Name: improving the combustion performance of a hybrid rocket engine using a novel fuel grain with a nested helical structure
Uploaded: 2021-01-18T12:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Improving the Combustion Performance of a Hybrid Rocket Engine using a Novel Fuel Grain with a Nested Helical Structure at JoVE.com

Dit werk werd ondersteund door de National Natural Science Foundation of China (Grant No. 11802315, 11872368 en 11927803) en Equipment Pre-Research Foundation of National Defense Key Laboratory (Grant No. 614270190402).

1. Experimentele opzet en procedures
<ol><li>Bereiding van brandstofkorrel LET OP: De brandstofkorrel met nieuwe structuur bestond uit twee delen, die in Figuur 4worden getoond. Als het grootste deel van de nieuwe korrel, de paraffine-gebaseerde brandstof is goed voor meer dan 80% van de totale massa. Het ABS substraat wordt gebruikt als extra brandstof. De voorbereiding van deze brandstofkorrel werd gerealiseerd door het combineren van 3D-printen en centrifugaalgieten.<ol>
<li>Substraa...

<ol>
	<li>Boiron, A. J., Cantwell, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> 49th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. , (2013).</li><li>Mazzetti, A., Merotto, L., Pinarello, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Paraffin-based+hybrid+rocket+engines+applications:+A+review+and+a+market+perspective.">Paraffin-based hybrid rocket engines applications: A review and a market perspective.</a> Acta Astronautica. 126, 286-297 (2016).</li><li>Karabeyoglu, A., Zilliac, G., Cantwell, B. J., DeZilwa, S., Castellucci, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Scale-Up+Tests+of+High+Regression+Rate+Paraffin-Based+Hybrid+Rocket+Fuels.">Scale-Up Tests of High Regression Rate Paraffin-Based Hybrid Rocket Fuels.</a> Journal of Propulsion and Power. 20 (6), 1037-1045 (2004).</li><li>Jens, E. T., Narsai, P., Cantwell, B., Hubbard, G. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> 50th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. , (2014).</li><li>Kuo, K. K., Chiaverini, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Fundamentals of Hybrid Rocket Combustion and Propulsion. , (2007).</li><li>Boardman, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> 33rd Joint Propulsion Conference and Exhibit. , (1997).</li><li>Connell, T. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Enhancement+of+Solid+Fuel+Combustion+in+a+Hybrid+Rocket+Motor+Using+Amorphous+Ti-Al-B+Nanopowder+Additives.">Enhancement of Solid Fuel Combustion in a Hybrid Rocket Motor Using Amorphous Ti-Al-B Nanopowder Additives.</a> Journal of Propulsion and Power. 35 (3), 662-665 (2019).</li><li>Veale, K., Adali, S., Pitot, J., Brooks, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+review+of+the+performance+and+structural+considerations+of+paraffin+wax+hybrid+rocket+fuels+with+additives.">A review of the performance and structural considerations of paraffin wax hybrid rocket fuels with additives.</a> Acta Astronautica. 141, 196-208 (2017).</li><li>Karakas, H., Kara, O., Ozkol, I., Karabeyoglu, A. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> AIAA Propulsion and Energy 2019 Forum. , (2019).</li><li>Di Martino, G. D., Mungiguerra, S., Carmicino, C., Savino, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Computational+fluid-dynamic+modeling+of+the+internal+ballistics+of+paraffin-fueled+hybrid+rocket.">Computational fluid-dynamic modeling of the internal ballistics of paraffin-fueled hybrid rocket.</a> Aerospace Science and Technology. 89, 431-444 (2019).</li><li>Leccese, G., Cavallini, E., Pizzarelli, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> AIAA Propulsion and Energy 2019 Forum. , (2019).</li><li>Cardoso, K. P., Ferr&#227;o, L. F. A., Kawachi, E. Y., Gomes, J. S., Nagamachi, M. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ballistic+Performance+of+Paraffin-Based+Solid+Fuels+Enhanced+by+Catalytic+Polymer+Degradation.">Ballistic Performance of Paraffin-Based Solid Fuels Enhanced by Catalytic Polymer Degradation.</a> Journal of Propulsion and Power. 35 (1), 115-124 (2019).</li><li>Paccagnella, E., Barato, F., Pavarin, D., Karabeyo&#287;lu, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Scaling+Parameters+of+Swirling+Oxidizer+Injection+in+Hybrid+Rocket+Motors.">Scaling Parameters of Swirling Oxidizer Injection in Hybrid Rocket Motors.</a> Journal of Propulsion and Power. 33 (6), 1378-1394 (2017).</li><li>Kumar, R., Ramakrishna, P. