喷气推进
 
【理论贴】关于提高固体火箭发动机效率的讨论
lilith 2009-9-28
本人几个月以来忙于工作,到论坛来的时间也少了,大多时间都在潜水。但是,在工作之余,也对固体火箭进行了一定的深入研究,为本人的大火箭项目做准备。现对这段时间的研究成果做个些总结,供大家参考,有误之处请大家指正。同时也欢迎大家提出自己的观点、想法。
特别说明:1、本文仅供参考、讨论,文中所述部分内容并未经试验证实,不可作为设计依据。
关于提高固体火箭发动机效率的讨论

    在讨论的开始,首先说明,本文的讨论是围绕制造一台总冲在400~600NS、效率较高的大型发动机而进行的。问题的核心是提高发动机的工作效率。这里所谓的效率,不仅仅是单纯的追求高比冲,而应当是追求最大的总冲与发动机总质量的比值。

第一部分 发动机的总体参数

1、关于发动机的工作压力。

    对于目前广泛使用的KNDX,其比冲是随工作压力的提高而提高的,因此在一定程度上,提高发动机的工作压力,就意味着提高了发动机的总冲。但是对于我们大部分人来说,在现有的条件下,制造高工作压力的发动机是困难、而且危险的。同时高压发动机不可避免的伴随着巨大的壳体质量,亦不利于发动机效率的提高。那么有没有一种变通的渠道,可以在相对较低的工作压力下获得较高的总冲呢。我们首先看一下下面的图片:(图片在上面)pic

+800  科创币    power_rdx   2009-09-28    凑整
+4200  科创币    虎哥   2009-09-28    概念很清楚,注意大小写。
2009-9-28 20:49:25
lilith(作者)
1楼
图中所示的两台发动机推进剂装药量相同、总冲也基本相同,压力曲线却有着十分巨大的差异。简单的分下一下:总冲是推力对时间的积分,是推力曲线与X及Y轴所围成的面积。(对于喷口无烧蚀的发动机而言,压力变化曲线与推力变化曲线是基本一致的。因此,在这里我们可以认为以上两张图片也反映了推力——时间曲线。)在既定总冲的前提下,这个面积有不同的围法,显而易见,当推力——时间曲线越趋于平缓时,发动机的最高工作压力越小。推力——时间曲线的平缓也就是应当使发动机在工作过程中维持最小的喷燃烧比变化。

PS1:我不知道我叙述的是不是很清楚,前面的内容可以简单的理解为:使发动机喷燃比恒定,并让发动机从开始到结束都工作在一个比较经济的喷燃比下,这样可以降低发动机的设计压力,从而减少发动机自重,对提高发动机的效率是有利的。

2、    关于喷燃比变化率及燃料几何结构

前面说到,维持发动机的恒定喷燃比有利于提高发动机工作效率。为了实现这一目标,有两个途径:一、采用可烧蚀喷管,使喉口面积的变化与燃料燃烧面积的变化相匹配。
二、维持恒定的燃烧面积。对于前者,烧蚀喷管技术在KCER中并不算成熟,实现起来也比较困难,故在此并不重点讨论。我所要讨论的是关于维持恒定燃烧面积的一些问题,即等面燃烧类型药柱。
(1)    端面燃烧:
端面燃烧是最简单的药柱类型,具有成型方便、性能可靠的特点。采用该种类型的药柱可以将发动机稳定维持在2MPA左右的压力。当对发动机的要求不高(PVC、PPR发动机)时,个人十分推荐。但是对于高喷燃比的发动机,端面燃烧药柱燃烧面积太小,推力小、以及喉口面积过小,存在被堵塞的可能。同时发动机工作时间长,对喷管要求高、也使得端面燃烧的药柱在大型发动机前无能为力。
(2)    其他等面燃烧的药柱
除端面燃烧药柱外,目前广泛使用的等面燃烧的药柱也存在不同的缺点,如:目前条件下制作困难,装药密度小或是燃气冲刷发动机内壁等。

