ЖРД на закиси азота: новые технологии

a_centaurus>> Как и обещал
Спасибо)) Чем глубже пытался копать, тем больше возникало вопросов))
Какова схема "напластований"- в каком уровне находится мембрана -на какой глубине накальный мостик (спираль)? кольцо композита упевает сгореть в корпусе клапана или его выплевывает в КС?

CATO> Какова схема "напластований"- в каком уровне находится мембрана -на какой глубине накальный мостик (спираль)? кольцо композита упевает сгореть в корпусе клапана или его выплевывает в КС?

Какие хитрые вопросы. Уж не намерен ли повторить конструкцию?
Чтобы на них ответить ушло 5 лет работы с микро ГРД (клапан для ЖРД взят 1:1 оттуда). Только стендовых испытаний сделано около 500. Из 7 использованных двигателей разрушено 6. Конечно, испытывались и топливные комбинации, оптимизировался дизайн. Но геометрия клапана была основной целью. Я не буду давать цифры, но приложу эскиз базовой конструкции клапана. Мембраны как таковой там нет. Есть свод. Таблетка композита сгорает внутри корпуса клапана. Воспламенитель инициирует три (3) фронта пламени. в прямом, обратном и радиальном направлении. Искусство дизайна заключается в балансе этих потоков. Чтобы поток окислителя ни в одном из сечений не был ОСТАНОВЛЕН локальным давлением теплового потока.

Некоторая информация о проведённом 2.12.11 испытании лётного образца двигателя Me_HL_50_02 комбинированной схемы "tripropellent".
Видео:

a_centaurus> Некоторая информация о проведённом 2.12.11 испытании лётного образца двигателя Me_HL_50_02 комбинированной схемы "tripropellent".

На сей раз пироклапан отработал без замечаний. Не было ни травления при заправке, ни проблем при открытии, ни помех потокам. Собственно, результаты получились в ожидаемом диапазоне. Всё-таки двигатель был расчитан на трёхкомпонентную схему топлива. И в режиме только ЖРД не дотянул до показанных ранее показателей в полной схеме. При избытке окислителя жидкого горючего недостало, чтобы доработать полностью расчётное время (5 с). Но, в остальном, движок продемонстрировал высокие оперативные качества. А новый дизайн клапанов видимо останется на будущее, как самый эффективный и надёжный из всех проработанных ранее. Применение перезаряжаемых картриджей позволяет свести подготовку к старту до 10-15 минут, необходимых для установки шашки, платы пироклапанов, сборки камеры и заправки двигателя жидкими компонентами горючего и окислителя.
После сравнения графиков performance работы двигателя в двух режимах "tripropellent" vs. "liquid" можно сделать вывод о высокой эффективности выбранной схемы, по крайней мере, для двигателя малой тяги. Но и для них есть своя ниша в применении на малых исследовательских ракетах.
График Тяга vs. Время прилагается вместе с обсчётом performance. Убедился, что видео с низким разрешением не передаёт всех деталей, наблюдаемых вживую. Однако знаменитые "Mach diamands" всё же хорошо заметны во всех фазах работы.
Камера после испытания была температуры окружающей среды. Клапаны после разборки выглядели чистыми, без нагара. Всё содержимое - исчезло. Стальная крышка - без деформаций. Несколько фотографий двигателя до и после испытаний.

Несколько фотографий двигателя до и после испытаний.

a_centaurus> График Тяга vs. Время прилагается вместе с обсчётом performance.

a_centaurus> Некоторая информация
На видео визуально выделяется три фазы:
сразу после запуска, факел скрыт клубами дыма,
фаза с остроконечным факелом и Mach diamands,
после полного свертывания факела - третья фаза, пульсирующий расширяющийся факел.

Можно ли пояснить, каким процессам внутри двигателя соответствуют эти фазы ?

a_centaurus>> График Тяга vs. Время прилагается вместе с обсчётом performance.

Жидкий вариант по-видимому проще в изготвлении и обслуживании. А какой УИ можно выжать из него?

a_centaurus> Некоторая информация о проведённом 2.12.11 испытании лётного образца двигателя...
Успешен тест на уникален, реален, любителски ЖРД в своя клас! Поздравления!

Ckona> Можно ли пояснить, каким процессам внутри двигателя соответствуют эти фазы ?

