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  • Résumé
  • Résumé
  • Introduction
  • Protocole
  • Résultats
  • Discussion
  • Déclarations de divulgation
  • Remerciements
  • matériels
  • Références
  • Réimpressions et Autorisations

Résumé

Une technique utilisant un grain de combustible solide avec une nouvelle structure hélitique imbriquée pour améliorer les performances de combustion d’un moteur-fusée hybride est présentée.

Résumé

Une technique visant à améliorer les performances de combustion d’un moteur-fusée hybride à l’aide d’une nouvelle structure de grain de carburant est présentée. Cette technique utilise les différents taux de régression des combustibles acrylonitriles à base de butadiène et de paraffine, qui augmentent les échanges de matière et d’énergie par des zones de flux tourbillonnant et de recirculation formées aux rainures entre les vanes adjacentes. La technique de coulée centrifuge est utilisée pour jeter le combustible à base de paraffine dans un substrat de styrène acrylonitrile au butadiène fabriqué par impression tridimensionnelle. En utilisant l’oxygène comme oxydant, une série d’essais ont été effectués pour étudier les performances de combustion du nouveau grain de carburant. Par rapport aux grains de carburant à base de paraffine, le grain de carburant à structure hélicétique imbriquée, qui peut être maintenu tout au long du processus de combustion, a montré une amélioration significative du taux de régression et un grand potentiel d’amélioration de l’efficacité de combustion.

Introduction

Une technique pour améliorer les performances de combustion d’un moteur-fusée hybride est nécessaire de toute urgence. À ce jour, les applications pratiques des moteurs-fusées hybrides sont encore bien inférieures à celles des moteurs-fuséessolides et liquides 1,2. Le faible taux de régression des carburants traditionnels limite l’amélioration des performances de poussée pour le moteur-fuséehybride 3,4. De plus, son efficacité de combustion est légèrement inférieure à celle des autres fusées à énergie chimique en raison de la combustion de diffusion interne5, comme le montre la figure 1. Bien que diverses techniques aient été étudiées et développées, telles que l’utilisation de multi-ports6,l’amélioration des additifs7,8,9, liquéfiant le carburant10,11,12, injectiontourbillonnante 13, saillies14, et bluff corps15, ces approches sont associées à des problèmes dans l’utilisation du volume, l’efficacité de combustion, la performance mécanique, et la qualité de redondance. Jusqu’à présent, l’amélioration structurelle du grain de carburant, qui n’a pas ces lacunes, a attiré plus d’attention en tant que moyen efficace d’améliorer les performances de combustion16,17. L’avènement de l’impression tridimensionnelle (3D) a permis d’augmenter efficacement les performances des moteurs-fusées hybrides grâce à la capacité de produire rapidement et à peu de frais des conceptions de céréales conventionnelles complexes ou des grains de carburant nonconventionnels 18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30. Toutefois, au cours du processus de combustion, ces améliorations des performances de combustion diminuent avec la combustion caractéristique de la structure, ce qui entraîne une diminution des performances de combustion23. Nous avons démontré qu’une nouvelle conception est utile pour améliorer les performances des moteurs-fuséeshybrides 31. Le détail de cette technique et les résultats représentatifs sont présentés dans ce document.

Le grain de carburant se compose d’un substrat hélicoïque fabriqué à partir d’acrylonitrile-butadiène-styrène (ABS) et d’un combustible imbriqué à base de paraffine. Sur la base de l’impression centrifuge et 3D, les avantages des deux carburants avec des taux de régression différents ont été combinés. La structure hélioïque spéciale du grain de carburant après combustion est indiquée dans la figure 2. Lorsque le gaz traverse le grain de carburant, de nombreuses zones de recirculation sont simultanément créées à des rainures entre les pales, ce qui est indiqué dans la figure 3. Cette structure caractéristique sur la surface intérieure augmente l’énergie cinétique de turbulence et le nombre tourbillonnant dans la chambre de combustion, qui augmentent les échanges de matière et d’énergie dans la chambre de combustion. En fin de compte, le taux de régression du nouveau grain de carburant est effectivement amélioré. L’effet de l’amélioration du taux de régression a été bien prouvé: en particulier, le taux de régression du nouveau grain de carburant s’est avéré 20% plus élevé que celui du carburant à base de paraffine au flux de masse de 4 g/s·cm2,32.

Un avantage du grain de carburant avec une structure hélicétique imbriquée est qu’il est simple à fabriquer. Le processus de moulage nécessite principalement un mélangeur de fonte, une centrifugeuse et une imprimante 3D. Le substrat ABS formé par l’impression 3D réduit considérablement le coût de fabrication. Un autre avantage important et unique est que l’effet d’amélioration ne disparaît pas pendant le processus de combustion.

