ГРД:от тактики к практике. Часть II

RLAN> Отлично, я всегда говорил парафин - forever!
RLAN> Собственно, форум нашел 7 лет назад при изготовлении большого гибридника с парафиновым топливом.
А я наоборот был осторожен по отношению к парафину. Уж очень он казался непрочным и плохо переносящим температурные нагрузки в камере. И тут случай помог. Получил образцы материала, которые идеально дополнили технологию производства такой шашки. Но пока рано делать выводы. По крайней мере собственные выводы, поскольку SPG и Stanford их уже сделали для науки и ракетных технологий. Поработаю над техникой, попробую добавки. В виде того же, уже опробованного алюминия. Теперь, конечно, есть сильное желание осуществить пуск первой 2 ступенчатой ракеты уже на парафиновом топливе. Но, боюсь спугнуть, уж очень как-то всё просто получилось.
RLAN> До сих пор валяются части от него.
Ну дак пора вернуться в стаю гибридчиков. Ты теперь опыт приобрёл. Как в движках, так и в ракетах. Неужели 1kN гибрид не осилишь? Для начала. Вон, пацаны уже вовсю выгребают. И закись, оказывается не такая уж проблема...

Вторые испытания парафиновой шашки на полимерной матрице в составе микро ГРД Me_H_10_02. С инжектором редуцированного диаметра. С обычной шашкой такой вариант давал время тяги около 5 с. Изготовление шашки было исполнено по описанному в предыдущем посте технологическому алгоритму. Подготовленная матрица в нейлоновом стакане опускалась в расплав парафина. Торцы формовались шпателем при помощи горячего воздуха. Результаты: первое испытание можно признать положительным. Двигатель отработал около 2.5 с, показав великолепную, длинную, расцвеченную "Mach diamands" реактивную струю, насыщенного соломенного цвета и ... поперхнулся. Остаток времени изрыгал струю дыма и газообразного окислителя. После разборки оказалось, что тонкий стакан подплавился у сопла и часть о-ринга, освободившийся при этом, попала в сопло. Процесс горения столь деликатный в таком малом обьёме - прервался... По оценкам движок не доработал около 1.5-2 с. Однако график тяги вполне обнадёживающий (см. график). Второе испытание стало почти копией первого. Только время работы было ещё меньше. О-ринг на этот раз выплюнуло через сопло. Спасибо, что не заткнуло. В общем-то Эти испытания для того и служат - оптимизировать схему и конструкцию. Так, в случае с о-рингом, конструктивно расчитанным на применение более широкой (по телу), твёрдой и стабильной физически шашки, с чёткой цилиндрической геометрией, нужно будет либо оставлять в стакане ступеньку, для опоры прокладки, либо вообще эту прокладку убрать. Она служит только для теплоизоляции. То есть, чтобы шашка, в случае подплава, не прилипала к графитовому соплу.

a_centaurus> Вторoе испытание парафиновой шашки на полимерной матрице в составе микро ГРД Me_H_10_02.

Два графика для сравнения: 2 - этого же двигателя с тем же инжектором ровно год назад.

Пока есть над чем работать.

Video:

Интересная фотограмма (коллаж с видео) Сьёмка ночная. Hard start микрогибрида с парафиновой шашкой. Взрыва не последовало, но прорыв пламени и скачка давления вверх, через инжектор, закончился разрушением бортика канала уплотнительного о-ринга капсулы. Однако двигатель продолжил работу. Видны характерные для сверхзвукового истечения "Mach diamands". На графике отразились два пика. Заключение: парафин работает. Но конфигурация "inverted gear" в таком обьёме - нет. На самом деле было только одно успешное испытание - первое. Последующие несколько удачными нельзя было назвать. А последнее - стоило лучшего из имеющихся 3 микрогибридов. Вернее самой сложной его части. Однако это плата за познание и опыт. И я не жалею. В мини гибриде шашка стоит уже обычной конфигурации - канальная. С нею будет следующее испытание. Попробую сделать то же самое и для микрогибрида. Идея - использовать спиральную матрицу с тем, чтобы остался достаточно широкий канал, необходимый для амортизации скачка давления вызываемого пироклапаном.

a_centaurus> Интересная фотограмма (коллаж с видео) Сьёмка ночная. Hard start микрогибрида с парафиновой шашкой. Взрыва не последовало, но прорыв пламени и скачка давления вверх, через инжектор, закончился разрушением бортика канала уплотнительного о-ринга капсулы.
Извини, не совсем понятна причина "обратного удара". Почему ты связываешь ее с формой шашки? Площадь горения большая получилась?

