Насколько реально сделать в домашних условиях ЖРД? - часть 3

Тема жрд в некоторой степени актуальная. Вот вопрос возник по запуску. Многократному.

На стенде, очень много времени отнимает подготовка движка. С ГРД , понятное дело, сложнее, т.к. надо заливать парафин. С ЖРД, по идее, только компоненты в баки залил и наддул (если не самовытеснение). Пиротехническое зажигание использовать не хочется, т.к. 1) каждый лазить в камеру, устанавливать, провода из сопла, 2) однократного действия.
Хочется экономить время.

Вот возникли варианты:
1) автомобильная свеча. Здесь понятно, но у меня не получалось поджечь смесь пропана и воздуха. Плюс чувствительность к влаге и закоксовывание в процессе работы двигателя. Возможны пробои.
2) вариации с нитью накаливания. Например, в форкамере (не задействованной в основном режиме), разместить спираль толстого нихрома с гермовыводами. Нагревется нить (2-3 сек), подается пусковой расход 1/20 номинального, скажем, подается в обход форкмеры основной расход, запуск двигателя, выключение нихрома и перекрытие пускового расхода. Все занимает 1 сек. и менее. Рулит автоматика по циклограмме.

Какое мнение на счет как запускаться?

FRC> 1) автомобильная свеча. Здесь понятно, но у меня не получалось поджечь смесь пропана и воздуха. Плюс чувствительность к влаге и закоксовывание в процессе работы двигателя. Возможны пробои.

Надо немаленькую мощность.
Так как запуск при атмосферном давлении, большого (как для автомобиля) напряжения не требуется, но после пробоя промежутка надо, чтоб хорошая дуга горела.

FRC> 2) вариации с нитью накаливания.

Есть калильные свечи с проволокой или керамикой.
В газотурбинных движках для моделистов их используют.

Xan> В газотурбинных движках для моделистов их используют.
Xan> JetCat USA Turbines

Спасибо. Похоже, что такая пойдет.

FRC> 2) вариации с нитью накаливания.
FRC> Какое мнение на счет как запускаться?
Резистивная схема в таком варианте не пойдёт. В атмосфере кислорода ВСЕ МЕТАЛЛЫ ГОРЯТ. Посмотри схему resistojet thuster.
Есть достаточно прототипов (патентный поиск). В плане propane-air torch rocket motor igniter подскажу вариант: pencile torch with piezoelectric igniter. Наверняка в Москве можно купить миниатюрную пропан/бутан горелку с пьезоэлектрическим воспламенителем. Правда она срабатывает от нажатия на кнопку (механический вариант). Однако есть подобные вещи для кухонь и с электрическим приводом. Не говорю, что будет просто её адаптировать к камере, но вероятность такая мною лично была просмотрена. Сам я занимаюсь вариантом Laser Diode Igniter. Этот вариант наиболее перспективен, поскольку отсутствует прямой контакт с веществом. Для попытки реализовать резистивный способ нужно думать о керамике в качестве активного нагревателя. Того, который будет находиться в контакте с окислителем. Для нагрева стакана из alumina (с наполнителем, увеличивающим площадь контакта с диссоциирующим газом) до 800-1000 град Ц достаточно P 20 -30 W. При этой температуре закись надёжно диссоциирует на О-N2.
На фото для примера: monopropellent N2O resistojet thruster. Нагревательный элемент перед установкой в камеру. На грубое железо можно не обращать внимание - это лабораторный вариант из подручных средств. На втором фото хорошо виден нагрев до соломенного каления внутренних стенок (без наполнителя) heater P=20 W.

a_centaurus> На фото для примера: monopropellent N2O resistojet thruster.

По сути дела это и есть пресловутая пусковая горелка для ЖРД. В общем виде. Ну, а как совет того, кто "ест устриц", причём регулярно - начните со старой доброй стартовой пирошашки. Уверяю, что в ЖРД кроме этого вам ещё будет над чем поработать.

В хвосте - fitting connector для соединения с магистралью подачи NOx.

a_centaurus> Резистивная схема в таком варианте не пойдёт. В атмосфере кислорода ВСЕ МЕТАЛЛЫ ГОРЯТ.

