ЖРД на закиси азота: новые технологии

FRC> Изучил тему... В учебниках написано не "юридическим языком" ))))))
Привет, Антон!
Расчёт камеры делал по упрощённому алгоритму, описанному в известном труде:HOW to DESIGN, BUILD and TEST SMALL LIQUID-FUEL ROCKET ENGINES. Использовал также данные по расчёту NOx/propane thruster (DARPA). Изучил конструкцию двигателя (поршень в баке горючего) ракеты "Шметтерлинг" в книге Синярева/Добровольского: Жидкостные ракетные двигатели. Кстати, ответ на твой вопрос по коэффициенту формы (круглая, прямоугольная) дан в этой книге на стр. 445.
Вообще, рекомендую для чтения: написано доступно, на хорошем инженерном уровне. Кроме того, для дизайна использовал данные имеющихся в наличии материалов: труб для баков (70 и 30 мм). Так что, как практик могу только посоветовать:" делай как я". Как видишь, движок получился вполне работоспособным и эффективным. Конечно, в результате испытаний выявляются ошибки и слабые места. Буду их дорабатывать.

Испытан двигатель Me_HL_50_01. Цель испытания: проверка работоспособности текущего варианта пироклапана. Описан выше. Результаты: заправлено 70 г спирта и 200 г NOx. Шашка 40 г: парафин+уголь. Клапан при заправке не травил. Двигатель был установлен на стенд. Выводы в. соединены с линией зажигания. Запись велась на осциллограф с памятью Tektronix. Видео в.р. камера Panasonic Lumix. Зажигание штатное, появление факела через 1 с. Далее: negative. Process не пошёл, окслитель вышел через сопло без горения.
После разборки обнаружен только один канал с отверстием в верхней диафрагме, через которое и вышел окислитель. 4 остальных канала остались закрытыми. Хотя нижние камеры полностью выгорели, пламя не смогло подняться вверх и открыть их.
Собственно, ожидаемый результат. Слишком много случайного в этой комбинации. Давно назрела модификация клапана, которая должна превратить снаряжение пироустройств в более простой, повторяемый процесс. Также должен повыситься уровень надёжности замыкания каналов с такой же 100% надёжностью их открытия. Сейчас клапан в разработке и в ближайшее время будет изготовлен. Тогда и опишу его новое устройство.

a_centaurus> Испытан двигатель Me_HL_50_01.

a_centaurus>> Испытан двигатель Me_HL_50_01.

Собственно гибридный цикл не смог пойти, потому что пламя должно было пробить дорогу в своде шашки, а не распространялось через полый канал, который на оси камеры.На фото это видно. Очевидно нужно либо вернуться к радиальным каналам, либо пока не использовать г. цикл.

a_centaurus> ... Кстати, ответ на твой вопрос по коэффициенту формы (круглая, прямоугольная) дан в этой книге на стр. 445.

Спасибо, дома посмотрю, у мня как раз эта книжечка у изголовья лежит ))))

a_centaurus> .. Так что, как практик могу только посоветовать:" делай как я".

Мне симпотична конструкция, над которой ты работаешь в данный момент. Т.е. что-то новое рождается у тебя на стыке ГРД и ЖРД. Только (уж извини за полуконструктивные "5 копеек") способ зажигания, кажется сложноватым. Когда таблетки сгорят, статистику надо нарабатывать. Хотя в части массового совершенства хорош.
Почему ты не применил отработанный тобой клапан с одним поршнем, упирающимся в выгораемую шашку? Он открывал бы окислитель для ГРД цикла, а потом выгораемые таблетки открыли бы подачу спирта. Или вообще убрать ГРД цикл, тогда можно одним таким клапаном открывать подачу обоих компонентов для ЖРД.

По технике еще вопрос: когда ты заправил спирт в бак, тебе надо поршень установить. Под поршнем остается воздух. Как ты его удаляешь?

И давно терзает вопрос применимости твоей разработки. Куда ее собираешься приспособить, если не секрет?