Первая фаза - открытие клапанов и инициация стартовых шашек с открытием потока окислителя при полном давлении над жидкой фазой. С небольшим delаy открывается поток горючего. Двигатель сразу выходит на режим , но дожигает остатки шашек твёрдого композитного топлива и магниевых стружек. В это время скорость истечения уходит за сверхзвук. График отражется почти плоской полочкой с небольшими флуктуациями. Потом кончается спирт, но его пары и окислитель ещё имеется, но уже в газовой фазе. Поэтому последние кадры факел осциллирует и тут же гаснет. Хотя газовая фаза закиси ещё просвистывает. Я её хорошо слышал, находясь в 2 м за стеной с откытым окном и дверью лаборатории. Да и видео не очень хорошо представило детали, а иногда и вовсе "спрятало". Когда смотришь глазами в перископ, то проживаешь все фазы вместе с двигателем. И кроме яркого света и рева с/з струи нет ничего. Дыма почти нет. Зато есть запах спиртового перегара. представляю, что чувствовали пускающие V2 и Р1, когда горели 4 т спирта.

RocKI> Жидкий вариант по-видимому проще в изготвлении и обслуживании. А какой УИ можно выжать из него?

Наооборот, tripropellent на основе двух жидких и одного твёрдого углеродно-водородного эффективного топлива, каким является парафин (теплотворные свойства практически равны этиловому спирту) проще и эффективнее bipropellent. По той простой причине, что парафиновая шашка - элемент абляционной защиты с КПД 100%. Ведь она производит тягу, возгоняясь...
А конструктивно (после перерасчёта параметров камеры, конечно) "цена вопроса" - грошовая и элементарная в технологии парафиновая шашка с углеродным стабилизирующим добавком. Причём с ней нет механических и термических проблем, как в схеме только ГРД. Она короткая, с толстым сводом в мощном теплоизолирующем стакане. А жидкое горючее получает добавочный коэффициент "усвояемости", распыляясь в хорошо прогретый канал твёрдого топлива с очень похожими на него самого характеристиками.
Теоретический Isp для пары Nox/Ethylic alcohol около 215 с. Для tripropellent около 217 s. В реальности не удалось получить расчётных значений (хотя об этом говорить не очень корректно, поскольку камера была расчитана для трехкомпонентной комбинации) Isp только для "жидка", в то время как для tripropellent это значение было получено на стенде. Но, в случае оптимизации параметров ЖРД цикла , думаю, что это значение вполне достижимо. Честно говоря, двигателю не хватило "раскрутки" в начальной фазе. Ведь масса всех 4 "стартовых шашек" всего 1 (один) грамм. Скорее всего диссоциация закиси в первый, самый "расходный" момент была НЕПОЛНОЙ. И, как следствие, неполным было и сгорание жидкого горючего.И догорала конденсированная из продуктов реакции фаза уже "на улице". И движок осциллировал в первые пол-секунды. Потом РП установился, сгорание улучшилось, но... поезд уже ушёл. Да и уголёк тоже закончился. Там ведь всего 70 мл спирта ( Это объяснение мне пришло в голову уже после написания ответа для ckona. Оно дополняет и проясняет картину).
Тем не менее даже в таком укособоченном варианте движок вполне пригоден для установки на ракету. Но, конечно, использован будет "tripropellent scheme". От добра - добра не ищут.
И, наверное, главный результат - доказательство возможности эффективного РП в ЖРД таких малых размеров. Бустерная парафиновая шашка превращает в реальность постройку ЖГРД малой тяги, годного не только для "показательных выступлений" на стенде, чем обычно заканчивается постройка "любительского" ЖРД, но и способного поднять ракету. Кстати тяговооружённость этого движка массой в 1000 г - 15 (25 в пике) :1. Так что по массе ракеты есть вполне солидный запас. По крайней мере в калибре 80 мм ракета выходит в 3 кг и расчитана для полёта с 200 г полезной нагрузкой на высоту до 1000 м.

-VMK-> Успешен тест на уникален, реален, любителски ЖРД в своя клас! Поздравления!

Gracias, Veselin!

a_centaurus> Наооборот, tripropellent на основе двух жидких и одного твёрдого углеродно-водородного эффективного топлива, каким является парафин (теплотворные свойства практически равны этиловому спирту) проще и эффективнее bipropellent

tripropellent это твоя идея?

