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
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Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (Grant Nos. 11802315, 11872368 y 11927803) y equipment Pre-Research Foundation of National Defense Key Laboratory (Grant No. 6142701190402).

1. Configuración y procedimientos experimentales
<ol><li>Preparación del grano de combustible NOTA: El grano de combustible con estructura novedosa constaba de dos partes, que se muestran en la Figura 4. Como la parte principal del grano novedoso, el combustible a base de parafina representa más del 80% de la masa total. El sustrato ABS se utiliza como combustible adicional. La preparación de este grano de combustible se realizó mediante la combinación de impresión 3D y fundició...

<ol>
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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. 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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. 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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. 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La técnica presentada en este artículo es un enfoque novedoso utilizando un grano de combustible con una estructura helicoidal anidada. No hay dificultades para establecer el equipo y las instalaciones necesarias. La estructura helicoidal se puede producir fácilmente mediante la impresión 3D, y la anidación de combustibles a base de parafina se puede llevar a cabo fácilmente mediante la fundición centrífuga. Las impresoras 3D de moldeo por deposición fundida (FDM) no son costosas y el costo de las centrífugas e...

Se requiere urgentemente una técnica para mejorar el rendimiento de combustión de un motor de cohete híbrido. Hasta la fecha, las aplicaciones prácticas de los motores de cohetes híbridos son todavía mucho menores que las de los motores de cohetes sólidos y líquidos1,2. La baja tasa de regresión de los combustibles tradicionales limita la mejora del rendimiento del empuje para el motor de cohete híbrido3,4. Además, su eficiencia de combustión es ligeramente inferior a la de otros cohetes de energía química debido a la combustión de difusión interna5,como se muestra en la Figura 1. Aunque se han estudiado y desarrollado diversas técnicas, como el uso de múltiples puertos6, mejora de aditivos7,8,9, combustible licuado10,11,12, inyección de remolino13, protuberancias14, y cuerpo de farol15, estos enfoques están asociados con problemas en la utilización del volumen, eficiencia de combustión, rendimiento mecánico, y calidad de redundancia. Hasta ahora, la mejora estructural del grano de combustible, que no tiene estas deficiencias, ha atraído más atención como medio eficaz de mejorar el rendimiento de combustión16,17. El advenimiento de la impresión tridimensional (3D) ha sido una forma eficaz de aumentar el rendimiento de los motores de cohetes híbridos a través de la capacidad de producir de forma rápida y económica diseños de granos convencionales complejos o granos de combustible no convencionales18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30. Sin embargo, durante el proceso de combustión, estas mejoras en el rendimiento de combustión disminuyen con la quema de la estructura característica, lo que resulta en una disminución en el rendimiento de combustión23. Hemos demostrado que un diseño novedoso es útil para mejorar el rendimiento de los motores de cohetes híbridos31. El detalle de esta técnica y los resultados representativos se presentan en este documento.
El grano de combustible consiste en un sustrato helicoidal hecho por acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS) y un combustible anidado a base de parafina. Basado en la impresión centrífuga y 3D, se combinaron las ventajas de los dos combustibles con diferentes tasas de regresión. La estructura helicoidal especial del grano de combustible después de la combustión se muestra en la Figura 2. Cuando el gas pasa a través del grano de combustible, se crean simultáneamente numerosas zonas de recirculación en ranuras entre cuchillas, que se muestra en la Figura 3. Esta estructura característica en la superficie interior aumenta la energía cinética de turbulencia y el número de remolinos en la cámara de combustión, que aumentan los intercambios de materia y energía en la cámara de combustión. En última instancia, la tasa de regresión del nuevo grano de combustible se mejora efectivamente. El efecto de mejorar la tasa de regresión ha sido bien demostrado: en particular, se demostró que la tasa de regresión del nuevo grano de combustible era un 20% superior a la del combustible a base de parafina en el flujo de masa de 4g/s-cm 2,32.
Una ventaja del grano de combustible con una estructura helicoidal anidada es que es fácil de fabricar. El proceso de moldeo requiere principalmente un mezclador de fusión, una centrífuga y una impresora 3D. El sustrato ABS formado por la impresión 3D reduce en gran medida el costo de fabricación. Otra ventaja significativa y única es que el efecto de mejora no desaparece durante el proceso de combustión.
Este documento presenta el sistema experimental y el procedimiento para mejorar el rendimiento de combustión de un motor de cohete híbrido utilizando la nueva estructura de grano de combustible. Además, este documento presenta tres comparaciones representativas de los parámetros de rendimiento de combustión para demostrar la viabilidad de la técnica, incluida la frecuencia de oscilación de la presión de la cámara de combustión, la tasa de regresión y la eficiencia de combustión caracterizada por la velocidad característica.

