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

Dette arbeidet ble støttet av National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 11802315, 11872368 og 11927803) og Equipment Pre-Research Foundation of National Defense Key Laboratory (Grant No. 6142701190402).

1. Eksperimentell oppsett og prosedyrer
<ol><li>Tilberedning av drivstoffkorn MERK: Drivstoffkornet med ny struktur besto av to deler, som er vist i figur 4. Som hoveddelen av romanen korn, parafin-baserte drivstoff står for mer enn 80% av den totale massen. ABS-underlaget brukes som ekstra drivstoff. Utarbeidelsen av dette drivstoffkornet ble realisert ved å kombinere 3D-utskrift og sentrifugalstøping.<ol>
<li>Forberedelse av substrat<ol>
<li>Åpen 3D-programvare for ABS substrat te...

<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>

Teknikken som presenteres i dette papiret er en ny tilnærming ved hjelp av et drivstoffkorn med en nestet spiralformet struktur. Det er ingen problemer med å sette opp nødvendig utstyr og fasiliteter. Den spiralformede strukturen kan enkelt produseres ved 3D-utskrift, og hekking av parafinbaserte drivstoff kan enkelt utføres ved sentrifugalstøping. Smeltet avsetning molding (FDM) 3D-skrivere er ikke dyrt og kostnaden for sentrifuger er lav.
Når den indre overflaten av det formede drivsto...

En teknikk for å forbedre forbrenningsytelsen til en hybrid rakettmotor er sterkt nødvendig. Til dags dato er praktiske anvendelser av hybridrakettmotorer fortsatt langt mindre enn de av faste og flytende rakettmotorer1,2. Den lave regresjonshastigheten av tradisjonelle drivstoff begrenser forbedringen av skyvekraftytelsen for hybridrakettmotor 3,4. I tillegg er forbrenningseffektiviteten litt lavere enn for andre kjemiske energiraketter på grunn av forbrenning av forbrenningav forbrenning 5, som vist i figur 1. Selv om ulike teknikker har blitt studert og utviklet, for eksempel bruk av multi-porter6, styrke tilsetningsstoffer7,8,9, flytende drivstoff10,11,12, virvel injeksjon13, fremspring14, og bløff kroppen15, disse tilnærmingene er forbundet med problemer i volumutnyttelse, forbrenning effektivitet, mekanisk ytelse, og redundans kvalitet. Så langt har strukturell forbedring av drivstoffkornet, som ikke har disse manglene, tiltrukket seg mer oppmerksomhet som et effektivt middel for å forbedre forbrenningsytelsen16,17. Bruk av tredimensjonal (3D) utskrift har brough en effektiv måte å øke ytelsen til hybrid rakettmotorer gjennom evnen til å raskt og billig produsere enten komplekse konvensjonelle korn design eller ikke-overbevisende drivstoff korn18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30. Men under forbrenningsprosessen reduseres disse forbedringene i forbrenningsytelsen med den karakteristiske strukturbrenningen, noe som resulterer i en reduksjon i forbrenningsytelse23. Vi har vist at en ny design er nyttig for å forbedre ytelsen til hybrid rakettmotorer31. Detaljene for denne teknikken og representative resultater presenteres i denne artikkelen.
Drivstoffkornet består av et spiralalt substrat laget av akrylnitril-butadien-styren (ABS) og et nestet parafinbasert drivstoff. Basert på sentrifugal- og 3D-utskrift ble fordelene med de to drivstoffene med forskjellige regresjonshastigheter kombinert. Den spesielle spiralformede strukturen til drivstoffkornet etter forbrenning er vist i figur 2. Når gass passerer gjennom drivstoffkornet, opprettes det samtidig mange resirkuleringssoner ved spor mellom bladene, som er vist i figur 3. Denne karakteristiske strukturen på den indre overflaten øker turbulens kinetisk energi og virvel nummer i forbrenningskammeret, noe som øker utvekslingen av både materie og energi i forbrenningskammeret. Til syvende og sist er regresjonshastigheten til det nye drivstoffkornet effektivt forbedret. Effekten av å forbedre regresjonsraten har blitt godt bevist: spesielt ble regresjonshastigheten til det nye drivstoffkornet vist å være 20% høyere enn det parafinbaserte drivstoffet ved massestrømmen på 4 g / s · cm2,32.
En fordel med drivstoffkornet med en nestet spiralformet struktur er at det er enkelt å produsere. Støpeprosessen krever hovedsakelig en smeltemikser, en sentrifuge og en 3D-skriver. ABS-substratet dannet av 3D-utskrift reduserer produksjonskostnadene betydelig. En annen betydelig og unik fordel er at forbedringseffekten ikke forsvinner under forbrenningsprosessen.
Dette papiret presenterer det eksperimentelle systemet og prosedyren for å forbedre forbrenningsytelsen til en hybrid rakettmotor ved hjelp av den nye drivstoffkornstrukturen. I tillegg presenterer dette papiret tre representative sammenligninger av forbrenningsytelsesparametere for å bevise teknikkens gjennomførbarhet, inkludert svingningsfrekvens for forbrenningskammertrykk, regresjonshastighet og forbrenningseffektivitet preget av karakteristisk hastighet.