FRC> Извини, не совсем понятна причина "обратного удара". Почему ты связываешь ее с формой шашки? Площадь горения большая получилась?

Жадность подвела. Захотел насытить шашку парафином за счёт каналов. Поэтому в используемой шашке канал был только, чтобы провести кабель инициатора. Надеялся, что прожгёт давлением по боковым... Как видишь ракетный двигатель не прощает малейших небрежностей. А ведь первая шашка была именно с сквозными боковыми каналами. С другой стороны на то оно и экспериментальное. Ракетостроение.

FRC>> Извини, не совсем понятна причина "обратного удара". Почему ты связываешь ее с формой шашки? Площадь горения большая получилась?
a_centaurus> Жадность подвела. Захотел насытить шашку парафином за счёт каналов. Поэтому в используемой шашке канал был только, чтобы провести кабель инициатора. Надеялся, что прожгёт давлением по боковым... Как видишь ракетный двигатель не прощает малейших небрежностей. А ведь первая шашка была именно с сквозными боковыми каналами. С другой стороны на то оно и экспериментальное. Ракетостроение.

Тема топлива парафин/NOх продолжается. После последних неудачных испытаний пришлось изменить геометрию и массу шашки. Понятно, что отказы были по причине недостаточной площади канала. То есть, в погоне за дополнительной массой парафина был отодвинут один из главных принципов РП в ГРД: наличие свободной поверхности для плавления и сублимации топлива. После анализа были сделано следующее: из уже изготовленной шашки был выплавлен "избыток" парафина. Осталась только чёткая структура ("inverted gear")матрицы, пропитанной парафином. Может это и слегка будет нарушать формование "поверхностной жидкой волны", которой даёт главное преимущество этого топлива, за счёт присутствия твёрдой, хотя и горящей подложки. Но зато даст свободный выход газам, образованным при первом этапе процесса теплового разложения закиси пиросоставом. Вторая шашка была изготовлена на спиральной матрице из того же материала, но без гофра. Совместная масса шашки парафин/матрица - 2 г. Если такая шашка полностью сгорит, то соотношение O/F будет примерно 3.5:1. Этого вполне достаточно. На фото: два микро ГРД Me_H_10_01/02 (02 - 0.4 mm инжектор), готовые к огневым испытаниям.

Почти 4 с горение в простой нейлоновой шашке. Me_H_10_02 с 0.4 мм инжектором. Тест был сделан для сравнения с парафиновой шашкой 3.07.09.Сьёмка ночная.

Не получилось. Оба двигателя в отказе. Первый, с шашкой "inverted gear", просто не удалось загерметизировать в двух попытках, так как парафин продавливался и клапан не удерживал поток окислителя. Поскольку было всего три капсулы, перешёл к испытанию второго Me_H_01. С шашкой с вкладышем,изготовленном намоткой полимерной полосы и пропиткой её парафином. Поскольку тело стакана у неё побольше, проблем с герметизацией камеры не было. Однако после инициации последовал взрыв... Произошло то, что уже было с вкладышами из Al фольги. Вкладыш выдуло через отверстие сопла. Попутно захватив всё сопло наружу. Разлетевшееся в пыль графитовое сопло буквально выдуло в ящик под стендом. (На фото с видео). По счастью и к удивлению, ни двиг., ни стенд не пострадали. Запасные сопла есть, поэтому двигатель тут же был восстановлен. Парафиновая шашка, размотанная и наполовину разорванная давлением, обнаружена в ящике дефлектора. Пока счёт не в пользу парафина. Но здесь скорее фактор неоптимизированного дизайна используемого микро ГРД. Поэтому перейдём к испытанию парафиновой шашки на минигибриде Ме_H_150_01. Надеюсь, что обычная канальная шашка на гофрированной кольцевой матрице Внутри тонкостенного стакана отработает штатно. Вылетать там вроде нечему.

a_centaurus> Надеюсь, что обычная канальная шашка на гофрированной кольцевой матрице Внутри тонкостенного стакана отработает штатно.