Cet article présente le système expérimental et la procédure pour améliorer les performances de combustion d’un moteur-fusée hybride à l’aide de la nouvelle structure de grain de carburant. En outre, cet article présente trois comparaisons représentatives des paramètres de performance de combustion pour prouver la faisabilité de la technique, y compris la fréquence d’oscillation de la pression de chambre de combustion, le taux de régression, et l’efficacité de combustion caractérisée par la vitesse caractéristique.

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Protocole

1. Configuration expérimentale et procédures

  1. Préparation du grain de carburant
    REMARQUE : Le grain de carburant à structure nouvelle se composait de deux parties, qui sont indiquées à la figure 4. En tant que partie principale du nouveau grain, le carburant à base de paraffine représente plus de 80% de la masse totale. Le substrat ABS est utilisé comme combustible supplémentaire. La préparation de ce grain de carburant a été réalisée en combinant l’impression 3D et le moulage centrifuge.
    1. Préparation du substrat
      1. Ouvrez le logiciel 3D pour le dessin de substrat ABS.
        REMARQUE : Le substrat ABS, qui visait à fournir le cadre hélicétique et le support du carburant à base de paraffine, est composé de douze pales intégrées qui tournent à 360° dans le sens des aiguilles d’une montre dans le sens axial et le mur.
      2. Enregistrez la structure 3D du substrat ABS en tant que fichier STL.
      3. Ouvrez le logiciel de tranchage 3D et importez la structure du substrat ABS.
      4. Cliquez sur Démarrer le tranchage, et sélectionnez le mode d’impression de vitesse à partir du modèle principal.
        REMARQUE : Pour l’extrème primaire choisissez ABS 1.75 mm.
      5. Vitesse à double clic, changer la densité de remplissage à 100% et sélectionnez Radeau avec jupe pour l’ajout de plate-forme.
        REMARQUE: Afin d’améliorer la qualité d’impression et d’éviter la déformation, il est nécessaire d’utiliser une structure de base d’impression (Radeau avec jupe) pour augmenter la zone de contact entre le corps d’impression et la plaque inférieure.
      6. Cliquez sur Enregistrer et fermer, puis cliquez sur Tranche.
      7. Allumez l’imprimante 3D et importez le fichier de tranche de substrat ABS.
      8. Réglez la température du lit chauffé et de la buse à 100 et 240 °C, respectivement.
      9. Cliquez sur Démarrer pour imprimer après la stabilisation.
    2. Préparation de carburant à base de paraffine
      1. Préparer des matières premières de paraffine, de cire de polyéthylène (PE), d’acide stéarique, d’acétate éthylène-vinyle (EVA) et de poudre de carbone. Configurer le carburant à base de paraffine en fonction du rapport de ces composants comme 0.58:0.2:0.1:0.1:0.0.02.
        REMARQUE : Les informations spécifiques de chaque matière première sont indiquées dans le tableau des matières premières. Le rapport de distribution du carburant à base de paraffine n’est pas fixe et peut être ajusté de façon appropriée en fonction de l’objectif de l’expérience. Le but de l’ajout de poudre de carbone est de bloquer le transfert de chaleur radiante et d’empêcher le grain de carburant de ramollir et de s’effondrer pendant la combustion.
      2. Placer les matières premières configurées dans le mélangeur à fondre, et bien fondre et remuer jusqu’à ce qu’elles soient complètement mélangées.
        REMARQUE : Le carburant à base de paraffine est chauffé à 120 °C pour assurer une fonte complète tout en empêchant la déformation des lames ABS.
    3. Fabrication de céréales à combustible
      REMARQUE : Pour mieux démontrer l’effet de l’amélioration des performances de combustion, des grains de carburant à base de paraffine ayant la même composition ont été réglés que le contrôle.
      1. Placez le substrat ABS dans la centrifugeuse et fixez-le avec un bouchon d’extrémité.
      2. Branchez l’alimentation et allumez l’interrupteur de la pompe de refroidissement à l’eau.
      3. Allumez le relais de centrifugeuse et augmentez la vitesse à 1400 rpm.
      4. Ouvrez la vanne sur le mélangeur de fusion et commencez à moulage.
        REMARQUE : Le carburant fondu à base de paraffine s’écoule dans la section initiale du moule à travers le tuyau et le couvercle d’extrémité avec une ouverture centrale. Sous l’effet de la gravité, le carburant liquide se propage le long de la direction axiaale du moule. Combinée à un refroidissement efficace, une méthode à coulée multiple, qui consiste à diviser le processus de remplissage unique d’origine en plusieurs fois, est nécessaire pour réduire le stress thermique.