(3)        经过我实验和研究发现,在传统内圆孔药柱的基础上,将药柱分为若干段,并且采用各上下端面燃烧的方法,可以得到近似等截面的工作特性,是目前条件下较为合适的药柱方案。(PS:个人推测貌似国外的火箭爱好者采用的是这样的方案,但是相关资料确实比较少,无法证实)采用多段中空燃料、多端面燃烧的方法,可以有效解决当单段中空药柱总长较大时导致的喷燃比随时间急剧增大的问题。
对于小型发动机,减小燃料的长度与直径的比例,采用单端面+中空燃烧的方式,也可以获得类似的曲线,同时具有良好的可操作性。
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lilith(作者)
2楼
举个例子:
采用3段内径10MM、外径44MM、长70毫米的KNDX,所有端面和内表面均为燃烧面,可得到下面的
喷然比——时间曲线。
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lilith(作者)
3楼
但是,如何设计合理的点火方案使多段药柱的端面点火可靠,以及燃烧室内壁局部受热均是等待解决的问题。pic

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lilith(作者)
4楼
3、    现阶段可行的发动机工作压力及喷燃比
个人认为,由于在6MPA左右时,KNDX已经达到了较高的比冲,此时提高工作压力对燃料比冲的提高已经没有太大的效果,同时发动机壳体的厚度要大大增加,所以对于大型金属发动机来说,6MPA应当是KNDX比较高效的工作压力,相应的喷燃比在260左右,发动机可以按照10MPA的压力进行设计。
在6MPA左右时,KNDX的”压力——燃速“曲线存在一个拐点,该拐点的存在使得这一压力下的KNDX燃料具有一定的“压力自动稳定性”。即,压力增大时,KNDX燃速减小,反之增大,这样就使其能够在微小的范围内自动调节工作压力。但是这一特性的存在,是否会导致工作在燃料燃烧拐点的发动机产生震颤,个人并没有相关资料可查。还请大家帮助分析。

4、    关于发动机的长径比
个人认为,从理论上来说,长径比大的发动机效率是要高于长径比小的发动机的,也就是说,一定程度上,细长的发动机比短粗的发动机效率更高,理由有以下几点:

1、    发动机的相当部分重量是来源于喷管和堵头,但是无论发动机多长,喷管和堵头都只有1个,所以长度越长的发动机装药越多,单位质量燃料所分担的喷管和堵头的质量就越少,从而提高了发动机“总冲/总质量”的数值,提高了发动机的效率。
2、    在相同的装药量和工作压力下,细长的火箭可以采用更薄的壳体和更轻的喷管、堵头,使得发动机总重得以降低。
3、    细长的发动机有利于火箭质心的前移,减少鼻锥配重量。细长的火箭有利于降低空气阻力。
4、    当然、发动机的长细比不可能无穷尽的增大,由次可能带来发动机内部燃烧稳定性,燃气流动等一系列问题。个人认为对于要求较高的发动机,长细比也应当控制在5以内。



第二部分 发动机材料、结构
1、    发动机壳体材料
在我以往的方案中,结合自己的实际情况,曾考虑了钢和铝合金两种材料作为发动机壳体。这两种材料有其各自的特点。钢最大的优点是在高温下的许用应力是铝合金的数倍,因此钢制发动机的厚度可以做到铝合金发动机的1/2甚至更薄,高强度在一定程度上弥补了钢密度大的缺点,钢材适合在高压力、工作时间长、高能燃料的发动机中使用。特别是当发动机的直径增大到一定程度时,需要相当厚度的铝管才能满足要求,这时钢管的优势才逐渐显现出来。但是鉴于KNDX本身的燃气温度并不算高,发动机工作时间也很短,这种情况下铝合金依然是更优秀的发动机材料,个人推荐使用的是LY2、LD8、ZL105、ZL106等牌号。

2、    喷管与壳体的固定方式
目前,金属发动机的主流固定方式有卡簧和螺纹两种方式。到底哪种方式更好,个人对这个问题也是十分的纠结,所以在此只罗列个人经验,不下结论,留给大家来讨论,希望大家能够给我答案。

