Гибридный Ракетный Двигатель

Падение температуры в балоне должно зависеть еще от таких факторов как :
1. конструктив. в виде передачи тепла от камеры сгорания (объема разложения закиси) к балону
2. где происходит испарение (максимальны перепад давления). не обязательно его делать в балоне. можно и поближе к камере сгорания.

Вообще то непонятно, какие такие проблемы с заполнением резервуаров закисью?
У нас была такая проблема. Хотелось давать закись во время перевозки больного в реанимацию(два длинных коридора и лифт). Иначе к нам больные приходили уже "в контакте", что не есть хорошо. То же самое хотели и врачи скорой - закись хороша при инфарктах, особенно кардиогенном шоке.
Маленьких баллонов с закисью не было. .
Поэтому брали маленькие 2х лит. кислородные баллоны, соединяли их в магистраль - в баллоне создавалась атмосфера закиси, выравнивалось давление. Затем большой баллон переворачивался так, что бы вентиль, и магистраль заполнились жидкой фракцией, а маленький опускался вниз - и закись просто перетекала из одного баллона в другой. И ВСЁ!

Ник

На паре nylon-poliamida6/N2O в микрогибриде у меня Is добивал до 210 с. Многое зависит от дизайна прекамеры, где должна происходить декомпозиция закиси азота на кислород и молекулярный азот и эффективности игниторной смеси. Теоретически нейлон имеет больший импульс чем ПММетакрилат. Я его также выбрал по меньшей стоимости. Купил 20 палок nylon poliamida6 100х2.5/5.0 см см и их хватает надолго. Давление в баке зависит от температуры. Например посмотрел сегодня на манометр в малом баке, который оставил на террассе при температуре +10ºЦ на улице, а он упал на 5 делений от того, что было в субботу в лаборатории при 22ºЦ.
Так что бак не только охлаждать, а и подогревать приходится. Ведь параметры мотора, давление в камере сгорания, расход окислителя к горючему, расчитываются на основе постоянного начального давления в баке при нормальной температуре. Это 780 пси. Известны случаи, когда из-за низкой температуры мотор давал не за пускался или давал низкий импульс. Это тебе не liquid oхigen. Да и там бывают проблемы с температурой.
Про проблему с заполнением я написал только в случае с очень маленьким обьёмом танка - всего 25см3 и его относительно тонкими и высокотемпературопроводными стенками из дюраля. Тут надо его либо хорошо изолировать, либо делать из композита или стали. Но в основном, для коммерческих моторов (я беру за аналог моторы Aerotech)используются дюралевые баки и процесс заполнения их аналогичен уже мною описанному с добавлением дроссельного клапана. Он используется практически на всех моторах чтобы поддерживать постоянство давления. И пожалуйста не забывайте, что заполнять бак перед стартом придётся в поле, на ветру или под солнцем или дождём. Поэтому алгоритм заполнения должен быть максимально отработанным. Кстати NOХ оставляет ожоги весьма серьёзные.

Ещё немного о гибридах. Давно у меня есть проект ракеты на связке двух микрогибридов с радиальным расположением. Попробовал впервые запустить их в такой связке-кластере. Первый блин комом: во-первых игниторы почему-то сработали с разницей в 200 мс, а потом в одном отказал пироклапан (слегка поменял конструкцию), зато другой дал очень хороший (визуально) факел, такой длинный что не вошёл в кадр. И время работы увеличилось до 1.6 с вместо обычных 1.35 с. Скорее всего причиной была добавка нового компонента в составе пиросмеси. Но с этим надо разобраться. Резисторы были одинаковы по 2.4 Ом и соединены параллельно с батареей. Может быть надо их по-другому соединять было, последовательно? Есть мнения?
На коллаже видны срабатывания по очереди пироклапанов белого и чёрного моторов и середина тяги белого мотора