      5. Retirer le grain de carburant et couper la forme.
    4. Mesure et enregistrement du grain de carburant
      1. Mesurez et enregistrez le poids, la longueur et le diamètre intérieur du grain de carburant.
      2. Photographiez le grain de carburant complet.
  2. Préparation du système hybride de moteur de fusée
    REMARQUE : Comme le montre la figure 5,le système hybride des moteurs-fusées se composait de quatre parties : le système d’alimentation, le système d’allumage, le moteur et le système de mesure et de contrôle. La partie du moteur comprenait cinq parties : l’allumeur de torche, la tête, la chambre de combustion, la chambre de postcombustion et la buse. La longueur totale du moteur-fusée hybride est d’environ 300 mm, et le diamètre intérieur de la chambre de combustion est de 70 mm.
    1. Assemblage hybride de moteur de fusée
      REMARQUE : Les détails exhaustifs de la fusée hybride à l’échelle du laboratoire et de la composition du système expérimental se trouvent dans l’articleprécédent 32.
      1. Fixez la section de chambre de combustion du moteur-fusée hybride sur le rail de glissière.
      2. Chargez le grain de carburant et installez la section de la chambre après combustion.
      3. Installez la tête et la buse.
      4. Installez l’allumeur de torche sur la tête du moteur-fusée hybride.
      5. Installez la bougie d’allumage et connectez l’alimentation électrique.
    2. Connectez les lignes d’approvisionnement en azote, oxydant, méthane d’allumage et gaz d’oxygène d’allumage entre le banc d’essai et la bouteille de gaz.
    3. Connectez l’ordinateur industriel, la carte d’acquisition de données multifoncière, le contrôleur de flux de masse et la boîte de commande du banc d’essai.
    4. Puissance sur le banc d’essai, le contrôleur de flux de masse et l’allumeur.
  3. Vérifiez le système d’essai et définissez les conditions expérimentales.
    1. Ouvrez le logiciel FlowDDE et cliquez sur Paramètres de communication à partir de la communication.
    2. Cliquez sur l’interface de connexion correspondante et cliquez sur OK.
    3. Cliquez sur Communication ouverte pour établir la communication avec le contrôleur de débit et ouvrir le programme de mesure et de contrôle (MCP).
    4. Définissez le canal I/O de la carte d’acquisition de données multifonfonnelle et cliquez sur Exécuter pour établir la communication avec l’ensemble du système.
    5. Vérifiez l’état d’exécution mcp et définissez le mode de commande manuelle.
      REMARQUE : Le MCP comprend deux modes : le contrôle manuel est utilisé pour le débogage et le contrôle automatique est utilisé pendant les expériences. Le MCP écrit par LabVIEW est montré dans la figure 6.
    6. Vérifiez l’état de fonctionnement de la bougie d’allumage et effectuez un test de vanne.
    7. Testez la fonction d’enregistrement de données.
    8. Ouvrez l’interface de réglage et définissez l’heure de test, y compris l’heure d’ouverture et de fermeture de la vanne, le temps d’allumage et la durée de l’enregistrement des données.
      REMARQUE : Il faut un certain temps pour que le contrôleur de débit de masse régule le débit oxydant à la valeur définie, de sorte que le temps d’allumage a été réglé à 2 s après l’approvisionnement en oxydant.
    9. Établir les exigences de sécurité et dégager le personnel de la zone expérimentale.
    10. Ouvrez la vanne du cylindre et ajustez la pression de sortie de la vanne régulatrice en fonction des différentes conditions de débit de masse.
      REMARQUE : Avec la pression d’approvisionnement de 6MPa, la plage de débit de masse de l’oxydant se situe entre 7 g/s et 29 g/s.
    11. Ouvrez l’interface de réglage et réglez le débit de masse oxydant.
  4. Allumage du moteur de fusée hybride
    1. Allumez la caméra.
    2. Réglez le MCP en mode de commande automatique et attendez la gâchette.
    3. Cliquez sur Démarrer sur le MCP pour démarrer l’expérience.
    4. Après environ une minute, cliquez sur Arrêtez-vous sur le MCP et éteignez la caméra.
    5. Fermez la bouteille de gaz et ouvrez la vanne dans le pipeline pour soulager la pression.
    6. Éteindre le banc d’essai et retirer le grain de carburant.
    7. Répétez l’étape 1.1.4.

