ГРД:от тактики к практике. Часть II

Estimado Sr."umbriel"!
(в испанском, вежливая форма обращения к незнакомцу, эквивалентная англ. "Sir")
Задавай, пожалуйста, подобные вопросы в топик "ГРД", где тебе обязательно ответят знатоки-теоретики, которых на Форуме есть в избытке. А в данной теме обсуждаются в основном, прикладные проблемы создания гибридного ракетного двигателя на закиси азота и углеводородном твёрдом топливе.

Сделал некоторые изменения в конструкции мини ГРД. Они обусловлены проведёнными испытаниями на стенде с записью тяги. Видео здесь.
Оно не было ни удачным, ни неудачным. В экспериментальной технике и науке вообще не бывает неудачных испытаний. Бывают плохие анализы. Попробуем сделать "хороший" анализ. Итак: 1 - двигатель был "почти стандартно" снаряжён к тесту. 2 - двигатель был установлен на прокалиброванный специально для этого стенд. 3 - старт двигателя был сделан от стандартного источника -батареи 12 V. 4 - слишком быстро сработал пироклапан, открыв поток окислителя через инжектор. 5 - к этому моменту преднагреватель ещё не успел разгореться. 6 - жидкая фаза окислителя струёй ударила в дефлектор и слегка загрузила датчик (на осциллографе остался небольшой горб амплитудой примерно в 15 N ). 7 - газовая фаза проходя через наконец разгоревшийся preheater grain создала дымно-огневой факел больше фейерверкерного типа чем тяги. 8 - всё действо длилось ок. 4 с.
Что же произошло? Ведь до этого 4 испытания проходили штатно. После анализа видео, разборки и осмотра камеры сгорания, пироклапана, шашки, напрашиваются следующие выводы: а - игнитор был опущен слишком глубоко в тело порохового заряда клапана и фронт пламени достиг донышка слишком быстро. б - шашка преднагревателя была слишком прикрыта установленной прокладкой из резинопробочного материала. Примечание. Эта прокладка была впервые установлена на 2 испытании с целью защиты стальной накидной гайки пироклапана от нагара, создаваемого выбросом газов шашкой п. Надо было бы её установить непосредственно на гайку, но для удобства сборки я её поставил под о-ринг непосредственно на шашку преднагревателя. При этом оставалась открытой менее половины торца шашки. То есть после срабатывания игнитора и возгорания пиросмеси сразу пошёл окислитель, который блокировал разгар канала, оставив только медленное торцовое горение шашки. И газовая фаза поддержала горение в канале уже после прохождения основного потока окислителя.
После этого теста решил слегка видоизменить конструкцию шашки п., добавив 5 параллельных основному каналов. Эти каналы должны будут ускорить активное горение шашки п. и успешную диссоциацию закиси на этом этапе. Прокладку решил оставить, но уже устанавливать её прямо на гайку. Вот пока и всё. Подождём нового испытания.

Видео испытания 9.05.08.


Обратите внимание на нарушение временной последовательности (operation sequence), которая и стала причиной отказа главной функции двигателя при всех промежуточных работающих.

Не удержался и наточил шашки из нейлонового стержня (nylon poliamida-6). Всё-таки нейлон из всех доступных материалов функционирует лучше всего. Длина - 85 мм, диам. канала - 13 мм. Это более близкий к теоретическому диаметр, чем 15 мм у коммерческой трубы.