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+protrusion+on+the+enhancement+of+regression+rate.">Effect of protrusion on the enhancement of regression rate.</a> Aerospace Science and Technology. 39, 169-178 (2014).</li><li>Kumar, R., Ramakrishna, P. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Enhancement+of+Hybrid+Fuel+Regression+Rate+Using+a+Bluff+Body.">Enhancement of Hybrid Fuel Regression Rate Using a Bluff Body.</a> Journal of Propulsion and Power. 30 (4), 909-916 (2014).</li><li>Degges, M. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> 49th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. , (2013).</li><li>Connell, T., Young, G., Beckett, K., Gonzalez, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> AIAA Scitech 2019 Forum. , (2019).</li><li>Whitmore, S., Peterson, Z., Eilers, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> 47th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference &amp; Exhibit. , (2011).</li><li>Whitmore, S. A., Armstrong, I. W., Heiner, M. C., Martinez, C. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> 2018 Joint Propulsion Conference. , (2018).</li><li>Whitmore, S. A., Peterson, Z. W., Eilers, S. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Comparing+Hydroxyl+Terminated+Polybutadiene+and+Acrylonitrile+Butadiene+Styrene+as+Hybrid+Rocket+Fuels.">Comparing Hydroxyl Terminated Polybutadiene and Acrylonitrile Butadiene Styrene as Hybrid Rocket Fuels.</a> Journal of Propulsion and Power. 29 (3), 582-592 (2013).</li><li>Whitmore, S. A., Sobbi, M., Walker, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> 50th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. , (2014).</li><li>Whitmore, S. A., Walker, S. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Engineering+Model+for+Hybrid+Fuel+Regression+Rate+Amplification+Using+Helical+Ports.">Engineering Model for Hybrid Fuel Regression Rate Amplification Using Helical Ports.</a> Journal of Propulsion and Power. 33 (2), 398-407 (2017).</li><li>Creech, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> 53rd AIAA Aerospace Sciences Meeting. , (2015).</li><li>Lyne, J. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> 2018 Joint Propulsion Conference. , (2018).</li><li>Elliott, T. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> 52nd AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. , (2016).</li><li>Armold, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> 49th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. , (2013).</li><li>Armold, D. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> 50th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. , (2014).</li><li>Fuller, J., Ehrlich, D., Lu, P., Jansen, R., Hoffman, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> 47th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference &amp; Exhibit. , (2011).</li><li>Lee, C., Na, Y., Lee, J. W., Byun, Y. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+induced+swirl+flow+on+regression+rate+of+hybrid+rocket+fuel+by+helical+grain+configuration.">Effect of induced swirl flow on regression rate of hybrid rocket fuel by helical grain configuration.</a> Aerospace Science and Technology. 11 (1), 68-76 (2007).</li><li>Tian, H., Li, Y., Li, C., Sun, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Regression+rate+characteristics+of+hybrid+rocket+motor+with+helical+grain.">Regression rate characteristics of hybrid rocket motor with helical grain.</a> Aerospace Science and Technology. 68, 90-103 (2017).</li><li>Hitt, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> 2018 Joint Propulsion Conference. , (2018).</li><li>Wang, Z., Lin, X., Li, F., Yu, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Combustion+performance+of+a+novel+hybrid+rocket+fuel+grain+with+a+nested+helical+structure.">Combustion performance of a novel hybrid rocket fuel grain with a nested helical structure.</a> Aerospace Science and Technology. 97, (2020).</li><li>McBride, J. B., Gordon, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Computer Program for Calculation of Complex Chemical Equilibrium Compositions and APPlications. , (1996).</li><li>De Zilwa, S., Zilliac, G., Karabeyoglu, A., Reinath, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> 39th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit. , (2003).</li><li>Franco, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Regression+Rate+Design+Tailoring+Through+Vortex+Injection+in+Hybrid+Rocket+Motors.">Regression Rate Design Tailoring Through Vortex Injection in Hybrid Rocket Motors.</a> Journal of Spacecraft and Rockets. 57 (2), 278-290 (2020).</li></ol>