Повторил испытания связки (claster) из двух микрогибридных моторов MECH_FA_01.
Цель была добиться синхронности работы моторов. В случае гибрида это не так просто, поскольку каждый пироклапан делается вручную и добиться абсолютной симметрии довольно сложно. Результат получился достаточно интересным. Несмотря на небольшую разницу (0.2 с) во времени срабатывания клапанов (по появлению основного факела тяги) моторы дали сумарную тягу, которая из-за небольшой эксцентричности крепления (3 см) и появлению вращающего момента, привела к повороту моторов вокруг оси крепления (винты были стандартно зажаты), а затем к опрокидыванию лабораторного штатива, на котором они были закреплены. Причём к собственному весу штатива был приложен ещё вес груза (половинки силикатного кирпича). По счастью падение было остановлено стенкой защитного ящика стенда. Испытание в общем можно признать положительным, поскольку по крайней мере горение моторы закончили одновременно, а суммарная тяга была заметно больше тяги одного мотора по произведённому эффекту. На видео видны довольно неожиданные ракурсы, снятые во время падения.

ГРД из ПХВ труб. Проект ещё полностью не отработан, но уже летает.

http://www.miranda.org/~evand/hybrid/index.html

Для a_centaurus

---

Ты пробовал в качестве горючего парафин + Al ? ( И почему? ...если нет) Спасибо.

Не пробовал, но прорабатывал такую возможность для проекта Solaris_04H_5000. Там не всё так просто, как кажется. Из-за своих физических свойств парафин не очень пригоден для долгого времени работы (12-15 сек), интересного для серьёзных моторов. Эту тему мы обсуждали в Форуме http://www.hybriddyn.com в топике Hybrid Motor/ Wood as an insulator. Он начинает плавиться и падать в канал. Поэтому пришли к идее использовать полимерный/картонный или деревянный каркас, который бы разделял парафиновую шашку на сегменты, как в продольном, так и в поперечном направлении, поддерживал бы её механически, изолировал от лишнего тепла и сгорал бы вместе с нею. Участник этого форума Edward, который сейчас занят разработкой гибрида на парафине, может быть опробует эту технику и опишет результаты.
Тогда, может быть я сделаю дизайн для двух камер сгорания. Первую, с использованием нейлона, вторую, с использованием парафиновой шашки, изготовленной по данной технологии. Теоретически парафин (и парафин с Al) дают выигрыш, в основном в соотношении fuel/oхidizer ratio, которое в этом случае составляет 1:4, 1:3.5. В сравнении с нейлоном (1:5) это могло бы дать некоторый выигрыш, но только при больших временах импульса и если будут разрешены вышеуказанные проблемы с механикой и термодинамикой (и стабильностью горения)парафиновой шашки. При средних временах работы (5-10 с) полимерное или целлюлозное (бумага) топливо предпочтительнее, так как позволяет забыть о проблемах с шашкой. Наточил из палки или трубы и баста. Кроме того уже доказано, что металлические присадки в топливах, использующих закись азота (N2O,а не кислород О2) уменьшают удельный импульс, поскольку понижают температуру в камере и забирают кислород, которого и так не хватает. Так что во всех случаях надо начинать с более стабильного и простого топлива, а уж потом, если дойдёшь до такого уровня, пытаться использовать воск или HTPB. (Это мое частное мнение, вытекающее из собственного опыта и инженерного уровня которое я никому не навязываю). Эскиз парафиновой шашки с каркасом можно посмотреть здесь:
http://www.albe76.newmail.ru/Woxgrain.jpg

Поэтому пришли к идее использовать полимерный/картонный или деревянный каркас, который бы разделял парафиновую шашку на сегменты, как в продольном, так и в поперечном направлении, поддерживал бы её механически, изолировал от лишнего тепла и сгорал бы вместе с нею.