Ещё в моём детстве для моделек были калильные свечи с платиновой спиралью.
Платина горит?

a_centaurus>> Резистивная схема в таком варианте не пойдёт. В атмосфере кислорода ВСЕ МЕТАЛЛЫ ГОРЯТ.
Xan> Ещё в моём детстве для моделек были калильные свечи с платиновой спиралью.
Xan> Платина горит?
скорее выгорает
это была головная боль - озоление в платиновых тиглях на горелке - кучу бумаг потом писали про угар и недостачу веса тиглей

Mester> это была головная боль - озоление в платиновых тиглях на горелке - кучу бумаг потом писали про угар и недостачу веса тиглей

В общем, Pt прекрасный катализатор , понижающий температуру диссоциации. Хотя для NOx были опробованы более эффективные к. другого состава (на Ir). Я лично использовал Pd. Вернее PdCl. Этим составом пропитывался наполнитель heater. Металлические сетки (вкладыши в пироклапан) были испытаны (никель, сталь уг., нержа., медь, латунь, Al) для увеличения эффективности диссоциации закиси. Ни один вкладыш более одного раза не мог быть использован. Всё прогорало и сгорало дотла. Горение металла приводило к увеличению Isp, но одновременно укорачивало время тяги. Характерный взрывной цикл. Я публиковал данные в отчёте. Свечи (spark) использовались в ранних моделях ЖРД, но показали себя ненадёжными. Быстро перешли на твёрдые высококалорийные шашки. Зажигалка для restarting должна быть отдельной горелкой. С использованием по своему каналу из основного бака газообразного окислителя и удобного топлива (н.р. пропан). "Нельзя думать" запустить движок с открытым каналом окислителя. В камеру должны заходить только горячие продукты сгорания зажигалки. То есть - "пилотный факел".

a_centaurus>> На фото для примера: monopropellent N2O resistojet thruster.
a_centaurus>....начните со старой доброй стартовой пирошашки. Уверяю, что в ЖРД кроме этого вам ещё будет над чем поработать.

Примного благодарен )))
Как ты описываешь пусковую "горелку", так она примерно и видилась. Керамика - контактирует с пусковыми компонентами. Спираль - не контактирует, т.к. находится в простенке между керамическим вкладышем и металлической стенкой. Кстати, а что за обмазка используется поверх спирали (на фото)? Это же не гипс? И какое время накаливания нити получено при опытах?
Сама пусковая камера должна быть "утоплена" в головку, с отдельной подачей пусковых компонентов.

Изначально планировалось головку ГРД использовать на ЖРД, т.к. в процессе ее совершенствования, фактически сделали ее универсальной и, похоже, не обслуживаемой. Осталось разобраться с формированием фторопластовых манжет в пироклапане и все. Но все равно, каждый раз разбирать камеру, менять стартовую шашку..... это время отнимает. Больше 2-х прожигов за вечер не получается. Хочется просто открывать подачу компонентов и давить на кнопку. Дальше по циклограмме в автоматическом режиме.

О зажигании с помощью лазера я думал, но не понятно, что будет с оптическими поверхностями после пуска камеры. Наверно оно подходит не для всех компонентов и требует мер по защите оптики после подачи основного расхода? А это, видимо, механика дополнительная.

FRC> Как ты описываешь пусковую "горелку", так она примерно и видилась. Керамика - контактирует с пусковыми компонентами.