De techniek die in dit document wordt voorgesteld is een nieuwe benadering gebruikend een brandstofkorrel met een geneste spiraalvormige structuur. Er zijn geen problemen bij het opzetten van de benodigde apparatuur en faciliteiten. De spiraalvormige structuur kan gemakkelijk worden geproduceerd door 3D-printen, en nesten van paraffine-gebaseerde brandstoffen kunnen gemakkelijk worden uitgevoerd door centrifugaalgieten. Gesmolten depositie molding (FDM) 3D-printers zijn niet duur en de kosten van centrifuges is laag....

Een techniek om de verbrandingsprestaties van een hybride raketmotor te verbeteren is dringend vereist. Tot op heden zijn de praktische toepassingen van hybride raketmotoren nog steeds veel minder dan die van vaste en vloeibare raketmotoren1,2. De lage regressiesnelheid van traditionele brandstoffen beperkt de verbetering van de stuwkrachtprestaties voor de hybride raketmotor3,4. Bovendien is de verbrandingsefficiëntie iets lager dan die van andere chemische energieraketten als gevolg van interne diffusieverbranding5, zoals blijkt uit figuur 1. Hoewel verschillende technieken zijn bestudeerd en ontwikkeld, zoals het gebruik van multi-ports6, het verbeteren van additieven7,8,9, vloeibaar maken van brandstof10,11,12, swirl injectie13, uitsteeksels14, en bluf lichaam15, worden deze benaderingen geassocieerd met problemen in volumegebruik, verbrandingsefficiëntie, mechanische prestaties en redundantie kwaliteit. Tot nu toe heeft de structurele verbetering van het brandstofgraan, dat deze tekortkomingen niet vertoont , meer aandacht getrokken als een doeltreffend middel om de verbrandingsprestaties te verbeteren16,17. De komst van driedimensionaal (3D) printen heeft brough een effectieve manier om de prestaties van hybride raketmotoren te verhogen door de mogelijkheid om snel en goedkoop complexe conventionele graanontwerpen of niet-conventionele brandstofkorrels18,19,20,21,22,23, 24,25,26,27,28,29,30te produceren . Tijdens het verbrandingsproces verminderen deze verbeteringen in de verbrandingsprestaties echter met de karakteristieke structuurverbranding , wat resulteert in een daling van de verbrandingsprestaties23. We hebben aangetoond dat een nieuw ontwerp nuttig is bij het verbeteren van de prestaties van hybride raketmotoren31. De details voor deze techniek en representatieve resultaten worden in dit document gepresenteerd.
De brandstofkorrel bestaat uit een spiraalvormig substraat gemaakt door acrylonitril-butadieen-styreen (ABS) en een geneste paraffinebrandstof. Op basis van centrifugaal en 3D-printen werden de voordelen van de twee brandstoffen met verschillende regressiepercentages gecombineerd. De speciale spiraalvormige structuur van het brandstofkorrel na verbranding wordt weergegeven in figuur 2. Wanneer gas door de brandstofkorrel gaat, worden er tegelijkertijd talrijke recirculatiezones gecreëerd bij groeven tussen bladen, wat wordt weergegeven in figuur 3. Deze karakteristieke structuur op het binnenoppervlak verhoogt de turbulentie kinetische energie en werveling nummer in de verbrandingskamer, die de uitwisseling van zowel materie en energie in de verbrandingskamer te verhogen. Uiteindelijk wordt de regressiesnelheid van de nieuwe brandstofkorrel effectief verbeterd. Het effect van de verbetering van het regressiepercentage is goed bewezen: met name de regressiesnelheid van de nieuwe brandstofkorrel bleek 20% hoger te zijn dan dat van de op paraffine gebaseerde brandstof bij de massastroom van 4 g/s·cm2,32.
Een voordeel van de brandstofkorrel met een geneste spiraalvormige structuur is dat het eenvoudig te vervaardigen is. Het gietproces vereist voornamelijk een smeltmixer, een centrifuge en een 3D-printer. Het ABS-substraat gevormd door 3D-printen verlaagt de productiekosten sterk. Een ander belangrijk en uniek voordeel is dat het verbeteringseffect niet verdwijnt tijdens het verbrandingsproces.