<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

En teknikk for å forbedre forbrenningsytelsen til en hybrid rakettmotor ved hjelp av en ny drivstoffkornstruktur presenteres. Denne teknikken benytter de forskjellige regresjonshastighetene av akrylnitril butadien styren og parafinbaserte drivstoff, noe som øker utvekslingene av både materie og energi ved virvelstrømnings- og resirkuleringssoner dannet ved sporene mellom de tilstøtende svinlene. Sentrifugalstøpeteknikken brukes til å kaste det parafinbaserte drivstoffet inn i et akrylnitril butadienstyrnesubstrat laget av tredimensjonal utskrift. Ved hjelp av oksygen som oksidasjonsmiddel ble det utført en rekke tester for å undersøke forbrenningsytelsen til det nye drivstoffkornet. Sammenlignet med parafinbaserte drivstoffkorn viste drivstoffkornet med en nestet spiralstruktur, som kan opprettholdes gjennom forbrenningsprosessen, betydelig forbedring i regresjonshastigheten og stort potensial for forbedring av forbrenningseffektivitet.

Figur 7 viser endringene i forbrenningskammertrykk og oksidasjonsmiddelmassestrømningshastighet. For å gi nødvendig tid for strømningsregulering, kommer oksidatoren inn i forbrenningskammeret på forhånd. Når motoren bygger trykk i forbrenningskammeret, faller oksygenmassestrømningshastigheten raskt og opprettholder deretter en relativt jevn endring. Under forbrenningsprosessen forblir trykket i forbrenningskammeret relativt stabilt.
Bilder som viser en sam...

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

En teknikk som benytter et fast brensel korn med en ny nestet spiralformet struktur for å forbedre forbrenningsytelsen til en hybrid rakettmotor presenteres.

Forbedre forbrenningsytelsen til en hybrid rakettmotor ved hjelp av et nytt drivstoffkorn med en nestet spiralformet struktur

