申请人信息
申请人ID:1703115
真实姓名:肖宸康
自我介绍:高中学生,制造并发射了两枚探空火箭,擅长探空火箭设计与制造、各种电脑软件、编程及推进剂开发。
申请方式:个人

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来晚了,远征一号探空火箭详细总结
项目信息

80mmKNSB发动机药柱生产工艺及相关研究

中文摘要
采用几种新工艺进行80mmKNSB发动机药柱的生产并通过实验考察其是否达到预期指标
关键词

0 研究背景

在不远的未来,发动机大型化是一个必然的趋势,因为这是入轨的唯一方法。在这其中肯定是液机居多,但是固机也有其独特的优势,如成本低廉,结构简单,研究周期短,推力大……相信其也能在KC未来的入轨火箭中有所应用。然而,纵观目前KC中大型固体火箭发动机,笔者发现他们的生产工艺都与主流固机存在一定差距,其中最重要的一点绝大多数(笔者见过的)KC中大型固机仍在使用“预制药柱”(具体叫法笔者不清楚,见谅)这一装药方法。“预制药柱”固然有其优点,笔者在此不一一叙述,不然也不会广泛普及。不过其缺点笔者却想提一提,在“预制药柱”装药方式中,药柱之间贴合因不紧密而产生的空隙以及药柱尾部的空间,会使高温气流到达或贴近外壳,使发动机局部过热产生严重的安全隐患。同时发动机在高加速度环境下,向下的力会令最下端的药柱下移,影响燃烧室的畅通,或者药柱直接压碎,碎片堵塞喷嘴,之后的事就不用我多说了……而且当发动机直径较大时,隔热层与发动机壳体都有可能发生弯曲,导致隔热层与壳体不适配,导致出现各种各样棘手的安装问题。使用贴壁一体浇筑的药柱则不需要考虑上述问题,故对贴壁一体药柱生产工艺进行一些研究是必要的。

KNSB一种工艺性能优良的低能推进剂,其在今后一段时间的应用是可以预见的,然而受限于工生产工艺,其药柱质量(有无气泡等)还远不及以APCP为代表的高能燃料,改良KNSB的生产工艺进行真空震动沉降等工艺,也能为其以后在中大型发动机中的应用铺平道路。



1 研究目标

  1. 采用贴壁涂覆工艺处理隔热层验证其在实际应用中的可行性,同时要求其在发动机中应用时使发动机外壁峰值温度不超过60℃(以此保证发动机的可复用性)

  2. 采用贴壁一体浇筑工艺生产KNSB药柱验证该工艺的可行性,同时进行内弹道模拟并通过发动机热试车来验证其内弹道性能。

  3. 采用真空震动沉降工艺加工KNSB药柱并研究其对推进剂气泡含量的影响。



2 前期准备

本项目需使用的所有工件均已设计、加工完毕。

IMG_20200111_011432.jpg

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同时笔者也多次制备了KNSB,积累了一些制作经验。

KNSB.MP4_20200111_013224850.jpg

3 初步方案

3.1 贴壁涂覆隔热层

计划将未固化的隔热层材料加入燃烧室中,手动旋转使其均匀覆盖在壳体内表面,然后不停旋转直至隔热层表干。

3.2 贴壁一体浇筑KNSB药柱

3.2.1 KNSB推进剂浆料的生产

用恒温箱干燥KN,使用无水氯化钙干燥SB。将两者在搅拌机中混合30分钟,随后放入恒温箱中严格控温,使用热熔法生产KNSB推进剂浆料。

3.2.2 药浆的真空震动沉降

因为发动机采用贴壁一体浇筑并不需要也不能像使用“预制药柱”一样,另外使用真空仓完成浇筑。于是计划直接将发动机作为真空震动浇筑仓。

3.2.2.1 震动沉降的方法

震动沉降的动力将由振动电机提供。

捕获34.PNG

论坛上就有与此方案相似的先例可以参考。

QQ图片20150701215809.jpg

上图摘自 rnx真空除泡+震动沉降以及便宜的真空仓全教程

可以看到,作者 @h13 是使用

热熔胶初步固定,再加上钉子,环氧

将振动电机固定在真空仓上。

这种方法简易、实用、高效,然而本项目需要将发动机与真空仓并用,想象一下火箭外挂的一个振动电机起飞……

为解决上述问题,计划使用一个过渡件将发动机/真空仓与振动电机连接,这个过渡件计划采用80mm雕刻机主轴电机抱座(以下简称抱座)。

捕获35.PNG

将振动电机用环氧树脂连接在抱座的下底面再将壳体与抱座固定,由此完成了振动电机的固定。同时该装置与原方案相比还具有易拆卸的优点,唯一的缺点可能是其重量大,在进行减震的过程中可能导致重心不稳等问题。

无标题.png

震动沉降的减震计划使用人体进行减震,具体参考此贴

用人体减震最关键的问题就是,壳体较为光滑,强震动的环境下,手很容易拿不稳发动机/真空仓。所以计划再加装一个抱座,使手板在抱座的外延,以降低发动机从手中滑落的可能。

3.2.2.2 真空浇筑的方法

在发动机安装喷管的位置上换上一个接有真空管的堵头并将其与真空表、真空泵连接即可进行真空浇筑。计划参考制作APCP时的抽真空流程进行生产,并研究采用真空工艺生产的推进剂的气泡含量变化。同时结合实验经验,对抽真空的流程做出一些必要改进,以配合KNSB的特性。