Dit document presenteert het experimentele systeem en de procedure voor het verbeteren van de verbrandingsprestaties van een hybride raketmotor met behulp van de nieuwe brandstofkorrelstructuur. Daarnaast bevat dit document drie representatieve vergelijkingen van verbrandingsprestatieparameters om de haalbaarheid van de techniek aan te tonen, waaronder oscillatiefrequentie van de druk van de verbrandingskamer, regressiesnelheid en verbrandingsefficiëntie die wordt gekenmerkt door karakteristieke snelheid.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>3D printer</td>
			<td>Raise3D</td>
			<td>N2 Plus</td>
			<td>305 &#215; 305 &#215; 605 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3D drawing software</td>
			<td>Autodesk</td>
			<td>Inventor</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ABS</td>
			<td>Raise3D</td>
			<td>ABS black</td>
			<td>1.75 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Camera</td>
			<td>Sony</td>
			<td>A6000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Carbon</td>
			<td>Aibeisi</td>
			<td>ATP-88AT</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Centrifugal machine</td>
			<td>Luqiao Langbo Motor Co.Ltd</td>
			<td>Custom</td>
			<td>&#8804;1450 rpm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Data processing software</td>
			<td>OriginLab</td>
			<td>Origin 2020</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EVA</td>
			<td>DuPont Company</td>
			<td>360</td>
			<td>binder</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mass flow controller</td>
			<td>Bronkhost</td>
			<td>F-203AV</td>
			<td>0-1500 ln/min</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Melt mixer</td>
			<td>Winzhou Chengyi Jixie Co.Ltd</td>
			<td>Custom</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Multi-function data acquisition card</td>
			<td>NI</td>
			<td>USB-6211</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Paraffin</td>
			<td>Sinopec Group Company</td>
			<td>58#</td>
			<td>Fully refined paraffin, Melting point&#8776;58&#8451;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PE wax</td>
			<td>Qatar petroleum chemical industry Company</td>
			<td>Custom</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Slicing software</td>
			<td>Raise3D</td>
			<td>ideaMaker</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Spark plug</td>
			<td>NGK</td>
			<td>PFR7S8EG</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stearic acid</td>
			<td>ical Reagent Company</td>
			<td>Custom</td>
			<td>hardener</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

improving the combustion performance of a hybrid rocket engine using a novel fuel grain with a nested helical structure

Een techniek om de verbrandingsprestaties van een hybride raketmotor te verbeteren met behulp van een nieuwe brandstofkorrelstructuur wordt gepresenteerd. Deze techniek maakt gebruik van de verschillende regressie tarieven van acrylonitril butadieen styreen en paraffine-gebaseerde brandstoffen, die de uitwisseling van zowel materie en energie te verhogen door swirl flow en recirculatie zones gevormd op de groeven tussen de aangrenzende schensten. De centrifugaal giettechniek wordt gebruikt om de op paraffine gebaseerde brandstof in een acrylonitril butadieen styreensubstraat te gieten gemaakt door driedimensionaal printen. Met behulp van zuurstof als oxidatiemiddel, een reeks tests werden uitgevoerd om de verbranding prestaties van de nieuwe brandstofkorrel te onderzoeken. In vergelijking met paraffinegebaseerde brandstofkorrels vertoonde de brandstofkorrel met een geneste spiraalvormige structuur, die gedurende het gehele verbrandingsproces kan worden gehandhaafd, een aanzienlijke verbetering van het regressiepercentage en een groot potentieel voor verbetering van de verbrandingsefficiëntie.