Даже если и не штатно, может прояснится причина аварий. Интересно, а какие нибудь добавки в парафин можно внести?

Anzoriy> Даже если и не штатно, может прояснится причина аварий. Интересно, а какие нибудь добавки в парафин можно внести?

Алюминий. С ним пускали ракету команда из Stanford Univ. Повышает теплопроводность шашки на 30%. Но сначала надо освоиться с простым составом.

a_centaurus> Алюминий. Повышает теплопроводность шашки на 30%.

А по УИ данных нет? Что еще можно применить?

Но сначала надо освоиться с простым составом.

И то верно.

a_centaurus> ... Надеюсь, что обычная канальная шашка на гофрированной кольцевой матрице Внутри тонкостенного стакана отработает штатно. Вылетать там вроде нечему.
Извини, что вставлю свои пять копеек, но с парафином я поработал много, немного с его свойствами знаком.
Мне кажется идеи с матрицами из пористых материалов неудачны. По крайней мере, где пакет не представляет монолит. Пропитаная и плотно (плотно!) смотанная в рулон бумага, или другой пористый материал, где нет воздуха в результате должен работать на ура.
Но я бы просто смешал парафин с сажей, серебрянкой, другим горючим наполнителем, не хватило его - добавил бы окислителя молотого.
Такие шашки прочные плавятся хорошо, но отнюдь не мгновенно, не текут вниз в потоком газов.

Да, добавка сажи теоретически повышает emissivity парафина. Шашка быстрее и глубже прогревается. Но дальше начинаются проблемы. Твёрдый углерод понижает температуру в камере, вызывает эррозию сопла и увеличивает молярную массу продуктов. Isp не растёт заметно. То же с алюминиевой пудрой. Сам не пробовал, но внимательно читал патент и papers А. Karabeyoglu, "главного по парафиновым тарелочкам". Те же самые проблемы. Только вместо C выступает Al2O3. Добавка твёрдого окислителя (трибрид) также делает замысловатым закон горения и в смеси с закисью азота заметного выигрыша не даёт. Поэтому он и стал искать метод обогащения закиси кислородом (Nytrox). А пористая матрица, это пока собственный поиск (как твои 5 копеек) для упрощения технологии производства шашек для ГРД малых классов тяги. Опустил в расплав, достал и полетел. Кстати, ведь первый опыт с шашкой формы "inverted gear" был удачным. Вся проблема в том, что микроГРД имеет дизайн, в котором топливная полимерная шашка ВКЛЮЧЕНА В РАЗМЕРНУЮ ЦЕПОЧКУ. То есть любое изменение геометрии шашки чревато последствиями. Я ведь подбираю стакан для матрицы из отработанных шашек. У меня их полный ящик за 5 лет накопился. Более 300 испытаний. А диаметр приходится ещё расширять, чтобы установить вкладыш... Мне кажется, что просто бумага в плотном рулоне будет препятствовать пропитке парафином. Да и масса матрицы будет гораздо выше массы основного топлива. Поэтому рабочий процесс замкнётся на паре:cellulose/NOx, парафина будут только следы. И O/F будет 7:1, а не 3:1 как в случае чистых компонентов. Вообще, технология получения парафиновых шашек проста и заключается в центифуговании жидкого расплава в стакане. Основной канал получается за счёт вращения жидкого тела, а остальные - выборкой керна. Короче, пробуем дальше. Пока холодно у нас до -3-5ºЦ. Надо подождать более тёплой погоды.

Anzoriy> А по УИ данных нет?