Вторая попытка стендового испытания с записью тяги была положительной. Хотя не обошлось без накладок. Первая - отказала камера. Она у меня на дискетах. И после 9 лет эксплуатации начал барахлить дисковод. Некоторые проблемы были с записью данных с осциллографа, но их удалось разрешить. Бак был заправлен 75-80 г окислителя. Шашка PVC с preheater grain с 6 каналами. Старт был практически мгновенным как и выход на режим. Наблюдал за процессом через зеркало. Дистанция 2 м. Впечатляет. Всегда. Не могу привыкнуть. Да ещё в сумерках. Красиво. Двигатель работал 4.5 с и остановился сразу. Без догорания. Очевидно многоканальная шашка preheater grain послужила дополнительным распылителем струи жидкой фазы закиси. Такая атомизация помогла более полному сгоранию топлива и утилизации окислителя. После расчётов получилось: It =150.5 N*s., масса сгоревшего топлива: Mf= 6/5/70 г (pvc/compositе/NOх) = 81 г. O/F = 6.4. Время тяги:
t =4.0 s. Isp = 189 s. Favg = 40 N; Фмах = 61 N. Class - G. Учитывая неполную заправку - очень близко к расчётам. Прикинул потом в Hybrid_calc и получил примерно те же результаты. Напомню, что вставка в критику была графитной - D= 5.8 mm. После разборки нашёл все части двигателя в рабочем состоянии без повреждений. Чисти, перезаряжай и стреляй. Что мне хочется изменить, так это увеличить сечение дренажного клапана. С тем что есть приходится долго ждать. 15 мин. Если честно, то я доволен. Записанная тяга в пределах расчётной, (хоть и ниже, зато длительнее) простое и надёжное оперирование. График тяги - красивая регрессивная трапеция. Ожидаю, что с полной заправкой (100 г) и с нейлоновой шашкой двигатель может дать немного больше. Т.е. дотянуть до 180 N*s. Пока мне кажется удачной находкой - многоканальная шашка preheater, участвующая в создании тяги. То есть в такой конфигурации двигатель вполне соответствует концепции трибрида (жидкий окислитель+твёрдое комбинированное топливо+твёрдый окислитель). В перспективе - Al вставка. На фото: график Тяга vs. Время. Me_H_100_01 после теста.

Foto 2.
Надеюсь, что следующий тест будет сопровождать видео.

Файл

Я так глубоко не думал. Просто решил повысить чувствительность запуска двигателя после отказа. И эта мера мне показалась занятной из-за её двойного назначения: увеличивается площадь горения в прехеатер шашке и появляются дополнительные коаксиальные потоки в канале полимерной шашки. По характеру рабочего процесса похоже, что надежды оправдались. Правда уменьшилась масса шашки. Ну это будет поправлено сейчас, когда буду делать новые прехеатер для нейлоновой шашки. Они чуть длиннее. Сверлить или выдавливать? Не думаю, чтобы была какая-то ощутимая разница. Просто в первый раз была под руками готовая шашка и я её просверлил. Сейчас попробую выдавить. Посмотрим. Я удалял материал по NOх со странички. Обычно я держу там неделю, чтобы не перегружать site. Сейчас загрузил снова. Посмотри. Письмо получил. Отвечу в понедельник. Saludos.

Нет, скачать так и не могу, вижу но ссылка не работает. Накка писал где-то, что сверленный или обработанный шкуркой канал шашки способствует более быстрому воспламенению, да и я сам замечал когда шашки жег (была проблемма воспламенить одним ЧП), но учитывая вышесказанное такой проблеммы нет.

Сегодня перебирал стенд, который за год изрядно зарос сажей, а главное, у него "подьелась" пайка на колодке куда выходят проводники от сенсора. Из-за этого вырос шум. Когда всё перебрал и проверил калибровку со штатными свинцовыми грузами (2.3 + 4.6 + ... ), до меня дошло, наконец, где я сделал ошибку при записи тяги минигибрида. А ощущение этого меня не покидало всю неделю. А ошибка была следующей. Двигатель, при установке "вверх соплом" давит своим весом + вес державки на рамку... Но, эта ошибка "регулярная" и элементарно выбирается установкой уровня сигнала на осциллографе на "0". А вот при установке "вниз соплом " двигатель в державке висит на направляющих НЕ КАСАЯСь рамки. Казалось бы, это не важно, ведь при возникновении тяги головка стержня державки упрётся в рамку и сенсор будет показывать деформацию, пропорциональную силе тяги... Так-то оно так, но до этого двигатель должен создать дополнительную тягу равную по величине собственному весу + вес державки... Только после этого пойдёт запись тяга vs. время. Я поставил двигатель в державку и снял сигнал с осциллографа для двух вышеуказанных положений стенда. Разница оказалась равной 10 N. Поэтому с удовольствием пересчитал и заново график, (разделив на 0.86 колонку значений тяги). Origin 6.1 его сам откорректировал также и по оси времён. Новое интегрирование дало It=173 N*s , время тяги увеличилось до t=4.3 s; Is=205 s; Favg =40 N; a Fmaх = 75 N. Поднялся на 1 ступеньку и класс двигателя - H, вместо - G. Новый график прилагается.

Здесь можно посмотреть описание микрогибридной ракеты Cluster One_01&001. Документ в pdf in english .