3.3 药柱中气泡含量的研究

令用一80毫米铝管,内部全部喷涂脱模剂,按照与浇筑发动机中推进剂的方式,浇筑长约10cm的样品,将样品取出从不同角度切片,用目视、显微镜等方式观察其是否含有气泡。

同时使用卡尺测出要素的体积,求出密度,根据Richard Nakka中的推进剂密度评估表(Propellant density assessment),评估其气泡含量。

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上图摘自 The Potassium Nitrate/Sorbitol Propellant (KNSB)

并将所得的结果与未经真空震动沉降的药柱进行对比,研究真空震动沉降工艺对于推进剂气泡含量的改善效果。

3.4 发动机地面热试车及相关研究

3.4.1 验证内弹道计算数据

先使用SRM-2014对发动机内弹道进行模拟然后通过地面热试车收集推力数据,以对比内弹道计算数据与真实值的误差并分析误差产生的原因。

3.5.2 验证隔热层隔热效果

发动机地面热试车时,在壳体的不同位置安装热电偶温度计模块使用arduino采集温度数据以验证隔热层的隔热效果,使用红外测温仪测量某些热电偶计无法放置的区域的温度(如喷管与隔热层的结合处、喷管内表面)。



4 研究计划

项目中各个实验按照下面的顺序依次实施

  1. 探究真空震动沉降的工艺并研究其气泡含量

  2. 贴壁涂覆隔热层

  3. 发动机推进剂浇筑

  4. 发动机地面热试车及相关研究



5 研究成果固定方式

  1. 将本项目研究结果汇总并在论坛相关版块发布较为严谨的帖子作为结题报告。

  2. 将研制过程中的图片视频汇总、剪辑发至论坛和其他视频网站。



其他信息
学科分类:喷气推进
研究周期:60天
资金预算:
用途 数量 单价(元) 合计(元) 专家建议(元) 实际批准(元)
打粉机 1 208 208 208 208
混合机 5L 1 298 298 298 298
1m点火头 10 4 40 40 40
德国美耐特数显卡尺 150mm 1 69 69 69 69
飞越真空泵 1L 1 225 225 225 225
真空表 Z-40 1 16 16 16 16
MAX6675 K型热电偶 3 25 75 75 75
Arduino Nano 1 15 15 15 15
SD卡模块 2 1 2 2 2
SD卡 2G 1 11 11 11 11
环氧树脂E57 1.3kg 1 76 76 76 76
KNO3 500g 7 15 105 105 105
山梨糖醇 500g 5 8 40 40 40
80mm抱座 2 40 80 80 80
希玛红外测温仪 AT-380 + 7号充电电池 1 49 49 49 49
申请金额:1309元,专家建议:1298元,实际批准:1298元
项目状态
  • 提交申请
  • 专家审核
  • 管理员复核
  • 第1期拨款(1298元) 完成
  • 结题
拨款详情
序号 金额 状态
第1期 1298元 已拨款
最新进展
系统8 个月前
提交申请表
系统8 个月前
用户信息通过审核
系统8 个月前
项目信息未通过审核,等待申请人修改。审核意见:1、KNSB不适用于大中型发动机。
2、研究项目先进性不足。KNSB本身属于非主流燃料且性能较低,不太可能有宇航应用前景。当前爱好者圈研究热点是稳定、可靠、便捷的AP基复合推进剂发动机,箭体技术,飞控导航,遥控遥测,科学载荷等方面。研究方向远比研究速度或深度重要,请申请人慎重考虑。
3、考虑到本研究对于完善KNSB的工艺体系、相关教程等还是有一些意义,如果申请人执意进行本研究,科创基金拟予批准。
系统8 个月前
资金预算通过审核。审核评语:在项目中如果SD卡系通用材料,通常不予支持。
系统8 个月前
提交申请表
系统8 个月前
用户信息通过审核
系统8 个月前
项目信息通过审核。审核评语:申请人执意重复一项已趋成熟的工艺的研究,成果固定方式应包括教程或综述等形式。
系统8 个月前
资金预算通过审核
系统8 个月前
管理员复核通过,开始项目。审核评语:原则同意资助,请留意相关器材应用到后续研究中的可能性。
系统8 个月前
申请第 1 期拨款
系统8 个月前
第 1 期拨款 1298元 完成
系统8 个月前
第 1 期申请人确认收款
评论
8 个月前

这个项目内容看起来主要是是研究药柱贴壁浇筑的成型工艺。关于这个项目有些建议:

  1. 真空除泡操作是不必要的,以我的经验来说,knsb小燃料棒常压浇筑没有气泡,大燃料棒浇筑更不会出现这种气泡。如果出现气泡,说明这批次的燃料工艺不对

  2. 手动旋转很难涂匀隔热层。另外如果是固化时间超过十分钟的隔热层,那一直手动旋转也不现实。建议换成电动的吧,做一个类似球磨机的旋转架子。

  3. 如果要验证工艺是不是可靠的话,需要多次检查同种工艺不同批次的产品。单一一次生产合格不能代表这个工艺的优劣。

8 个月前

大尺寸knsb燃料也不需要这么多复杂的设备和工艺,直接热熔浇筑即可生产无气泡燃料。可以参考墙外探空火箭项目SS2S(sugar shot to space)该项目的目标是用硝糖燃料将火箭发射过卡门线,已经制成了直径300mm的knsb发动机并试车成功。

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