Ме_Х_38/700.
Цель была:
1 - испытать новый дренажный клапан: шариковая система вместо капиллярной иглы. Оказалось, что мотор с иглой не становиться в саппорт стенда (мешает задняя стенка, да и мерить тягу будет затруднительно). Подобрал подходящий бронзовый фиттинг и шарик 6 мм от подшипника. В слегка прижатом состоянии шарик позволяет стравливать давление, а при использовании тефлонового о-ринга может и полностью закрывать дренаж. Это можно делать, если на старте возникла небольшая пауза. На фото: шариковый дренажный клапан.
2 - испытать мотор с новым игнитором, сделанным на базе быстрой эпокси.
3 - испытать мотор с полной заправкой - 280 г (ок. 25-30 г стравливается при подготовке к старту).
При заправке клапан сработал хорошо. Игнитор также хорошо инициировал начало горения (правда чуть медленнее старого на обычной эпокси). Начальный рёв сверхзвукового потока из сопла был также внушителен (это здорово ощущается, когда стоишь в 2 метрах за стеной в укрытии). А вот потом пошёл сбой. Тяга упала и появилось красное пятно перегрева на корпусе возле сопла. Утечка.
После окончания работы разобрал мотор (с трудом из-за потёков нейлона) и понял:
при сборке забыл поставить изолирующую и центрирующую прокладку на сопло. Эта прокладка (1.2 мм) заложена в конструкцию мотора, чтобы при нагреве сопло не было зажато корпусом. А без прокладки сопло сместилось к краю и обнажило о-ринг (он находиться между шашкой и соплом, герметизируя связку). А шашка была уже два раза использована, хотя и проточена по торцам. Поэтому поток раскалённых газов сразу же прожёг отверстие и туда потёк охлаждаемый, поэтому расплавленный нейлон, сопровождаемый газовым свищём. В итоге мотор работал с перебоями. И конечно, если бы это был ракетный тест, он бы закончился куда как трагичнее. Сегодня пришлось нагреть мотор в части сопла воздушным пистолетом и соскребать лезвием пригоревший к металлу полимер. Вот такая история.
На коллаже из двух фото виден максимальный факел, полученный где-то в середине тяги (утечка была кратковременно перекрыта расплавом) и раскалённая зона на корпусе мотора в конце тяги.

А комп... кино?
Слежу очень внимательно, не смотря на запарку на работе.

Очередное испытание Ме_H_38/700 провёл с целью проверки усиленной термоизоляции соплового узла. Термоизоляционный стакан был выполнен из керамического войлока 3 мм. При этом из полоски, равной по ширине высоте графитового сопла, был приготовлен срез войлока толщиной 1.5 мм, которым и было обмотано в один слой сопло. Обмотка была закреплена силиконовым герметиком только по шву. Также на герметик, нанесённый на торец соплового блока и полимерной шашки был посажен витоновый о-ринг. Шашка была уже использована 3 раза, поэтому канал у неё был на 5-6 мм больше расчётного. Это, разумеется должно было снизить давление в камере (что потом и было подтверждено на видео). Заправка была на 65% от штатной: 170 г вместо 260, учитывая состояние шашки. Использовался 4 гр. ignitor-preheater на базе обычной (не быстротвердеющей) эпоксидной смолы, нитрата калия, перхлората калия и оксида железа. Шашка сохраняла эластичность после двух недель с момента изготовления из-за использования только 5% отвердителя. Между воспламенением игнитора и перегоранием соединительной трубки-клапана прошло около 2 сек. Начало горения сопровождалось факелом, более коротким и уширенным, по сравнению с полученным со стандартной новой шашки. Звук сильный, но с подвываниями. Интересная деталь, потоком воздуха от факела, с каменного крыльца терассы, где находится стенд, сдуло тяжёлую резиновую перчатку на подкладке, которая использовалась при заправке бака закисью азота. Расстояние до неё от среза сопла было около 4 м. После испытания мотор легко разобрался руками (в перчатках) в горяче-холодном виде (камера - горячая, бак - холодный). О-ринг, разделяющий сопло и шашку почти не пострадал. Напомню, что температура на критике достигает 3000º. На фото элементы камеры сгорания сразу же после теста. Весьма чумазые.
В принципе, теперь можно собирать ракету (структура из углекомпозита имеется) и попробовать полетать с этим гибридным мотором, чтобы пройти весь комплекс КДИ с заправкой бака окислителем перед стартом в полевых условиях. В целом мотор показал хорошие оперативные качества. Тяга хоть и не замерялась, но из расчёта времени и массы F/O должна быть порядка 200 N. Время активной тяги (с аэрозольной фазой) около 3 с. По расчёту этого достаточно, чтобы поднять 1.8 кг ракеты калибра 60 мм, длиной 1.8 м на высоту около 1000 м. Разумеется нужно будет сделать ещё один контрольный ст. тест мотора с новой шашкой. И приступать к следующему мотору на 1000 N тяги (It = 5000 N*s) калибра 80/50 мм (бак/камера).