FRC> Почему ты не применил отработанный тобой клапан с одним поршнем...
Дело тут не в цикле ГРД. А в пропорциях смешения компонентов жидкого топлива. Они выбраны как O/F=4:1. Концентрический дизайн для баков подразумевает коленчатую геометрию для подвода окислителя (в обход бака горючего). А в габаритах, выбранных для двигателя (калибр 70/45 мм), сложно разместить 4 радиальных динамических клапана (для NOх) на оставшейся площади (уже камеры), без утяжеления и удлинения конструкции. Собственно первый дизайн был сделан для быстрого прохождения этапа конструирования в этап испытаний (КДИ) с последующим анализом и доработкой конструкции до оптимума. А этот оптимум лежит где-то посредине. Нельзя быть "немного беременной", как невозможно сделать совершенную конструкцию, оставаясь в рамках простоты и малого веса. Поэтому я всегда предпочитаю сначала попробовать в целом идею, в её самом просто варианте, а потом её оптимизировать и усложнять в рамках концепта, заложенного в неё. В данном случае после первых испытаний было подтверждена правильность технических решений. Последнее испытание уже показало некую несопоставимость найденной "простоты" с надёжностью. Поэтому узел был за выходные доработан и отдан в мастерские для изготовления. Однако все доработки были сделаны в рамках уже сложившегося концептуального дизайна и рабочей идеи. Более того, в доработке были использованы ранее разработанные узлы (корпус пироэлемента для микроГРД). То есть, плата пироклапана была изначально разработана с резервом по возможной модернизации. В её внешних габаритах нашлось место для размещения 5 отдельных перезаряжаемых пироэлементов и внешней удерживающей их крышки. Длина камеры уменьшится всего на 2 мм. Но увеличится надёжность, повторяемость и сократится (резко) время подготовки к старту). На эскизе должно быть все понятно.

FRC> По технике еще вопрос: когда ты заправил спирт в бак, тебе надо поршень установить. Под поршнем остается воздух. Как ты его удаляешь?

Я уже рассказывал о конструкции крышки спиртового бака (посмотри по топику). В дно клапана-поршня ввинчивается винт с о-рингом. К головке винта припаяно кольцо. После заправки поршень без винта устанавливается в бак. Затем закручивается винт, герметизируя обьём. А после испытаний, поршень, за это кольцо, достаётся при помощи крючка. Элементарно, Watson!

FRC> И давно терзает вопрос применимости твоей разработки. Куда ее собираешься приспособить, если не секрет?
Во-первых, установить на ракету и запустить. Как бы это есть "голубая мечта" (ракета на жидком топливе) всякого ракетчика ещё со времён Годдарда. Во-вторых, я тебе рассказывал о проекте наноспутника, который я координирую. Сейчас работаю над системой запуска/перезапуска двигателя трастера на базе лазерного диода. С твёрдым топливом это уже работает. Идея -расширить возможности системы до бипропеллентной схемы.

Узел платы пироклапанов, выполненный в Solid Works. А с ним и весь двигатель нужно перевести в этот формат. Поскольку практики работы с SW в последние годы было маловато, "солидификация" деталей и сборок занимает много времени. Но позволяет лучше представить и понять конструкцию как самому так и другим. Узел сейчас в изготовлении, поэтому через время виртуальную сборку можно будет сравнить с "железом".

a_centaurus> Узел платы пироклапанов, выполненный в Solid Works.

Exploated view (render):

a_centaurus> Узел платы пироклапанов...
Красиво. С пожелание за успех!

-VMK-> Красиво. С пожелание за успех!

Спасибо, Веселин!
И правда, когда закончил, подумал, что в виртуальной реальности оно красивее выходит чем в реальной жизни. Но: "как придумал, так нарисовал, как нарисовал, так и изготовили, как изготовили, так и собралось, как собралось, так и БУДЕТ работь" А не так:" как придумал - так и работает". От идеи до функционирования - через технологии. В стиле советских речёвок получилось. Посмотрим если самому удастся свой девиз воплотить в реальность.

a_centaurus> "... как изготовили, так и собралось... "

Пока три первых пункта из общей формулы конструирования. Таким получился новый дизайн платы пироклапанов. Можно готовить его к испытаниям.

a_centaurus> Таким получился новый дизайн платы пироклапанов. Можно готовить его к испытаниям.

a_centaurus>> Таким получился новый дизайн платы пироклапанов. Можно готовить его к испытаниям.

Подготовка платы пироклапанов нового дизайна для испытаний в двигателе Me_HL_50_002Кстати, конструкция платы универсальна и позволит, в случае положительных результатов КДИ, использовать её также и в первой, более мощной версии трипропеллентного двигателя Me_HL_100_002. Каждый из 4 элементарных статических пироклапанов каналов подачи окислителя включает в себя запорную силовую исчезающую диафрагму, которая усиливается наклеиванием снизу донышка "шляпы" майларового диска, стартовой шашки композитного топлива кольцевой формы, резистивного мостика (2 Ом) и запорного свода, включающего в себя магниевую добавку. Пятый центральный клапан подачи горючего не имеет ни стартовой шашки, ни инициатора, ни магния. Наооборот, его свод заканчивается виниловым (или картонным) диском-флегматизатором, который обеспечивает задержку в 0.1-0.2 с в открытии канала. По авторским представлениям впрыск жидкого горючего должен производится в камеру с уже в начавшимся гибридным циклом парафиновой шашки.
На фото: разные фазы технологического процесса зарядки пироклапанов многократного действия.

a_centaurus> На фото: разные фазы технологического процесса зарядки пироклапанов многократного действия.