Figuur 7 toont de veranderingen in de druk van de verbrandingskamer en de massastroom van oxidatiemiddelen. Om de benodigde tijd voor stroomregeling te bieden, komt de oxidatiemiddel op voorhand de verbrandingskamer binnen. Wanneer de motor druk opbouwt in de verbrandingskamer, daalt de zuurstofmassastroom snel en behoudt vervolgens een relatief gestage verandering. Tijdens het verbrandingsproces blijft de druk in de verbrandingskamer relatief stabiel.
Beelden met...

Watch this Scientific Journal Video about Improving the Combustion Performance of a Hybrid Rocket Engine using a Novel Fuel Grain with a Nested Helical Structure at JoVE.com

Improving the Combustion Performance of a Hybrid Rocket Engine using a Novel Fuel Grain with a Nested Helical Structure

Een techniek die gebruik maakt van een vaste brandstofkorrel met een nieuwe geneste spiraalvormige structuur om de verbrandingsprestaties van een hybride raketmotor te verbeteren, wordt gepresenteerd.

Verbetering van de verbrandingsprestaties van een hybride raketmotor met behulp van een nieuwe brandstofkorrel met een geneste spiraalvormige structuur

A technique to improve the combustion performance of a hybrid rocket engine using a novel fuel grain structure is presented. This technique utilizes the ...

Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van de vraag hoe de verbrandingsprestaties van granen te verbeteren. De belangrijkste voordelen van dit protocol is dat de spiraalvormige structuur brandstofkorrels niet zal verdwijnen met het verbrandingsproces. Deze methode kan ook worden toegepast op graanformule met verschillende materiaalcompilasaties zoals EBS en PUX.Begin met het bereiden van de acrylonitril butadieen styreen, of ABS substraat, met behulp van 3D-software. Sla de 3D-substraatstructuur op als een STL-bestand. Open vervolgens de 3D-snijsoftware en importeer de structuur.Klik op beginnen met snijden en selecteer de snelheidsafdrukmodus in de hoofdsjabloon. Dubbelklik op snelheid. Verander vervolgens de infilldichtheid in 100% en selecteer vlot met rok voor de platformeditie.Klik op Opslaan en sluiten en klik vervolgens op segment. Schakel de 3D-printer in en importeer het slicebestand van het ABS-substraat. Stel de temperatuur van het verwarmde bed en het mondstuk in op respectievelijk 100 en 240 graden Celsius.Klik op start om af te drukken na stabilisatie. Om een succesvolle afdruk te garanderen, breng je vaste lijm op de hete plaat aan om de hechting tussen het ABS-substraat en de kookplaat te vergroten. Bereid voor een paraffinegebaseerde brandstofvoorbereiding grondstoffen voor van paraffine, polyethyleenwas, sterzuur, ethyleenvincaracetaat en koolstofpoeder.Configureer de brandstof op basis van paraffine op basis van manuscriptaanwijzingen en plaats de geconfigureerde materialen in de smeltmixer. Dan smelten en roer ze tot volledig gemengd. Plaats het ABS-substraat in de centrifuge en bevestig het met een einddop.Sluit het poeder aan en zet de schakelaar van de waterkoelpomp aan. Zet vervolgens het centrifugerelais aan en verhoog de snelheid naar 1,400 RPM. Open de klep op de smeltmixer en begin met gieten.Verwijder de brandstofkorrel en snijd de vorm bij. Meet en neem het gewicht, de lengte en de binnendiameter van de volledige brandstofkorrel op en fotografeer het. Om de hybride raketmotor te monteren, bevestigt u de verbrandingskamersectie op de schuifrail, laadt u de brandstofkorrel en installeert u het gedeelte na de verbrandingskamer.Installeer het hoofd en mondstuk. Installeer vervolgens de fakkelontsteker op het hoofd van de hybride raketmotor. Installeer de bougie en sluit de voeding aan.Sluit de stikstof-, oxidatiemiddelen, ontstekingsmethaan en zuurstofgastoevoerleidingen aan tussen de testbank en de gasfles. Sluit de industriële computer, de multifunctionele data-acquisitiekaart, de massastroomcontroller en de controlekast van de testbank aan. Kracht op de testbank, de massastroomcontroller en de ontsteker.Open de FlowDDE-software en klik op communicatie-instellingen. Klik op de bijbehorende verbindingsinterface en klik op oke. Klik op open communicatie om de communicatie met de stroomregelaar tot stand te brengen.Open vervolgens het meet- en regelprogramma of MCP. Stel het invoer- en uitvoerkanaal van de multifunctionele gegevensacquisitiekaart in en klik op run om de communicatie met het hele systeem tot stand te brengen. Controleer de status van de MCP-run en stel deze in op de handmatige besturingselementmodus.Controleer de werktoestand van de bougie en voer een kleptest uit. Test de functie voor het opnemen van gegevens. Open vervolgens de instellingsinterface en stel de testtijd in, inclusief klepopenings- en sluitingstijd, ontstekingstijd en duur van het registreren van gegevens.Stel veiligheidseisen vast en maak het personeel uit het experimentele gebied vrij. Open de cilinderklep en pas de uitgangsdruk van de regelklep aan op basis van de verschillende omstandigheden in de massastroomsnelheid. Open de instellingsinterface en stel de massastroomsnelheid van de oxidatiemiddel in.Schakel de camera in, stel de MCP in op de automatische besturingsmodus en wacht op trigger. Klik op start op de MCP om het experiment te starten. Na ongeveer een minuut klikt u op Stoppen en schakelt u de camera uit.Sluit de gasfles en open de klep in de leiding om de druk te verlichten. Schakel de testbank uit en verwijder de brandstofkorrel. Meet en fotografeer de brandstofkorrel zoals eerder aangetoond.Veranderingen in de druk van de verbrandingskamer en de massastroom van oxidatiemiddelen worden hier weergegeven. Om de benodigde tijd voor stroomregeling te bieden, komt de oxidatiemiddel op voorhand de verbrandingskamer binnen. Wanneer de motor druk opbouwt in de verbrandingskamer, daalt de zuurstofmassastroom snel en behoudt vervolgens een relatief gestage verandering.Tijdens het verbrandingsproces blijft de druk in de verbrandingskamer stabiel. Een vergelijking van de drukfrequentie van de verbrandingskamer wordt hier voorgesteld. Het drukfluctuatiespectrum van de nieuwe brandstofkorrel bevatte drie verschillende pieken die werden geassocieerd met de hybride laagfrequente, Helmholtz-modus en de akoestische halve golf in de verbrandingskamer.De posities van de drukpieken van de nieuwe brandstofkorrel waren in principe hetzelfde als die van de op paraffine gebaseerde brandstoffen, wat aangeeft dat de nieuwe structuur waarschijnlijk geen extra verbrandingsschommelingen zal introduceren. Regressie snelheid als een functie van oxidatief flux werd vergeleken tussen de brandstofkorrels. Bij dezelfde oxidatiemiddel massastroomsnelheid, de regressie snelheid van de nieuwe brandstofkorrel was hoger dan die van de paraffine-gebaseerde brandstof en de kloof geleidelijk groter naarmate de oxidatie flux toegenomen.Karakteristieke snelheid werd gebruikt om de verbrandingsefficiëntie te vergelijken. De nieuwe brandstofkorrel stelde een hogere kenmerkende snelheid tentoon dan paraffine-gebaseerde korrels bij diverse oxidizer en brandstofverhoudingen. Dit komt overeen met een gemiddelde toename van de verbrandingsefficiëntie van ongeveer 2%Bij het proberen van dit protocol, bedenk dan dat de giettemperatuur van paraffine-gebaseerde brandstof niet hoger kan zijn dan 120 graden Celsius.