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

Denne metoden kan bidra til å svare på spørsmålet om hvordan du kan forbedre forbrenningsytelsen til korn. De viktigste fordelene med denne protokollen er at den spiralformede strukturen drivstoffkorn ikke vil forsvinne med forbrenningsprosessen. Denne metoden kan også brukes på kornformel med forskjellige materialsamlinger som EBS og PUX.Begynn med å forberede akrylnitril butadien styren, eller ABS substrat, ved hjelp av 3D-programvare. Lagre 3D-substratstrukturen som en STL-fil. Deretter åpner du 3D-kuttingsprogramvaren og importerer strukturen.Klikk start kutting og velg hastighetsutskriftsmodus fra hovedmalen. Dobbeltklikk hastighet. Deretter endrer du innfyllingstettheten til 100%, og velg flåte med skjørt for plattformutgaven.Klikk lagre og lukk, og klikk deretter sektor. Slå på 3D-skriveren, og importer ABS-delstratets stykkefil. Still inn temperaturen på den oppvarmede sengen og dysen til henholdsvis 100 og 240 grader Celsius.Klikk start for å skrive ut etter stabilisering. For å sikre vellykket utskrift, påfør fast lim på kokeplaten for å øke vedheftet mellom ABS-substratet og kokeplaten. For et parafinbasert drivstoffpreparat forbereder du råvarer av parafin, polyetylenvoks, stersyre, etylen vinylacetat og karbonpulver.Konfigurer det parafinbaserte drivstoffet i henhold til manuskriptinstruksjonene og plasser de konfigurerte materialene i smeltemikseren. Smelt deretter og rør dem til de er helt blandet. Plasser ABS-substratet i sentrifugen og fest det med en endehette.Plugg inn pulveret og slå på vannkjølingspumpebryteren. Slå deretter på sentrifugereléet og øk hastigheten til 1, 400 RPM. Åpne ventilen på smeltemikseren og begynn å støpe.Fjern drivstoffkornet og trim formen. Mål og registrer vekten, lengden og den indre diameteren til hele drivstoffkornet og fotografer det. For å montere hybrid rakettmotoren, fest forbrenningskammeret delen på glideskinnen, laste drivstoffkornet, og installere innlegget forbrenningskammer delen.Monter hodet og dysen. Deretter installerer du fakkelen tenneren på hodet av hybrid rakettmotoren. Sett på tennpluggen og koble til strømforsyningen.Koble nitrogen, oksidasjonsmiddel, tenningsmetan og antennelse oksygengass forsyningsledninger mellom testbenken og gassflasken. Koble til den industrielle datamaskinen, multifunksjonsdatainnsamlingskortet, masseflytkontrolleren og kontrollboksen på testbenken. Strøm på testbenken, massestrømningskontrolleren og tenneren.Åpne FlowDDE-programvaren og klikk på kommunikasjonsinnstillinger. Klikk på det tilsvarende tilkoblingsgrensesnittet, og klikk ok. Klikk åpen kommunikasjon for å opprette kommunikasjon med flytkontrolleren.Åpne deretter måle- og kontrollprogrammet, eller MCP. Angi inndata- og utdatakanalen for multifunksjonsdatainnsamlingskortet, og klikk kjør for å etablere kommunikasjon med hele systemet. Kontroller MCP-kjørestatusen, og sett den til manuell kontrollmodus.Kontroller tilstanden til tennpluggen og utfør en ventiltest. Test dataregistreringsfunksjonen. Deretter åpner du innstillingsgrensesnittet og angir testtid, inkludert ventilåpning og stengetid, tenningstid og dataregistreringsvarighet.Still sikkerhetskrav og tydelig personell fra det eksperimentelle området. Åpne sylinderventilen og juster utgangstrykket til reguleringsventilen i henhold til de forskjellige massestrømningshastighetsforholdene. Åpne innstillingsgrensesnittet og angi oksidasjonsmiddelmassestrømningshastigheten.Slå på kameraet, sett deretter MCP til automatisk kontrollmodus og vent på utløseren. Klikk start på MCP for å starte eksperimentet. Etter omtrent ett minutt klikker du stopp og slår av kameraet.Lukk gassflasken og åpne ventilen i rørledningen for å avlaste trykket. Slå av testbenken og fjern drivstoffkornet. Mål og fotografer drivstoffkornet som tidligere demonstrert.Endringer i forbrenningskammertrykk og oksidasjonsmiddelmassestrømningshastighet vises her. For å gi nødvendig tid for strømningsregulering, kommer oksidatoren inn i forbrenningskammeret på forhånd. Når motoren bygger trykk i forbrenningskammeret, faller oksygenmassestrømningshastigheten raskt og opprettholder deretter en relativt jevn endring.Under forbrenningsprosessen forblir trykket i forbrenningskammeret stabilt. En sammenligning av forbrenningskammeret trykk oscillasjon frekvens er presentert her. Trykksvingspekteret av det nye drivstoffkornet inneholdt tre forskjellige topper som var forbundet med hybrid lavfrekvent, Helmholtz-modus og den akustiske halvbølgen i forbrenningskammeret.Plasseringene av trykktoppene i romanen drivstoffkorn var i utgangspunktet de samme som for parafin-baserte drivstoff, noe som indikerer at den nye strukturen ikke er sannsynlig å innføre ytterligere forbrenningssvingninger. Regresjonshastighet som en funksjon av oksidasjonsmiddelfluks ble sammenlignet mellom drivstoffkornene. På samme oksidasjonsmiddel masse strømningshastighet, regresjonshastigheten av romanen drivstoff korn var høyere enn for parafin-baserte drivstoff og gapet gradvis utvidet som oksidasjonsmiddel flux økt.Karakteristisk hastighet ble brukt til å sammenligne forbrenningseffektivitet. Romanen drivstoffkorn viste en høyere karakteristisk hastighet enn parafinbaserte korn på ulike oksidasjons- og drivstoffforhold. Dette tilsvarer en gjennomsnittlig økning av forbrenningseffektivitet på ca 2%Når du prøver denne protokollen, husk at støpetemperaturen for parafinbasert drivstoff ikke kan være høyere enn 120 grader Celsius.

Research

JoVE Journal

Engineering

Probing and Mapping Electrode Surfaces in Solid Oxide Fuel Cells

Sondering og kartlegging Elektrode Overflater i 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

Flamme Eksperimenter ved Advanced Light Source: Ny innsikt i Soot Formasjon Prosesser

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

Forberedelse og evaluering av Hybrid Composites av Chemical Fuel og Multi-vegger karbonnanorør i Study of Thermopower 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

Påvisning og utvinning av Palladium, Gull og Cobalt Metals fra Urban Mine Bruke Novel Sensorer / adsorbenter Eget med nanoskala Wagon-hjulformede Porer

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

Avanserte Eksperimentelle metoder for lav temperatur Magnetotransport Måling av nye materialer

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

Forbrenning Karakterisering og Modell Fuel Development for Micro-rørformede Flame-assistert Brenselceller

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

Oppdage vannløselige klorid fordelingen av sement lim på høypresisjons måte

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

Infrarød degenerert fire-bølge blande med Upconversion gjenkjenning for kvantitative gass Sensing

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

En Polymer-baserte Piezoelectric vibrasjonen energi korn med en 3D Meshed kjerner

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

En rask metode for modellering en variabel syklus motor

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