Сборка платы пироклапанов: 4 снаряжённых капсулы с электрическими мостиками-воспламенителями для открытия форсунок окислителя + 1 капсула с флегматизатором для канала жидкого горючего. Капсулы устанавливаются в углубления с о-рингами на донышках. После их установки надевается крышка и завинчиваются 4 винта до упора. Готовая сборка переворачивается другой строной и в канавки устанавливаются два о-ринга, которые обеспечивают герметичность узла при заправке в баки компонентов жидкого топлива. С этим можно готовить двигатель к стендовым испытаниям. На фотографиях: фазы сборки и готовый узел ПП экспериментального мини ЖРД Me_HL_50_002.

a_centaurus> На фотографиях: фазы сборки и готовый узел ПП экспериментального мини ЖРД Me_HL_50_002.

Провёл очередные КДИ мини ЖРД Me_HL_50_002 ("tripropellent"). На сей раз запуск двигателя с платой пироклапанов новой конструкции прошёл штатно. Двигатель завёлся с пол-оборота, Появился факел, но ни по форме, ни по звуку, ни по регистрации на стенде, движок на режим не вышел. Более того, после 10 с "гудения" в режиме примуса, пошли детонационные вспышки снаружи и РП угас. Хотя окислитель продолжал идти через сопло в конденсированной фазе. После 2 минут испражнения затих, наморозив внизу на камнях дефлектора лужу. Со спиртовым запахом. Снимал уже хорошо замороженный кусок алюминия. Разобрался РД без проблем Парафин весь сгорел. Футеровка полностью цела. В каналах пироклапанов - чисто. Всё сгорело. Поршень бака спирта - в нижней мёртвой точке. Тяга, по крайней мере в установленном динамическом диапазоне (50N/100 mV) не зарегестрирована. Визуально, что-то ок. 10 N в течение 10 с.
Версии происшедшего: скорее всего нештатная скорость потока окислителя 1. По причине достаточно низкой температуры (+1 - +5 в месте стенда): 2. По причине высокого аэродинамического сопротивления в каналах окислителя. Последнее - вследствие уменьшения эффективных диаметров на плате пироклапанов и малых отверстий в самих ПК. Вместе с увеличением расстояния до плоскости пересечения это могло привести к активному экранированию распылённого форсунками потока. Возможные меры: увеличить проходные отверстия на 1 мм (более нельзя из-за необходимости поддерживать стойкость выгораемой диафрагмы. Можно также добавить конусную поверхность у входа, но вряд ли это даст больший эффект чем увеличение диаметра. Есть вариант увеличить диаметры форсунок, благо это обычные автомобильные жиклеры (сменные элементы). Такие проблемы в общем виде ранее наблюдались на ГРД и подобными же мерами были успешно разрешены.

a_centaurus> Провёл очередные КДИ мини ЖРД Me_HL_50_002...
На снимке вверху голубой баллон готовится для его сертификации как "полевой бутыли" для 3 кг NOх. Имеющаяся бутыль на 1 кг явно не годится для ЖРД.

a_centaurus>> Провёл очередные КДИ мини ЖРД Me_HL_50_002...
Второй видео: выход жидкой компоненты после останова. Так же долго и нудно.
А вот и виновники: PE burst discs. Диски из PE scotch, которые были наклеены на донышки каждого из элементарных клапанов. Из 5 отверстие было прожжено только в одном. К сожалению не смог точно идентифицировать, на каком канале. Остальные были выдавлены внутрь и частично вытащены из под о-рингов, на которые опирались донышки клапанов. То есть двигатель смог стартануть, а потом из-за неполного открытия клапанов сначала потихоньку свистел, а потом и вовсе захлебнулся, испуская дух холодной, конденсированной закисью. Скорее всего сгорел парафин, а спирт, из-за наличия флегматизатора в канале, вышел позже вместе с закисью. И замерз на камнях вонючей лужицей. Тростниковый спирт отвратительно пахнет. Остаётся перезарядить клапаны, найти какой-то герметик (силикон?) для обмазки и повторить тест. Может всё и образуется.

a_centaurus>>> Провёл очередные КДИ мини ЖРД Me_HL_50_002...
Отверстие в burst disc (1.2 мм) с увеличением в микроскопе в поляризованных лучах.

Пока плата пироклапанов в перезарядке, испытал на заправку новую 3 кг бутыль для лётных испытаний будущей ракеты с ЖРД. Изготовленный адаптер держит, заправка идёт нормально. Дренаж через security valve. Запорный кран после заправки не травит. В общем и целом бутыль принята на службу.

a_centaurus> А вот и виновники: PE burst discs.