 

А не проще пропитать парафином трубку из поролона. В продаже есть готовые трубки разных размеров для малярных валиков. Поролон будет служить одновременно и каркасом для парафина, и дополнительным топливом. Если жесткость поролона окажется недостаточной, то его можно предварительно упрочнить, окунув в лак для паркета, хорошо отжав, и высушив. ИМХО, вполне жизнеспособная идея, жаль сам проверить не могу, так как до сих пор не нашёл где купить закись.

Дискуссия о замороженных ТРТ перенесена сюда:

http://forums.airbase.ru/index.php/topic,35583.msg715471.html#msg715471

А не проще пропитать парафином трубку из поролона.

 

я это предлагал уж год назад наверно, да наверно кто-то так и делает.

А не проще пропитать парафином трубку из поролона. В продаже есть готовые трубки разных размеров для малярных валиков. Поролон будет служить одновременно и каркасом для парафина, и дополнительным топливом. Если жесткость поролона окажется недостаточной, то его можно предварительно упрочнить, окунув в лак для паркета, хорошо отжав, и высушив. ИМХО, вполне жизнеспособная идея, жаль сам проверить не могу, так как до сих пор не нашёл где купить закись.

 

Во-первых, идея была хорошая. Во-вторых, просто великолепная. В третьих, никто не
знал, как её реализовать в рамках технологического процесса (Льюис Каррол. Алиса в стране чудес. Перефразировано...). Как сказал ниже "термостат" ...( да наверное кто-то уже это сделал..."). Судя по публикациям в гибридном форуме, никто. На самом деле речь идёт о шашке размерами в 500х50х30 мм. Из трубки такое не сделаешь. Попробуйте погрузить или залить расплавленным парафином кусок поролона. Напишите, что у вас получится. А надо не просто залить, а пропитать ВСЕ поры и сохранить идеальной цилиндрическую форму шашки в вышеуказанных размерах. Приходилось (в советское время) участвовать в изготовлении никелевой губки на матрице из поролона методом гальванопластики. Так вот тогда пришлось заказывать на заводе специальный поролон, обработанный при полимеризации в вакууме. Тогда (и только тогда) процент вскрытых пор стремится к 80-90%. В обычном поролоне это соотношение близко к 50/50. То есть по своим физическим свойствам парафин НЕ СМОЖЕТ заполнить 90% обьёмной матрицы поролона. А в меньшей пропорции он не интересен. Ну и самое главное - задача повышения термодинамических/механических свойств шашки с применением поролона не решается. Не будет он служить каркасом.
При длительном нагреве (температура около 2000º) внутри камеры парафин всё равно размягчится, а обмякший поролон его не удержит... А вот упомянутый жёсткий каркас это как раз и способен сделать. Производство шашки с ним ничем не отличается от стандартной отливки в форме. Так же осталось за кадром идея применения заряда из нескольких тонких парафиновых шашек в пластиковых трубках. А именно она позволяет обеспечить боле полное сгорание заряда. В заключение ещё раз повторю (для тех, кому для постройки гибридного мотора осталось всего лишь - "достать закись" ), что начинать с гибридами лучше используя твёрдые материалы - полимеры или бумагу в рулоне (Аэротек делает свои коммерческие гибриды на бумаге)в качестве горючего.

В обычном поролоне это соотношение близко к 50/50. То есть по своим физическим свойствам парафин НЕ СМОЖЕТ заполнить 90% обьёмной матрицы поролона.

 

Позволь с тобой не согласиться. Обычная поролоновая губка, будучи интенсивно отжата от воздуха под водой, однозначно тонет, что говорит о том, что воздуха в ней практически не остаётся.

При длительном нагреве (температура около 2000º) внутри камеры парафин всё равно размягчится, а обмякший поролон его не удержит... А вот упомянутый жёсткий каркас это как раз и способен сделать.

 

Парафин имеет весьма низкую теплопроводность, и если скорость сгорания шашки будет больше, чем скорость распостранения тепла вглубь шашки, то ничего лишнего из неё не вытечет, в противном случае, выльется и из поролона, и из каркаса.