Ну да, как велосипед. Они все с двумя колёсами.
Одной полости мало. Стенки керамики сразу охлаждаются холодной закисью. Необходим заполнитель. Обьёмная структура, заполняющая весь канал. Дальше возникает вопрос рабочей температуры. Для диссоциации закиси нужно ок. 600 Ц. Учитывая поглощение нужно греть до 700. Это много. Нужно понизить температуру. То есть, нужен катализатор. Но его кустарно не сделать. Надо выйти на производителей систем бортовой ориентации и узнать если такой к. (для UMMH или H) можно приобрести. С ним все проблемы разрешаются с простой спиралью на входе (see fig.). Достаточно нагревать до 220 Ц. А диссоциировать будет на к. Тогда это будет эффективная монопроп. горелка с темп. факела ок.1000 Ц. В противном случае нужно делать бипроп. горелку. Тогда лучше поджигать искрой пропан и вдувать закись инжекторным способом (P > 1 bar ). То есть, модель pencil torch получится. Если получится. И не рванёт. Лазер вам не поднять. Там кроме оптики ещё есть ряд факторов, плохо решаемых на дилетантском уровне. Самый простой способ для вашего случая - pyrogen igniter. Перезаряжаемый с казённой части микро РДТТ, струя газов от которого направлена под углом в канал. По сути - пороховой генератор давления. Можно его insert в крышку и дополнить кассетой. Более простого и эффективного метода не найдёшь. Таких схем в двигателестроении полно. Как ГРД, так и ЖРД малой тяги. Я уже прорисовывал этот вариант для моего наноспутника. Если с LD лучше не получится, то буду прорабатывать такой minigan.
На heater нанесена обмотка асбошнуром с последующей обмазкой жидкой керамикой. Она имеет вид пасты и хорошо удерживается на витках шнура. Потом прогревается все в печке. Корпус heater был найден из подходящих электроизоляторов.

a_centaurus> .... То есть, нужен катализатор. Но его кустарно не сделать. Надо выйти на производителей систем бортовой ориентации и узнать если такой к. (для UMMH или H) можно приобрести. С ним все проблемы разрешаются с простой спиралью на входе (see fig.).

Поискал в интернете информацию по катализаторам Nox. Есть промышленный Палладиевый катализатор АПК-2
Состав - оксид Pd на носителе Al2O3
Массовая доля палладия в сухом веществе в пересчете на металлический, % 1,8 - 2,0

Механическая прочность:
- при раздавливании по образующей, МПа, не менее:
средняя 3,42 (35 кг/см2)
минимальная 1,96 (20 кг/см2)
Активность - объемная доля в очищенном газе, %, не более:
NO+NO2 0,005
CO 0,30
Размеры гранул, мм
диаметр 12 ±1
высота 12 ±1

Удельная площадь поверхности, м2/г, не менее 4,0

Условия эксплуатации

Температура, ºС:
на входе в реактор 400-500
на выходе из реактора 700-750
Давление, МПа 1,96
Объемная скорость, ч-1 10000-30000
Отношение CH4:O2 0,53-0,6

Он в бочках по 60литров. По цене вполне преемлем.

Есть еще подозрение, что бюджетным источником катализатора может быть автомобильный катализатор. Они в т.ч. под Nox расчитаны. Или я ошибаюсь?

Честно говоря, я не понял схему, которую ты привел. Какова "роль" спирали нагревательной в цепочке "закись - спираль- катализатор"? И как она должна располагаться? Прямо в потоке окислителя, или изолированно от потока нагревать катализатор?


a_centaurus> Самый простой способ для вашего случая - pyrogen igniter. Перезаряжаемый с казённой части микро РДТТ, струя газов от которого направлена под углом в канал.

Именно такой уже год используем.... есть ньюансы по компоновке на ИГ в зависимости от внутреннего диаметра канала топливной шашки ГРД, но работет повторяемо.