2. Analyse des performances de combustion

  1. Analyse de l’oscillation de pression
    REMARQUE : Les données de pression de chambre de combustion enregistrées sont représentées sous le nom de Pc(t).
    1. Ouvrez Pc(t) avec le logiciel de traitement des données.
    2. Choisissez la période pendant le processus de combustion du moteur-fusée hybride.
    3. Sélectionnez Analyse > Traitement du signal > FFT pour analyser l’oscillation de pression.
    4. Utilisez les paramètres par défaut et cliquez sur OK.
  2. Analyse du taux de régression
    1. Calculez le taux de régression du grain de carburant selon la fonction suivante :
      figure-protocol-9802
      où ΔD représente le changement des diamètres intérieurs moyens du grain à combustible solide après l’essai de cuisson; figure-protocol-10003 représentent le changement de qualité du grain de carburant; L est la longueur du grain de carburant; c’est la densité moyenne du combustible solide; t est le temps de travail.
      REMARQUE : La densité moyenne du grain nouveau a été exprimée comme :
      figure-protocol-10360
      où figure-protocol-10436 et représenter la densité du combustible figure-protocol-10545 imbriqué à base de paraffine et du matériel ABS, respectivement; et représenter la fraction de masse du figure-protocol-10717 combustible imbriqué à base de paraffine et du matériel figure-protocol-10841 ABS, respectivement.
    2. Adapter le taux de régression en fonction du flux oxydant.
      REMARQUE : La fonction de montage a été sélectionnée comme Allometric1 figure-protocol-11074 , et l’algorithme itératif a été choisi comme algorithme d’optimisation Levenberg-Marquardt.
  3. Analyse de l’efficacité de la combustion
    1. Calculer la pression moyenne de la chambre de combustion Pc par la fonction suivante :
      figure-protocol-11419
      où Pc(t) représente la pression de la chambre de combustion à différents moments; t1 et t n représentent les heures initiales et finales auxquelles la pression de la chambre de combustion était supérieure à 50 % de la pression moyenne, respectivement; n représente le nombre de points de données de pression entre et t1 et tn.
    2. Calculez la vitesse caractéristique de combustion C⃰ en fonction de la fonction suivante :
      figure-protocol-12054
      où pc est la pression moyenne de chambre de combustion ; Unt est la zone de gorge ; ḿ est le débit de masse total.
    3. Calculez la vitesse caractéristique théorique du carburant paraffine C⃰P par le codeCEA 33 de laNASA.

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Résultats

La figure 7 montre les changements dans la pression de la chambre de combustion et le débit de masse oxydant. Pour fournir le temps nécessaire à la régulation du débit, l’oxydant entre à l’avance dans la chambre de combustion. Lorsque le moteur augmente la pression dans la chambre de combustion, le débit de masse d’oxygène diminue rapidement, puis maintient un changement relativement régulier. Pendant le processus de combustion, la pression dans la chambre de combustion reste ...

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Discussion

La technique présentée dans cet article est une nouvelle approche utilisant un grain de carburant avec une structure hélitique imbriquée. Il n’y a aucune difficulté à mettre en place l’équipement et les installations nécessaires. La structure hélicoïque peut être facilement produite par impression 3D, et la nidification des carburants à base de paraffine peut être facilement effectuée par coulée centrifuge. Les imprimantes 3D de moulage de dépôt fondu (FDM) ne sont pas chères et le coût des centrif...

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Déclarations de divulgation

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

Ces travaux ont été soutenus par la National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 11802315, 11872368 et 11927803) et la Equipment Pre-Research Foundation of National Defense Key Laboratory (Subvention no 6142701190402).

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matériels

NameCompanyCatalog NumberComments
3D printerRaise3DN2 Plus305 × 305 × 605 mm
3D drawing softwareAutodeskInventor
ABSRaise3DABS black1.75 mm
CameraSonyA6000
CarbonAibeisiATP-88AT
Centrifugal machineLuqiao Langbo Motor Co.LtdCustom≤1450 rpm
Data processing softwareOriginLabOrigin 2020
EVADuPont Company360binder
Mass flow controllerBronkhostF-203AV0-1500 ln/min
Melt mixerWinzhou Chengyi Jixie Co.LtdCustom
Multi-function data acquisition cardNIUSB-6211
ParaffinSinopec Group Company58#Fully refined paraffin, Melting point≈58°C
PE waxQatar petroleum chemical industry CompanyCustom
Slicing softwareRaise3DideaMaker
Spark plugNGKPFR7S8EG
Stearic acidical Reagent CompanyCustomhardener

Références

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