<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

Se presenta una técnica para mejorar el rendimiento de combustión de un motor cohete híbrido utilizando una nueva estructura de grano de combustible. Esta técnica utiliza las diferentes tasas de regresión de los combustibles a base de acrilonitrilo butadieno y parafina, que aumentan los intercambios de materia y energía mediante zonas de flujo de remolino y recirculación formadas en las ranuras entre las paletas adyacentes. La técnica de fundición centrífuga se utiliza para fundir el combustible a base de parafina en un sustrato de estireno de acrilonitrilo butadieno hecho por impresión tridimensional. Utilizando el oxígeno como oxidante, se llevaron a cabo una serie de pruebas para investigar el rendimiento de combustión del nuevo grano de combustible. En comparación con los granos de combustible a base de parafina, el grano de combustible con una estructura helicoidal anidada, que se puede mantener durante todo el proceso de combustión, mostró una mejora significativa en la tasa de regresión y un gran potencial en la mejora de la eficiencia de combustión.

La Figura 7 muestra los cambios en la presión de la cámara de combustión y el caudal de masa del oxidante. Para proporcionar el tiempo necesario para la regulación del flujo, el oxidante entra en la cámara de combustión de antemano. Cuando el motor aumenta la presión en la cámara de combustión, el caudal de masa de oxígeno disminuye rápidamente y luego mantiene un cambio relativamente constante. Durante el proceso de combustión, la presión en la cámara de combustión permanece ...

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

Se presenta una técnica que utiliza un grano de combustible sólido con una novedosa estructura helicoidal anidada para mejorar el rendimiento de combustión de un motor cohete híbrido.

Mejorar el rendimiento de combustión de un motor de cohete híbrido utilizando un nuevo grano de combustible con una estructura helicoidal anidada