Разумеется это концептуальная схема. В статье есть описание. Роль нагревательного элемента подогреть газ до температуры (ок 220 град) при которой пойдёт его диссоциация в присутствии catalyst. Это один из ключевых элементов дизайна. Так же как в гидразинных трастерах. Совместно с heater к. на гранулах образует catalyst bed. Обычно heater имеет форму многослойной сетки. Как правило - это know how производителя. Купив, например систему трастеров на спутник мы не имеем доступа к внутренним деталям. Специалисты кампании их устанавливают и ставят на сервис сами. Мы можем только отюстировать сами "пшикалки" согласно данных юстировки навигационной платформы. В общем-то можно попробовать W спираль (Архимеда) установленную между керамическими и никелиевыми сетками (0.2-0.3). Катализатор на PdO малоэффективен для закиси. Используется формула Shell 40: Pd+Rh+ ...+ ещё с 5 компонентов. Как я уже писал выше, был опробован мною PdCl. К сожалению я тогда не закончил эксперименты, увлекшись идеей бипропеллентного движка. Но в качестве катализаторного бустера для пирошашки в ГРД этот состав показывал некую эффективность в добавке Isp. Испытавались также разные носители для к. Хорошо себя показал керамический войлок. Раствором к. пропитывалось кольцо из войлока, которое устанавливалось в пакете со стартовой шашкой.
Дело с "зажигалкой" интересное и весьма перспективное. У нас проект наноспутника пока на этапе эскизного проектирования и движок для него ещё предстоит отобрать. Поэтому я имею корыстный интерес к твоим попыткам. Если что-то получится, можно и позаимствовать. У меня сейчас на это просто времени нет. Могу помочь с библиографией. Вот пара схем из US Patent. Про лазер это для иллюстрации... А вот igniter пропан_кислород (закись) можно рассмотреть как базовый дизайн. Я тебе не зря подсказывал про pencil torch. Проще всего попробовать с ним. Простейший механизм для нажатия кнопки пьезокристалла для поджига сделать нетрудно. Вместо воздуха надо использовать закись при небольшом давлении (1.2 Атм), пустив её через небольшую манжетную прекамеру в области инжекторного заборника горелки. Для нескольких секунд импульсной работы, наверное не нужно ничего менять. Там бронза и керамика. Держат до 1100 при 1 часовой работе.

a_centaurus> Совместно с heater к. на гранулах образует catalyst bed.

Важна температурная и механическая прочность носителя. На фото приведён процесс "обпаладивания" пористых гранул (цеолит) носителя. Затем сушка и набивка ими ложемента. В статье репортируется о недостаточной температурной прочности носителя на A2O3. Разрушается довольно быстро. Цеолит, кстати, ещё хуже. Просто другого материала с такой грануляцией не было под руками.

На другом фото гранулы уже помещены внутрь керамического канала, нагреваемого нихромовой спиралью. Сетка (нержавейка) конечно прогорит. Только для пробы. То есть я также не пошёл за схемой в первом приближении своего дизайна. Хотя занал (и убедился), что энергетически это не выгодно. Большие потери по мощности. Хотя при стендовых испытаниях этим можно пренебречь. Но тут возникает вопрос: может ли монопропеллентная горелка обеспечить запуск основного двигателя. Тут надо мерять температуру газов после диссоциации. Мне удалось в последнем испытании померять до 900 град. Потом heater сгорел.
Большая надежда на замкнутый обьём, парафин в камере и высвобожденный кислород. Если процесс будет инициирован, то может быть и подхвачен после открытия потока окислителя через форсунку. разве что понадобится плавная регулировка "педалью газа".

a_centaurus> ...На фото приведён процесс "обпаладивания" пористых гранул (цеолит) носителя.

Процесс умиляет простотой. )) Очень симпотично.

a_centaurus> Большая надежда на замкнутый обьём, парафин в камере и высвобожденный кислород. Если процесс будет инициирован, то может быть и подхвачен после открытия потока окислителя через форсунку. разве что понадобится плавная регулировка "педалью газа".

Знаешь, то что ты сейчас написал, в какой-то степени (а может и полностью) совпадает с нашими результатами с зажиганием ГРД от РДТТ. В большом объеме зажигание происходит, но СУЩЕСТВЕННО медленнее. Потому пришлось возиться с "плавным" нарастанием основного расхода Nox и введением пре-камеры со своим парафиновым вкладышем, для того, чтобы уменьшить объем. Т.е. РДТТ поджигает парафин в пре-камере (малый объем), а пре-камера стартует основной заряд. Сработало отлично.
А до этого пробовали пускать выхлоп РДТТ через канальную шашку парафина (вкладыш) в надежде, что при смешивании с окислителем в камере, температура окажется достаточной для вспышки. Не получилось. Потом посчитали, получилось много меньше 600С.

HVkote> Я тут недавно, не кинетесь ссылей где покурить про расчет двигателя на пероксиде водорода (геометрия КС, расход перикиси), в инете только шлак.
Подфорум "МосГирд" в самом верху.

HVkote> некрофилию....кинетесь ссылей .....где покурить про расчет.....зарегаться

Старайся писать без новояза, неприятно читать.