Есть все данные. Парафином сейчас серьёзно занимаются в SPG и Станфорде по контрактам с NASA и DARPA. Применялся асфальт и сажа. Асфальт даёт повышенную прочность шашке, но Isp падает из-за того же углерода в выхлопе.

a_centaurus> Асфальт даёт повышенную прочность шашке, но Isp падает из-за того же углерода в выхлопе.

Замкнутый круг какой-то. Должно же быть хорошее простое решение.

Anzoriy> Замкнутый круг какой-то. Должно же быть хорошее простое решение.

Хорошее решение - не совать ничего в парафин. Это самодостаточное топливо. Если удасться решить проблему механической прочности для больших шашек, то гибридный ускоритель для Шаттла может быть создан именно на этом топливе. С добавкой Al и с LOх в качестве окислителя Isp (vacuum) этого топлива достигает 380 s. Это выше, чем у AP/Al/HTPB.

a_centaurus> Да, добавка сажи теоретически повышает emissivity парафина. Шашка быстрее и глубже прогревается.

Да, добавка сажи повышает emissivity парафина, но он быстрее прогревается из-за absorbtivity.
Но прогревается не глубже, а наоборот, в более тонком слое, потому что из-за сажи парафин становится непрозрачным и поглощение света идёт в более тонком слое. Но в этом тонком слое температура гораздо выше, чем без сажи.

a_centaurus> Но дальше начинаются проблемы. Твёрдый углерод понижает температуру в камере, вызывает эррозию сопла и увеличивает молярную массу продуктов.

Для того, чтобы парафин стал совершенно чёрным, достаточно 0.1-0.2% сажи. На состав продуктов горения это никак не влияет.

a_centaurus>> Да, добавка сажи теоретически повышает emissivity парафина. Шашка быстрее и глубже прогревается.
Serge77> Да, добавка сажи повышает emissivity парафина, но он быстрее прогревается из-за absorbtivity.
Serge77> Но прогревается не глубже, а наоборот, в более тонком слое, потому что из-за сажи парафин становится непрозрачным и поглощение света идёт в более тонком слое. Но в этом тонком слое температура гораздо выше, чем без сажи.
a_centaurus>> Но дальше начинаются проблемы. Твёрдый углерод понижает температуру в камере, вызывает эррозию сопла и увеличивает молярную массу продуктов.
Serge77> Для того, чтобы парафин стал совершенно чёрным, достаточно 0.1-0.2% сажи. На состав продуктов горения это никак не влияет.

Emissivity - это "излучательная способность". Absorptivity (no "absorbtivity") - "поглощательная способность". Согласно закону Кирхгофа поверхность тела, имеющая высокую Е, также имеет и высокую А. Е приближ.= А. Поэтому противопоставлять во фразе эти два взаимосвязанных физических феномена не следует. В рабочем процессе в камере ГРД, когда тепловой поток к стенкам шашки принимает равновесное значение: Е=А. Основная часть теплового излучения находится в ИК диапазоне. В дальней области (10 -20 mc) парафин прозрачен. Сажа увеличивает поглощательную способность п. как твёрдого тела в ИК, но лишь до образования тонкой плёнки расплава. Далее жидкая фаза парафина с твёрдыми частицами угля, образует экран для глубокого проникновения тепла в виде излучения. Температура повышается, скорость уноса растёт, но появляется сильная зависимость процесса от давления в камере. Возникают сильные его флуктуации. Дальше можно обсасывать детали, но ни добавка сажи, ни алюминия в виде микро и нано частиц пока не закончили процесс оптимизации шашки. На этом бы я хотел закончить эту интересную дискуссию по additives (добавкам) в данной теме. Я добавки не использую, а для общих вопросов есть другие топики.

a_centaurus> ... На этом бы я хотел закончить эту интересную дискуссию по additives (добавкам) в данной теме. Я добавки не использую, а для общих вопросов есть другие топики.

Собственно начал о добавках во вторую очередь как модифицирующие присадки.
А в первую - как некий структурообразующий элемент.Чистый парафин течет, и быстро течет.