Research

JoVE Journal

Engineering

Probing and Mapping Electrode Surfaces in Solid Oxide Fuel Cells

Indringende en in kaart brengen van elektrode-oppervlakken in Solid Oxide Fuel Cells

Solid oxide fuel cells (SOFCs) are potentially the most efficient and cost-effective solution to utilization of a wide variety of fuels beyond hydrogen ...

Flame Experiments at the Advanced Light Source: New Insights into Soot Formation Processes

Flame Experimenten bij de Advanced Light Source: nieuwe inzichten in roetvorming Processen

The following experimental protocols and the accompanying video are concerned with the flame experiments that are performed at the Chemical Dynamics ...

Preparation and Evaluation of Hybrid Composites of Chemical Fuel and Multi-walled Carbon Nanotubes in the Study of Thermopower Waves

Voorbereiding en evaluatie van Hybrid Composites van chemische Brandstof en multi-walled koolstof nanobuisjes in de studie van thermokracht Waves

When a chemical fuel at a certain position in a hybrid composite of the fuel and a micro/nanostructured material is ignited, chemical combustion occurs ...

Detection and Recovery of Palladium, Gold and Cobalt Metals from the Urban Mine Using Novel Sensors/Adsorbents Designated with Nanoscale Wagon-wheel-shaped Pores

Detectie en herstel van Palladium, Goud en Cobalt metalen uit de Urban Mine via innovatieve sensoren / Adsorbentia Aangewezen met nanoschaal Wagon-wheel-vormige poriën

Developing low-cost, efficient processes for recovering and recycling palladium, gold and cobalt metals from urban mine remains a significant challenge in ...

Advanced Experimental Methods for Low-temperature Magnetotransport Measurement of Novel Materials

Geavanceerde experimentele methoden voor lage-temperatuur magnetotransport Meting van nieuwe materialen

Novel electronic materials are often produced for the first time by synthesis processes that yield bulk crystals (in contrast to single crystal thin film ...

Combustion Characterization and Model Fuel Development for Micro-tubular Flame-assisted Fuel Cells

Verbranding Karakterisatie en Model Fuel Development voor Micro-buis-Flame bijgestaan ​​Fuel Cells

Combustion based power generation has been accomplished for many years through a number of heat engine systems. Recently, a move towards small scale power ...

Detecting the Water-soluble Chloride Distribution of Cement Paste in a High-precision Way

Opsporen van de in water oplosbare chloriden verdeling van Cement plakken in een High-precision manier

To improve the accuracy of the chloride distribution along the depth of cement paste under cyclic wet-dry conditions, a new method is proposed to obtain a ...

Infrared Degenerate Four-wave Mixing with Upconversion Detection for Quantitative Gas Sensing

Infrarood gedegenereerde vier-Golf mengen met Upconversion detectie voor kwantitatieve Gas detectie

We present a protocol for performing gas spectroscopy using infrared degenerated four-wave mixing (IR-DFWM), for the quantitative detection of gas species ...

A Polymer-based Piezoelectric Vibration Energy Harvester with a 3D Meshed-Core Structure

Een polymeer gebaseerde piëzo-elektrische trillingen energie aardappelrooier met een 3D-structuur van de Meshed-Core

In this study, we fabricated a flexible 3D mesh structure with periodic voids by using a 3D lithography method and applying it to a vibration energy ...

A Rapid Method for Modeling a Variable Cycle Engine

Een snelle methode voor het modelleren van een variabele cyclus motor

The variable cycle engines (VCE) that combine the advantages of turbofan and turbojet engines, are widely considered to be the next generation aircraft ...