для тех, кому для постройки гибридного мотора осталось всего лишь - "достать закись"

 

Не ёрничай, это для меня действительно единственная проблема, ну и свободное время, конечно. Если конкретнее, то вопрос стоит так: - где в Москве недорого достать закись "в разлив", в свою посуду.

Парафин имеет весьма низкую теплопроводность, и если скорость сгорания шашки будет больше, чем скорость распостранения тепла вглубь шашки, то ничего лишнего из неё не вытечет, в противном случае, выльется и из поролона, и из каркаса.

 

Полностью согласен. С маленькой поправкой: из поролона всё-таки будет меньше вытекать, ведь держится же вода в поролоновой мочалке.

Проблемы с вытеканием возникают не в ходе установившегося горения (здесь легкоплавкость как раз помогает, ведь именно в этом вся суть использования парафина), а во время воспламенения и выхода на режим. Воспламенитель оплавляет парафин, а горение ещё не началось или не установилось, парафин утекает, не сгорая. Думаю, здесь помогла бы бумажная "бронировка" канала. Бумага внутри канала (пропитанная парафином) загорится гораздо легче, чем чистый парафин, горение быстро установится по всему каналу, а после прогара бумаги загорится парафин.

Торцы каркаса, выступающие в канал, тоже могут сильно облегчить воспламенение, работая как фитили в свечке. Конечно, если они будут картонные, а не пластиковые.

Господа!
Речь шла о КОНКРЕТНОЙ проблеме, которая обсуждалась в гибридном Форуме: плавление и падение вниз парафиновой шашки при длительной работе гибридного мотора. Тут надо чётко представлять детали процесса, происходящего в камере сгорания. Впрыск закиси азота производится через инжектор в передней крышке камеры. После поджига шашки твёрдого топлива и дескомпозиции закиси начинается ВОЗГОНКА (не горение) материала основной шашки (не важно какой) и интенсивное горение паров в канале. Из-за того, что в верхней части камеры температура ниже из-за естественного охлаждения окислителем, там и интенсивность горения также несколько ниже. В полимерной или бумажной шашке это заканчивается конусным расширением к низу после окончания процесса. В случае парафина, который как правильно было замечено, имеет высокую теплоёмкость (а точку плавления ок. 50º) и низкую механическую прочность, в этой зоне происходит появление жидкой фазы, которая не успевает переходить в паровую фазу и начинает сползать в канал, нарушая равномерность подачи окислителя. Парень, который сейчас активно занимается парафиновым топливом и хочет построить мотор на 15 с. тяги, как раз и обратился за помощью в разрешении этой проблемы. Он в своём техническом решении предполагал использовать вставку из дерева в верхней части парафиновой шашки.
Поэтому, что касается поролона, как матрицы для парафина, то идея в принципе бесполезная, потому что основной проблемы он не решает, а мороки добавляет. Может быть и картонный каркас - не лучшее решение (хотя механические свойства шашки он улучшает), но попробовать стоит, тем более что это не сложно.

Господа!
Речь шла о КОНКРЕТНОЙ проблеме, которая обсуждалась в гибридном Форуме: плавление и падение вниз парафиновой шашки при длительной работе гибридного мотора. Тут надо чётко представлять детали процесса, происходящего в камере сгорания. Впрыск закиси азота производится через инжектор в передней крышке камеры. После поджига шашки твёрдого топлива и дескомпозиции закиси начинается ВОЗГОНКА (не горение) материала основной шашки (не важно какой) и интенсивное горение паров в канале. Из-за того, что в верхней части камеры температура ниже из-за естественного охлаждения окислителем, там и интенсивность горения также несколько ниже. В полимерной или бумажной шашке это заканчивается конусным расширением к низу после окончания процесса. В случае парафина, который как правильно было замечено, имеет высокую теплоёмкость (а точку плавления ок. 50º) и низкую механическую прочность, в этой зоне происходит появление жидкой фазы, которая не успевает переходить в паровую фазу и начинает сползать в канал, нарушая равномерность подачи окислителя. Парень, который сейчас активно занимается парафиновым топливом и хочет построить мотор на 15 с. тяги, как раз и обратился за помощью в разрешении этой проблемы. Он в своём техническом решении предполагал использовать вставку из дерева в верхней части парафиновой шашки.
Поэтому, что касается поролона, как матрицы для парафина, то идея в принципе бесполезная, потому что основной проблемы он не решает, а мороки добавляет. Может быть и картонный каркас - не лучшее решение (хотя механические свойства шашки он улучшает), но попробовать стоит, тем более что это не сложно.