А чертежи узлов коммерческая тайна? Нельзя ли хотя бы без размеров выложить?

Ник

Видео этого огневого испытания Ме_H_38/700 здесь:

http://www.albe76.newmail.ru/Me_H_38_st.9.03.06.zip

А чертежи узлов коммерческая тайна? Нельзя ли хотя бы без размеров выложить?
Ник

 

Сборочный чертёж - пожалуйста. Могу и чертежи деталей, но тогда ты должен будешь повторить всю цепочку, потому что расчёт данного гибрида был сделан под конкретные материалы и задачи. Боюсь, что ты не сможешь повторить из-за использования коммерческих элементов (Например fitting и нейлоновый шланг высокого давления), которые вряд ли можно найти на постсоветском пространстве. Хотя модифицированный (a la Volcan italiano. См. выше) У_К монококк с заправкой через переднюю крышку через обычный шланг и использованием куска пластиковой трубки в качестве клапана, думаю, можно.
На эскизе сборочного чертежа: общий вид - первый вариант. сборка (уточнённый актуальный вариант) камеры сгорания. Не обессудь, все надписи на castellano (Spanish)

Сборочный чертёж - пожалуйста. Могу и чертежи деталей, но тогда ты должен будешь ....

 

Большое спасибо! И особенно узлы! Я не за себя (пока) прошу - просто важны принципиальные решения принятые, и что важнее - проверенные, Вами - что бы следующие конструкторы не топтались на том же месте.

Ник

Что-то не видно пока последователей. Но, как видишь, я не теряю надежды, что когда-нибудь таковой появится. Успехов и спасибо за интерес к этой теме.

Что-то не видно пока последователей.

 

Я думаю, что для большинства, основным препятствием является довольно высокая первоначальная стоимость комплекта для хранения, заправки, дозирования, и т.п. закиси, плюс проблемы её приобретения. Для экспериментирования, карамель выходит на порядок дешевле, а эксперименты с закисными двигателями, с неясным результатом, многим кажутся весьма сложными и дорогими. Получение закиси самому, из нитрата аммония, довольно рентабельный процесс (цена 1 кг. закиси около 30-40 руб.) но весьма долгий и нудный. Несмотря на наличие в системе промывных склянок и поглотительных колонок, закись идёт довольно грязная, и пованивает аммиаком. К тому же нужен компрессор (как минимум от холодильника), а он тоже не дёшев. По этому, я думаю, что народ более активно будет смотреть в сторону закисных гибридников тогда, когда появится линейка отработанных, реально работающих двигателей. Если человек будет уверен, что изготовив по чертежам двигатель, заправив его, и установив в ракету, он получит ожидаемый результат, то вложение денег в это мероприятие будет для него вполне оправданным, а там уже и экспериментировать можно. Твой проект как раз и будет служить этой цели. Как только двигатель будет доведён до ума, а модели с ним покажут хорошие лётные характеристики, желающие как минимум повторить его, я думаю появятся.