Должно же быть хорошее простое решение.
Если удасться решить проблему механической прочности для больших шашек, то гибридный ускоритель для Шаттла может быть создан именно на этом топливе.
_______________________________________________________________________________
Ну очень интестно... А пробывали "укепить" большую шашку армирующими волокнами?

OL29> Ну очень интестно... А пробывали "укепить" большую шашку армирующими волокнами?

Если бы внимательнее читал написанное, то вопрос был бы не нужен. Polyester (фильтр) матрица и осуществляет поглощение парафина и структурирование шашки. Причём при минимальном собственном весе. В этом всё дело. Нужен структурный элемент, который бы не слишком мешал рабочему процессу, был лёгок и обладал высокой адсорбцией.

RLAN> Собственно начал о добавках во вторую очередь как модифицирующие присадки.
RLAN> А в первую - как некий структурообразующий элемент.Чистый парафин течет, и быстро течет.
Это не к тебе. Я прекрасно понял и оценил твои сообщения. Но затем вопросы неуклонно свели обсуждение технологии к проблеме внутренней баллистики топлива за счёт добавки металлов. Нужно просто взять и прочитать патенты и публикации, чтобы насытить вполне праздный интерес. Я скромно пытаюсь решить частную конструктивную задачу - найти такой структурный элемент (из доступных) , который позволит повысить прочность и термостойкость парафина в шашке. Причём на этапе ГРД малой тяги. А как повысить Isp давно известно.

a_centaurus> ...матрица и осуществляет поглощение парафина и структурирование шашки. Причём при минимальном собственном весе. В этом всё дело. Нужен структурный элемент, который бы не слишком мешал рабочему процессу, был лёгок и обладал высокой адсорбцией.


a_centaurus> онструктивную задачу - найти такой структурный элемент (из доступных) , который позволит повысить прочность и термостойкость парафина в шашке.

Възможно глупаво предположение: Carbon (плат)? Нещо във вид на "композит" карбон-парафин, по технология аналогична на смола-парафин...

a_centaurus>> ...матрица и осуществляет поглощение парафина и структурирование шашки. Причём при минимальном собственном весе. В этом всё дело. Нужен структурный элемент, который бы не слишком мешал рабочему процессу, был лёгок и обладал высокой адсорбцией.
a_centaurus>> онструктивную задачу - найти такой структурный элемент (из доступных) , который позволит повысить прочность и термостойкость парафина в шашке.
-VMK-> Възможно глупаво предположение: Carbon (плат)? Нещо във вид на "композит" карбон-парафин, по технология аналогична на смола-парафин...
Не бывает "глупых предложений" в технике. Как правило, новое техническое решение находится на границах с совершенно на первый взгляд, несовместимыми с традиционными. Carbon composite matriх & paraffin charging... Ну почему нет. Конструктивно возможная композиция. На базе carbon FOAM. Или aluminum FOAM. Я сам делал такие шашки для микро ГРД из Duocel Al FOAM с наполнением спиртовым гелем. Были показаны прекрасные результаты. Есть отчёт в Ракетной Мастерской. Я сейчас покупаю этот материал. Для всевозможных аппликаций. В том числе и для двигателей. Как ГРД, так и ЖРД. Посмотрите здесь. Возвращаясь к проблеме топливной шашки напомню, что структурный элемент не должен интерферировать с горением топлива. Так сказать быть менее заметным в рабочем процессе, чем основное топливо. А горение металлической структуры солидных размеров заберёт много тепла и кислорода. Идея эта, кстати давно крутится в воздухе. Пробовали её и в РДТТ и в ГРД. Но, что-то пока не видно прорыва. Но в качестве экспериментального направления вполне служит для получения грантов под такие проекты.

Duocel aluminum foam has been used as the propellant reinforcement for a solid fuel rocket motor. The interconnected foam ligaments not only strengthen the propellant for high load applications, but also increases the burn rate via preheating and provides an electrostatic grounding grid.
P.S. Скорее всего VMG имел в виду дисперсный carbon (сажу или графит), но я его интерпретировал так как написал. Поскольку натолкнулся на другую идею. Благодаря его "подсказке". "Не бывает глупых предложений в технике" Бывает их глупая интерпретация.