Результаты (график тяги vs. расчёт performance) и видео http://www.albe76.newmail.ru/Me_H_100_st_23.05.08.MPG
испытаний 23.05.08. Испытывался мини ГРД Me_H_100 с шашкой комбинированного топлива состава:
nylon-6 polyamide+composite fuel+NOх. Шашка имела канал диаметром 13 мм. Это на 2 мм меньше шашек из PVC. К сожалению пока не могу оптимизировать внутри имеющегося дизайна дренажного клапана расход газа через отверстие. чуть увеличил, для более быстрого заполнения и при заправке начал свистеть конденсат (жидкая фаза). Поэтому пока не получилось полной заправки (70 г вместо желаемых 90 - 100 г). Поэтому результаты соответствующие. Только благодаря более высокому теор, Isp нейлона с NOх общий импульс был хотя и ниже, чем в случае PVC но приемлим - 159 N*s. Да ещё и температура на улице была довольно низкой - +5ºC. То есть давление паров в баке было снижено. Как видно на графике с уменьшением диаметра канала появился начальный пик тяги, уже известный по микрогибридам.

Foto 1.Exhaust plume

Foto 2 After st.test 23.05.08

Провёл очередной рутинный тест мини ГРД Me_H_100_01. Пытался модернизировать дренажный клапан в рамках имеющегося дизайна, но не удачно. Простой винт с прокладкой между головкой и корпусом, прекрасно регулируемый (дренаж по резьбе) с сухим азотом, покрывался льдом и либо переставал пропускать газ, либо давал чрезмерный расход. В итоге одну бутыль (250 г закиси) выпустил в воздух. Бак заледенел, но не заправился. Пришлось перезаряжать бутыль, ставить оригинальный клапан и заряжать снова. В виду уже тёмного времени суток не стал дожидаться более полной заправки и провёл испытания с 60 г окислителя, шашкой комбинированного топлива с встроенным preheater grajn и нейлоновой основой. За бортом было -8ºC. То есть запуск переохлаждённого двумя заправками двигателя происходил при весьма некомфортных условиях окружающей среды. Плотность закиси повысилась, давление паров и, соответственно, расход через инжектор, понизились. Поэтому, результатом было долгое (ок. 8 с) горение с временем тяги 5 с и достаточно низкими средним значением It и F avg. Сьёмка велась уже в полной темноте. Кажущийся небольшой наклон вектора тяги связан с наклоном камеры. График с результатами прилагается. Видео здесь:

http://www.albe76.newmail.ru/Me_H_100_st_29.05.08.MPG

В принципе, результаты испытания можно считать положительными. Двигатель, даже в некомфортных условиях отработал штатно, в рамках расчётного РП. Такими испытаниями, на самом деле определяется температурный диапазон возможного функционирования устройства. К сожалению в этом отношении закись азота весьма чувствителный продукт

Thrust vs. Time profile

Приходилось, конечно. Много раз микро ГРД и несколько раз ГРД системы У-К. Но последний не записывался. А микроГРД не находились в низких температурах при заправке. Там капсула. Её вскроешь и пока пироклапан не откроется, температура не падает. А здесь падение температуры бака при заправке усугубилось низкой температурой "за бортом". Да ещё при перезаправке успела остыть часть камеры с preheater grain.

Тест с микро ГРД в конфигурации для ракетоплана. Видео здесь.

http://www.albe76.newmail.ru/MECH_FA_01_20.06.08_avia.MPG

Максимальная тяга - 3.7 Н Время тяги - 5 с. Температура за бортом -1ºЦ.

В этом топике пока буду кое-что выкладывать. Но, в основном, со ссылками на WEB site. С вопросами и за консультациями обращайтесь на e-mail. Кому надо, найдёт.

Очередное обновление. Расчет сопла не закончен.Добавлен эскиз ГРД.

Не увязывается диаметр инжектора - 0.7 мм. Должно быть как минимум в 4-5 раз больше для данного двигателя. У меня на микрогибриде - 0.8 мм. Конус "дивергентный" (расширяющийся) и "конвергентный". "Длина" и не "длиннннннннна". В расчётах используется разница между "ullage" (остаточное давление) и давлением в камере. Рисунок понравился. По крайней мере видно, что это не монококк.

Ок все учел, не понял только про диаметр инжектора. Ты подставлял свои значения для микрогибрида? Может дело в округлении?