 

А есть данные по геометрии КС/шашки из парафина и параметам РП в камере ?
Ну хотя бы по давлению закиси в балоне и/или расходу ?

По идее задачка считаемая и было бы даже интересно "переточить" мой симулятор РП под гибридник.
Заодно и посмотрим насколько адекватно будет работать матмодель для гибридников.

Подожди чуток , не пропадай.(занят в лабораториях и подробно написать некогда) Я тебе подробно отпишу. Мат. модель существует, как и проги (таблицы в Eхcel) в весьма зачаточном состоянии. О оочень хотелось бы иметь простой автоматизированный алгоритм расчёта, учитывающий все факторы

Подожди чуток , не пропадай.(занят в лабораториях и подробно написать некогда) Я тебе подробно отпишу. Мат. модель существует, как и проги (таблицы в Eхcel) в весьма зачаточном состоянии. О оочень хотелось бы иметь простой автоматизированный алгоритм расчёта, учитывающий все факторы

 

OK. Вот только то что алгоритм будет простой я мягко говоря не обещаю.

В основе инструмента лежит именно идея симуляции физических процессов в КС и в заряде ТТ.
Совместно решаются FNS для КС+чего угодно как снаружи так и внутри (например можно прицепить тот же самый бак с закисью) с учётом химреакций, турбулентности...blah-blah-blah и задача теплового состояния заряда c фазовыми переходами и тепловыми и массовыми потоками на поверхности.

Сейчас я пытаюсь набросать общую модель двигателя, взяв за основу опубликованные данные по
парафиновому гибриднику группы товарисчей из Станфорда - Anthony McCormick, Eric Hultgren, Martin Lichtman, Jadon Smith, Ryan Sneed, and Shaun Azimi

Не хватает некоторой геометрии зато есть экспериментальные кривые тяги и давления в КС.

Кроме того у меня нет полных данных по парафину, буду пробовать пока с ПЭ.

К сожалению в коде есть много жестких завязок под CSP которые нужно будет отвязать.
Сколько это займёт времени - ХЗ. Как чего нибудь начнёт получаться, выложу результат.

Кроме того у меня нет полных данных по парафину, буду пробовать пока с ПЭ.

 

Как я понял, горение парафина очень сильно отличается от полиэтилена. Будет ли полиэтилен хорошей заменой парафину в модели?

Как я понял, горение парафина очень сильно отличается от полиэтилена. Будет ли полиэтилен хорошей заменой парафину в модели?

 

Насколько я понял, основное отличае модели горения парафиновой шашки от шашки из ПЭ это наличие уноса капель парафина с поверхности. Этот кусок в моей модели уже есть.

Мне сейчас по парафину не хватает банальных вещей:

1) Теплота образования парафина (dHf298) - есть только данные для некоторых алканов (CnHn+2) с не очень высокими n (до 9) хотелось бы до n=20 как минимум.
2) Зависимостьи теплоёмкости и теплопроводности парафина от температуры в диапазоне от стартовой до температуры кипения (для обеих фаз)
3) Зависимость вязкости от температуры для жидкого парафина в диапазоне от температуры плавления до температуры кипения.