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

Este método puede ayudar a responder a la pregunta de cómo mejorar el rendimiento de combustión de los granos. Las principales ventajas de este protocolo es que los granos de combustible de estructura helicoidal no desaparecerán con el proceso de combustión. Este método también se puede aplicar a la fórmula de grano con diferentes compilaciones de materiales como EBS y PUX.Comience preparando el estireno acrilonitrilo butadieno, o sustrato abs, utilizando software 3D. Guarde la estructura de sustrato 3D como un archivo STL. A continuación, abra el software de corte 3D e importe la estructura.Haga clic en Iniciar corte y seleccione el modo de impresión de velocidad de la plantilla principal. Velocidad de doble clic. A continuación, cambie la densidad de relleno al 100% y seleccione la balsa con falda para la edición de la plataforma.Haga clic en Guardar y cerrar y, a continuación, haga clic en sector. Encienda la impresora 3D e importe el archivo de sector del sustrato ABS. Ajuste la temperatura de la cama calentada y la boquilla a 100 y 240 grados centígrados respectivamente.Haga clic en Iniciar para imprimir después de la estabilización. Para garantizar una impresión correcta, aplique pegamento sólido a la placa caliente para aumentar la adhesión entre el sustrato ABS y la placa caliente. Para una preparación de combustible a base de parafina preparar materias primas de parafina, cera de polietileno, ácido estetérico, acetato de vinilo de etileno y polvo de carbono.Configure el combustible a base de parafina de acuerdo con las instrucciones del manuscrito y coloque los materiales configurados en el mezclador de fusión. Luego derrita y revuelva hasta que estén completamente mezclados. Coloque el sustrato ABS en la centrífuga y fíjelo con una tapa.Enchufe el polvo y encienda el interruptor de la bomba de refrigeración por agua. A continuación, encienda el relé de centrífuga y aumente la velocidad a 1,400 RPM. Abra la válvula en el mezclador de fusión y comience a fundar.Retire el grano de combustible y recorte la forma. Mida y registre el peso, la longitud y el diámetro interior del grano de combustible completo y grafíelo. Para montar el motor de cohete híbrido, fije la sección de la cámara de combustión en el riel deslizante, cargue el grano de combustible e instale la sección de la cámara de combustión posterior.Instale la cabeza y la boquilla. A continuación, instale el encendido de la antorcha en la cabeza del motor de cohete híbrido. Instale la bujía y conecte la fuente de alimentación.Conecte las líneas de suministro de nitrógeno, oxidante, metano de ignición y gas de oxígeno de encendido entre el banco de pruebas y el cilindro de gas. Conecte el ordenador industrial, la tarjeta de adquisición de datos multifunción, el controlador de flujo de masa y la caja de control del banco de pruebas. Encienda el banco de pruebas, el controlador de flujo de masa y el encendedor.Abra el software FlowDDE y haga clic en Configuración de comunicación. Haga clic en la interfaz de conexión correspondiente y haga clic en Aceptar. Haga clic en Comunicación abierta para establecer la comunicación con el controlador de flujo.A continuación, abra el programa de medición y control, o MCP. Establezca el canal de entrada y salida de la tarjeta de adquisición de datos multifunción y haga clic en Ejecutar para establecer la comunicación con todo el sistema. Compruebe el estado de ejecución del MCP y establézcalo en modo de control manual.Compruebe el estado de funcionamiento de la bujía y realice una prueba de válvula. Pruebe la función de grabación de datos. A continuación, abra la interfaz de configuración y establezca la hora de prueba, incluida la hora de apertura y cierre de la válvula, el tiempo de encendido y la duración de la grabación de datos.Establezca los requisitos de seguridad y despeje al personal del área experimental. Abra la válvula del cilindro y ajuste la presión de salida de la válvula reguladora de acuerdo con las diferentes condiciones de caudal de masa. Abra la interfaz de configuración y establezca el caudal de masa del oxidante.Encienda la cámara, luego ajuste el MCP al modo de control automático y espere al disparador. Haga clic en Iniciar en el MCP para iniciar el experimento. Después de aproximadamente un minuto, haga clic en detener y apague la cámara.Cierre el cilindro de gas y abra la válvula en la tubería para aliviar la presión. Apague el banco de pruebas y retire el grano de combustible. Mida y fotografíe el grano de combustible como se ha demostrado anteriormente.Los cambios en la presión de la cámara de combustión y el caudal de masa del oxidante se muestran aquí. Para proporcionar el tiempo necesario para la regulación del flujo, el oxidante entra en la cámara de combustión de antemano. Cuando el motor aumenta la presión en la cámara de combustión, el caudal de masa de oxígeno disminuye rápidamente y luego mantiene un cambio relativamente constante.Durante el proceso de combustión, la presión en la cámara de combustión permanece estable. Aquí se presenta una comparación de la frecuencia de oscilación de la presión de la cámara de combustión. El espectro de fluctuación de presión del nuevo grano de combustible contenía tres picos distintos que se asociaron con la baja frecuencia híbrida, el modo Helmholtz, y la media onda acústica en la cámara de combustión.Las posiciones de los picos de presión del nuevo grano de combustible eran básicamente las mismas que las de los combustibles basados en parafina, lo que indica que la estructura novedosa no es probable que introduzca oscilaciones de combustión adicionales. La tasa de regresión en función del flujo de oxidante se comparó entre los granos de combustible. Al mismo caudal de masa del oxidante, la tasa de regresión del nuevo grano de combustible fue mayor que la del combustible a base de parafina y la brecha se amplió gradualmente a medida que aumentaba el flujo del oxidante.La velocidad característica se utilizó para comparar la eficiencia de combustión. El nuevo grano de combustible mostraba una velocidad característica más alta que los granos a base de parafina en varias relaciones de oxidante y combustible. Esto corresponde a un aumento promedio de la eficiencia de combustión de aproximadamente 2% Al intentar este protocolo, recuerde que la temperatura de fundición de combustible a base de parafina no puede ser superior a 120 grados celsius.

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

Preparación y Evaluación de composites híbridos de combustible químico y Multi-amurallada nanotubos de carbono en el Estudio de 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

Detección y recuperación de paladio, oro y cobalto Metales de la Mina Urbana utilizando sensores Novela / adsorbentes designados con nanoescala Los poros en forma de rueda-Wagon

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

Avanzados métodos experimentales para baja temperatura magnetotransporte Medición de Nuevos Materiales

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

Caracterización y la combustión de combustible Modelo de Desarrollo para la Micro-tubulares de llama con ayuda de Pilas de Combustible

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

Detección de la distribución de cloruro soluble en agua de la pasta de cemento en forma de alta precisión

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

Onda de cuatro degenerados infrarrojo mezcla con detección de Upconversion para detección cuantitativa de Gas

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

Un recolector de energía vibración piezoeléctrico con polímeros con una estructura de base de Meshed 3D

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

Un método rápido para modelar un motor de ciclo variable

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