RocKI> tripropellent это твоя идея?

Ну что ты. Я только компиллирую. В терминах (дo 3-х компонентной топливной комбинации я дошёл сам). Идея "tripropellent rocket motor" относится прежде всего к топливной комбинации: кислород-керосин-водород. Когда мне пришла идея опробовать парафиновую шашку в качестве гибридного цикла в камере ЖРД, стал искать какое-то разумное название для схемы. Термин "tribrid" в конструкции ГРД не подошёл, поскольку в той схеме используется шашка композитного топлива в дополнение к жидкому окислителю. А так: вместо кислорода - закись азота, вместо керосина - спирт (или пропан), вместо жидкого водорода - твёрдая смесь углеводородов(вроде - внутри логики явления).
Собственно, некоторая девульгаризация идей oт Первого Технологического Мира для маленьких Третьих Миров. Примерно - колесо от телеги на оси современного автомобиля.

a_centaurus> На сей раз пироклапан отработал без замечаний.

Чтобы закончить отчёт об этом испытании. На фото разобранный узел пироклапанов. Хорошо видно, что асфальто-лаковая изоляция выгорела без каких-либо остатков в зоне проходного отверстия. Внутри картриджи также пусты. Все дрова ушли в топку.

a_centaurus> Чтобы закончить отчёт об этом испытании.

На последнем фото этого уходящего года показаны две платы пироклапанов. Заряженная - слева, ещё не была в деле. Её зарядка заняла около часа трудозатрат. С учётом того, что каждый картридж содержит около 20 технологическох операций (кроме центрального, который не имеет собственного в.) это достаточно быстро. Поскольку стендовых испытаний этих двигателей пока не планируется, очевидно, что заряженный ПК пойдёт уже на ракету (Solaris_HL_50_01), которая сейчас в сборке.

a_centaurus> Давление в камере 20 Атм. То есть P существенно поменьше.

Значит киловатт.

a_centaurus> Надеюсь, что для 10 с тяги хватит чего-нибудь из штатного набора игрушек RC.

Ну, для 10 секунд надо выбирать батарейки с "65C/130C" с минимальной необходимой ёмкостью.
За 10 секунд из них можно высосать 40% энергии.
И электронику с мотором можно в форсированном режиме использовать.

a_centaurus>> Давление в камере 20 Атм. То есть P существенно поменьше.
Xan> Значит киловатт.
a_centaurus>> Надеюсь, что для 10 с тяги хватит чего-нибудь из штатного набора игрушек RC.
Xan> Ну, для 10 секунд надо выбирать батарейки с "65C/130C" с минимальной необходимой ёмкостью.
Xan> За 10 секунд из них можно высосать 40% энергии.
Xan> И электронику с мотором можно в форсированном режиме использовать.

Спасибо за апроксимацию процесса, Xan! По расчёту электромощи надо использовать тот же алгоритм, что и для EDF. С поправками на центробежность работы импеллера в потоке. А для расчёта производительности (по спирту) надо брать одну из методик расчёта ц.б. насосов (Волков, Курпатенков, Володин, Синярев и дрррр.) Где при заданном размере колеса импеллера (наш случай) напор (приведённая высота в м) пропорционален квадрату числа оборотов. Лучше всего описан пример расчёта для спирта у Синярева/Добровольского. Расход горючего (спирта) по тому примеру в 256 больше необходимого. Приведённая высота - 254 м. То есть п. высота, необходимая для подачи 0.3 л спирта составляет 1 м. ТУ на насос для акв. (ок. 1000 л/час) указывают H=3.5 м. Так что, похоже, попробовать можно.

a_centaurus>

Ну вот тебе ещё примерно полтора киловатта 30 секунд:
(Turnigy SK3 Fandrive - 3659-1900kv (90mm EDF))
мотор 5-6S 1900kv 80A 0.011 Ohm 249g $50.61
(Моторчики, несмотря на разнообразие, подбираются с трудом. И часто всё равно значительно не соответствуют желаемому.)

(http://hobbyking.com/hobbyking/...)
электроника 6S 70A 65g $28.73

(Turnigy nano-tech 350mah 3S 65~130C Lipo Pack)
батарейки 3S 350mAh 46g $10.72
Таких батареек надо две пары — 184г, $42.88

Итого: 498 граммов, $122.22 — совсем фигня по деньгам!!!