Как только двигатель будет доведён до ума, а модели с ним покажут хорошие лётные характеристики, желающие как минимум повторить его, я думаю появятся.

 

Спасибо за разьяснение. На самом деле постройка такого двигателя не намного сложнее РДТТ среднего класса. И с закисью мудрить не стоит. Не так уж дорого стоит 5- 25 л баллон с вентилем. По крайней мере в наших краях. Оборудование делается один раз и служит долго. В принципе, можно обойтись и без пластиковой трубки для заправки, а использовать шланги высокого давления или медные трубки. Дело тут в желании овладеть этой техникой.

То Madgrey:
Какие нужны гарантии ?? Если по этим чертежам ракеты летают ? А a_centaurus выкладывает достаточно подробные инструкции.
Мое мнение - гарантии на успех при повторении уже даны.
Я сам надеюсь последовать стопам его.

P.S.
Вот не понимаю зачем искать проблемы, где их можно обойти.
Закись продается по 10-11 руб за литр. Дешевле бензина.
Зачем себе искать приключения на задницу. Проблем в переди ждет намного больше и интересных чем добыча закиси.

Виват, Дима!
Слова не мальчика но МУЖА.
На самом деле мы в нашем моторе не сделали почти ничего своего: просто компиллировали уже многократно проверенную в десятках конкретных дизайнов великолепную схему Билла Колбурна... Правда, мотор ещё надо было посчитать на наши технологические возможности. Подходящую трубу на давление 300-500 пси найти гораздо проще, чем для РДТТ. У нас, напоминаю, используется проточенная до 0.6 мм 1.5" шовная труба из нержавейки. Коммерческий фиттинг не сложно повторить в бронзе или стали. Пластиковый колпачок, выточенный из PVC, будет служить в качестве запорного клапана, пережигаемого при запуске пиротехническим устройством. Для напуска закиси можно использовать стандартные шариковые вентили. Думаю, что подобрать из имеющихся советских образцов что-то не очень большое и тяжёлое возможно. В крайнем случае можно разработать что-то своё. С графитом наверное посложнее, но, в крайнем случае пойдёт стальное или даже дуралевое со вставкой.
Что касается лётного теста ракеты с таким мотором, то это более тривиально. Главное, чтобы мотор работал штатно. Детали корпуса ракеты и бортовые системы ракеты имеются. Так что со временем это будет сделано.

Сегодня видел пластину графика в магазимне радиодеталей 150х100х20 мм. Денег какихто смешных стоит. Очень смешных.
Это конечно не пиро графит, но лучше чем токосъемники с тролейбусов.

У меня на этом двигателе графит самый обычный (не пиролитический) И служит прекрасно уже в течение 10 тестов. Кстати, графитовую заготовку для сопла можно склеивать эпоксидкой с наполнением графитовым порошком (делал на микрогибриде, склеивая разбитое на 4-5 частей сопло ) . То есть такая заготовка, какая у вас есть в продаже может быть распилена на три части и склеена по толщине до 60 мм. Этого вполне достаточно для изготовления соплового блока. Удачи.

Как я уже писал, этап наземных испытаний мотора Ме_Х_38/700 подходит к завершению. Далее будет этап лётных испытаний. Но это будет другая история. А пока я бы хотел представить один очень важный компонент постройки гибридного мотора - габаритный расчёт. Конечно, существуют программы, но уважающий себя гибридчик всё же сделает ручной расчёт, поскольку программа (например Hybrid calcs) позволяет работать в основном подбором основных параметров. Прилагаю пример расчёта HRM (это не Ме_Х_38/700 ). Я сознательно не выкладываю весь документ. Хочу посмотреть на реакцию. Он адаптирован из известного руководства одного из опытных моторостроителей Пола Келли и примера из книги Д.Саттона. Документ на английском. Итак, первая часть расчётов: бак для Н2О и инжектор. Продолжение следует.

Сейчас готовлю к отливке заготовки деталей турбонасоса для микро ЖРД

 

С какой же скоростью надо вертеть такое колесо насоса??? Пожалуй не менее 500000 оборотов в минуту.