Ну и хотелось бы взглянуть на существующие модели горения парафина.

Насколько я понял, основное отличае модели горения парафиновой шашки от шашки из ПЭ это наличие уноса капель парафина с поверхности

 

И я так понял. А что ты имел в виду здесь: "буду пробовать пока с ПЭ" ?

Теплоту образования парафина можно взять от полиэтилена:

791 POLYETHYLENE 2C 4H 0 0 0 0 -453 калорий/г

Это данные из PROPEP.

Других данных у меня нет.

И я так понял. А что ты имел в виду здесь: "буду пробовать пока с ПЭ" ?

 

Воткну полиэтиленовую шашку вместо парафиновой
Главное запустить инструмент в "гибридной" схеме а уж со свойствами шашки будем потом разбираться.

Теплоту образования парафина можно взять от полиэтилена:

791 POLYETHYLENE 2C 4H 0 0 0 0 -453 калорий/г

Это данные из PROPEP.

Других данных у меня нет.

 

Ну брать данные с потолка я тоже могу

Уж если с потолка то брать предельный углеводород.

Например C9H20:

3,3-Diethylpentane
CCC(CC)(CC)CC
ΔHf =-55.7 kcal/mol


2,2,3,3-Tetramethylpentane
CCC©©C©©C
ΔHf =-56.7 kcal/mol


2,2,3,4-Tetramethylpentane
CC©C©C©©C
ΔHf =-56.6 kcal/mol

2,2,4,4-Tetramethylpentane
CC©©CC©©C
ΔHf =-57.8 kcal/mol


2,3,3,4-Tetramethylpentane
CC©C©©C©C
ΔHf =-56.4 kcal/mol

Уж если с потолка то брать предельный углеводород.

 

Почему это с потолка?

Для твоих С9Н20 получается -437 кал/г, а для полиэтилена я привёл -453. Думаю, что цифра полиэтилена гораздо ближе к парафину, чем цифры от С9Н20. Хотя и между этими данными разница всего 3%. Насколько это большое отличие для твоей модели?

Пока единственные более менее научные исследования были проведены в Станфордском университете. Есть популярная статья в Инете (in English). Ссылку не могу найти, а сама статья есть. Модель расчёта взята из книг Колбурна и Саттона. У меня на страничке можешь взять пример (in English) габаритного расчёта гибрида (PVC+N2O)на 5000 N*s. Я его компиллировал из также известного примера Пола Келли, чтобы затем попытаться уточнить модель. В нём не хватает расчёта изменения формы графика тяги в течение активного времени (выход аэрозольной фазы окислителя при перепаде давления от оперативного в баке (700 пси), до давления в камере (300 пси)). Такой пример расчёта есть в статье группы из Франции (Frances), но достаточно сумбурный, потому что это тоже добросовестная компилляция с американских источников. Для построения рабочей модели (габаритной) достаточно знать основные соотношения топливо/oкислитель. По парафину такие данные есть в статье Станфорда. Вчера наш коллега Edward выложил видео статического теста своего гибридного мотора класса М (8000 N*s) на закиси и парафине. Сейчас я готовлю ему вопросы по поводу этого теста и деталей конструкции. Сам мотор впечатляет. Хотя на видео видны флуктуации тяги, изменения формы факела в различных фазах, сильное дымление. Может это следствие горизонтального положения камеры в тесте. Я тоже так делаю на моём стенде, но с нейлоном таких эффектов не наблюдается. По видимому это следствие того самого падения парафина со стенки в канал. Поскольку применялся инжектор распылительного типа, то можно предположить модуляцию потока окислителя жидкокапельной фазой парафина у выхода инжектора. По моей оценке время активной тяги составило ок. 6-8 с, хотя мотор работал около 16 с. Видео 25 Мб но скачивается хорошо. Посмотрите, потом обсудим.
www.alphahybrids.com/m435.mpg