Линейная скорость колеса насоса должна быть около 50 м/с (для 20 атм), у движка до 42180 об/мин, стало быть Rадиус колеса должен быть больше 10.2 мм и не более 15 мм (момента не хватит), например 12 мм.

a_centaurus>>
Xan> Ну вот тебе ещё примерно полтора киловатта 30 секунд:
Спасибо, Xan!
С продукцией Hobby King я знаком. Кроме веса (500 г - вес самого движка) напрягает необходимая скорость вращения импеллера. Скорость вращения коммерческого центробежного насоса - 1500 об/мин. Вряд ли он выдержит даже 10 кратное увеличение скорости в пластиковой версии. Есть и другие ограничения. Например, по скорости течения жидкости в трубах. Во всех расчётах она принимается не более 5-10 м/с. И сечения в размерах газовых труб (1/2") как минимум. Поэтому пока придётся от этой версии отказаться. Или шестерёнчатый насос (Изготовитель гарантирует 20 Атм), или старый добрый ПАД. Уже опробованный со спиртом.

a_centaurus> Кроме веса (500 г - вес самого движка)

Сам мотор — 249 граммов.
И ещё столько же остальное.

a_centaurus> напрягает необходимая скорость вращения импеллера. Скорость вращения коммерческого центробежного насоса - 1500 об/мин.

А причём здесь коммерческий?
Надо вставать к станку и делать центробежную самоделку с диаметром колеса около 24 мм.
А выходная дырка у него будет 3 мм диаметром. А скорость жидкости в ней будет 50 м/с.
А потом она должна конически плавно расшириться, скорость снизиться, а давление возрасти.
В полдюймовой трубе скорость будет менее 3 м/с.

a_centaurus> Или шестерёнчатый насос

Для него надо медленные моторчики, они, скорее всего, тяжелее будут. Или редуктор.

Xan> Надо вставать к станку и делать центробежную самоделку с диаметром колеса около 24 мм.

Чтобы закрыть дискуссию.
Не сомневаясь в твоих продуктивных способностях ("встать к станку"), сильно сомневаюсь в своих возможностях. Центробежный импеллер (работающий прототип) требует прежде всего тщательной конструктивной проработки. Делать его нужно на CNC (других, собственно, вокруг уже и нет). И такой диаметр чисто профрезеровать для приведённых скоростей весьма сложно. По крайней мере ротор для газовой турбины у моих смежников стал получаться на 70 мм. Да и сам дизайн в Solid Works отнимет много времени даже у профессионала. Как сажать и. на вал двигателя? Для работы с несжимаемой жидкостью, а не с воздухом. Как герметизировать корпус сложной трёхмерной сборки? Короче, отложим пока эту идею "самодельного ТНА" для двигателя малой тяги. Кроме веса (вес сервисных агрегатов не должен превышать веса камеры движка с головкой) в ней много и других серьёзных изъянов. Например, как будет влиять массивный ротор brushless движка, вращаясь с 48.000 об/мин на поведение ракеты на активном участке? Как врезать в уже скомпонованную в согласии со схемой работы крышку головки 1/2" фиттинг вместо 1/4"?
Шестерёнчатый насос, по крайней мере уже выпускается в стране и может быть доработан по желанию заказчика до его нужд. Формула его расчёта известна, а технология изготовления колёс проста и достаточно прецизионна (электроэррозия). По крайней мере 15 мм колёсики (20 мм ширина для 20 Атм) у изготовителя ни напряга, ни сомнений не вызывали. То есть, деньги - гарантированный продукт.
Наверное стоило бы выложить сборку камеры этого двигателя с головкой, но там ничего необычного нет. Разве что конструкция шаровых клапанов с пироактиваторами.

a_centaurus> Чтобы закрыть дискуссию.

O.K.

a_centaurus>

А почему ты рабочее колесо центробежного насоса упорно называешь "импеллер"?
Оно на вашем импортном языке так называется? Или ты что-то путаешь?

Вот такие пироактиваторы испытал на стандартных шаровых клапанах Swagelok. Тоже, сначала выдумывал поставить сервы... Но, как иногда бывает, адаптировать коммерческий продукт сложнее, чем сделать свой. Особенно в нестандартных случаях. Пружинная улитка с пирочекой позволяет остаться в габаритах самого клапана, не увеличивая заметно вес.