Сталкивался с похожей проблемой в МикроГРД. Диски из бутылки пластиковой прогорали, но из-под уплотнений их выжимало давлением закиси. Поменял на диск из фторопласт-4 толщиной 2мм. Не прогорает диск и все (фторопласт-4). Уменьшил его толщину до 1мм, добавил в "таблетку" из ЧП магния. Т.е. "скрутил" одновременно 2 параметра, что не правильно, но в результате осечки прекратились. Может и тебе увеличить энергетику "таблеток"?
По поводу потерь в каналах подачи окислителя, конус 12 град стоит сделать. Добровольский пишет, что резко уменьшается сопротивление.

a_centaurus> Остаётся перезарядить клапаны, найти какой-то герметик (силикон?) для обмазки и повторить тест. Может всё и образуется.

Опыты с силиконом у меня не однозначные. Я обмазывал им таблетки ЧП, чтоб исключить из конструкции герметизирующие диски из пластика. При выдержке под давлением, некоторые силиконы (автомобильные) вспениваются. А некоторые (красный термостойкий), почему-то нет. Так что опытным путем только.

А вообще, техника у тебя сильно усложнилась по сравнению с ГРД. Похоже, можно ожидать долгой отработки с "детскими" болезнями.

a_centaurus> Дренаж через security valve.

Можно попросить тебя, при случае сфотографировать узел крупным планом? А то не понятно, как ты дренаж организовал. Вентиль вместо мембраны поставил? Для меня очень актуально.

FRC> Сталкивался с похожей проблемой в МикроГРД. Диски из бутылки пластиковой прогорали, но из-под уплотнений их выжимало давлением закиси. Может и тебе увеличить энергетику "таблеток"?

Важно расстояние от инжектора до burst-disc. В случае микро ГРД у меня нет проблем, поскольку там расстояние 1.5 мм. А толщина диска ПЕ рояли не играет, поскольку диск ОПИРАЕТСЯ на донышко ПК, а пороховая намазка в этом месте имеет обратный конус, поддерживающий сопротивление обрыва свода. В случае ЖРД растояние существенно больше, поэтому давление на свод существенно МЕНьШЕ. Собственно я перестраховываюсь с диском. Закись ПМ не растворяет. А прочности свода там достаточно. Вот центральный клапан по спирту стоит поддержать. В сегодняшней сборке диск выполнен из 5 мик пленки (ПЕ) для кухни. Наклеен на тот же нитроклей. Испытания покажут.

FRC> По поводу потерь в каналах подачи окислителя, конус 12 град стоит сделать. Добровольский пишет, что резко уменьшается сопротивление.
Может быть. Только с какой стороны? В конструкции можно только со стороны подачи потока окислителя, сохраная диаметр отверстия под о-ринг и исчезающий свод ПК.

FRC> А вообще, техника у тебя сильно усложнилась по сравнению с ГРД. Похоже, можно ожидать долгой отработки с "детскими" болезнями.
Было бы неправильно думать... Что ЖРД можно изжарить, как блинчик. Поэтому тут и проходит "граница раздела"... Ты уже поработал с ГРД и должен понимать многие проблемы, возникающие при его разработке и вводе в эксплуатацию. Для ЖРД этот ком растёт в прогрессии. Однако, оба двигателя, особенно первый, показали работоспособность. Просто сейчас уже другой этап отработки качества. Как в РП, так и в обслуживании. И опыт разработки и испытаний ГРД здесь, конечно, основополагающий. Когда замахнёшся на ЖРД, сам в этом убедишься.

FRC> Можно попросить тебя, при случае сфотографировать узел крупным планом? А то не понятно, как ты дренаж организовал. Вентиль вместо мембраны поставил? Для меня очень актуально.

Наикрупнейшим планом. С указанием пальцем. Узел вентиля баллона высокого давления с клапаном разрывной диафрагмы. Burst disc расчитан на разрывное давление 3300 psi. Именно этот клапан используется для заполнения этого баллона конденсатом NOx. Никаких переделок не нужно делать. Перед открытием вентиля баллона-донора крышка клапана откручивается ключом примерно на один оборот. Обычно в процессе закачки расход через к. можно подрегулировать. Рукой в перчатке. Баллон, естественно, укладывается на весы. Лучше его предварительно охладить. От жидкого азота, до сухого льда. Или, на худой конец, влажной тряпки. Вес закиси определяется по обьёму баллона и необходимого ullage. Да, собственно, по весам это вполне регистрируется. Когда процесс остановится, тогда можно закрывать дренажный клапан ключом, а вентили рукой. Потом отсоединить заправный шланг, ПРЕДВАРИТЕЛьНО СТРАВИВ ДАВЛЕНИЕ (50 Атм) ИЗ НЕГО ЧЕРЕЗ СОБСТВЕННЫЙ ДРЕНАЖНЫЙ КЛАПАН. Ну это вы, надеюсь, уже знаете. Линия должна быть надёжна, бронирована. А место с бутылью и весами можно оградить.