1、    我曾做过详细计算,即便采用铝合金壳体,发动机设计压力为10MPA,直径50MM以上,15~20MM长的螺纹完全能够承受作用于喷口上的压力的。
2、    单纯依靠普通螺纹加上一定的密封填料能否达到发动机密封,还不清楚。如果能的话,即可省略用于O形圈密封的附加重量,那么螺纹密封的重量可以大大降低,达到卡簧密封的水平。
3、    对于50MM以上的发动机,卡簧受到极大的剪切应力,卡簧强度的可靠性不确定。
4、    壳体上的卡簧槽常常影响到O型圈的安装,拆卸不方便。
+25  科创币    zill25   2012-02-20   论坛需要这样的帖子,即使有些内容有争议
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5楼
你有个很大的漏洞,就是你假定的发动机工作状态是静止的。其实火箭发动机的效率很好判断,火箭向后喷出的燃气速度等于火箭向前飞行的速度,此时效率最高(100%)。道理也很简单,这种情况下喷出的燃气是相对静止的,所有动能都“交给”了箭体。所以实际设计中会综合考虑火箭全程的飞行参数,选择合适的喷口参数、固体推进剂截面形状(一般其形状很复杂,不会是简单的管状或柱状)、推进剂成分(有时同一药柱各部分成分还不一样)、发动机级数等。原则之一就是使飞行过程中,喷气速度尽量接近火箭飞行速度。当然在刚起飞时不可能效率最高化,此时火箭速度为零,不能让喷气速度也为零。(不喷气了)
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6楼
另外固体火箭发动机多是靠药柱截面的变化来改变燃烧面大小,进而改变推力。改变喷口参数的方法现在官方技术都还不成熟,连液体火箭也不是改变喷口参数,而是改变液体燃料的供给速度来改变推力大小。
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7楼
我也想过多段药柱,但是有一个关键问题是,多段药柱隔热困难,容易烧穿PVC壳体。具体情况由拔刀斋在《RS-A-1.3发动机测试》中描述过。
而且SRM有个致命缺陷,就是假定燃速恒定,不能很好反映压力真实变化情况
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8楼
又一次失望叻........我还以为是军用品质的东东呐  结果又是X糖糖..........唉  看到LZ前几段的豪言壮语我充满了希望.....一见到KN..........我绝望了  还以为LZ潜水搞复合、改性、交联固体推进剂呐......唉  过十一叻搞HNF的........
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2009-9-29 01:29:42
9楼
提醒下diy,在论坛里大家最最需要的就是关于KNDX的技术资料,而不是交联等等。
原因是KN成本低、原料相对易获得……不是谁都能搞到全套原料的
所以在科创,讨论KN的理论贴含金量远比其他燃料的技术贴含金量要高,因为很多东西多数坛友只能远望
最好的东西不一定是最有水平的,但一定是最多人需要的
在科创,几乎所有人都在做KN,但真正知道KN技术资料的不多,所以最多人需要的便是这些理论知识,来帮助他们改进自己的火箭

至于其它燃料,估计短期内不会有太多人去做(主要不是水平问题,而是HX、安全防护等问题)
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10楼
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lilith(作者)
11楼
引用第5楼kuanglong7于2009-09-28 22:25发表的  :
你有个很大的漏洞,就是你假定的发动机工作状态是静止的。其实火箭发动机的效率很好判断,火箭向后喷出的燃气速度等于火箭向前飞行的速度,此时效率最高(100%)。道理也很简单,这种情况下喷出的燃气是相对静止的,所有动能都“交给”了箭体。所以实际设计中会综合考虑火箭全程的飞行参数,选择合适的喷口参数、固体推进剂截面形状(一般其形状很复杂,不会是简单的管状或柱状)、推进剂成分(有时同一药柱各部分成分还不一样)、发动机级数等。原则之一就是使飞行过程中,喷气速度尽量接近火箭飞行速度。当然在刚起飞时不可能效率最高化,此时火箭速度为零,不能让喷气速度也为零。(不喷气了)

"其实火箭发动机的效率很好判断,火箭向后喷出的燃气速度等于火箭向前飞行的速度,此时效率最高(100%)。"
你的这一观点我暂且不敢苟同,动量守恒并不支持您的观点。
此外,关于装药类型我阅读过许多相关资料,管状当然不是最优秀的,比如星型的就很好,但是对于目前大多的KCER来说,加工一个星型的模具基本上是不可能的,代加工的成本也极高。我所选择的,是现有条件下最容易实现的优化方案。
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lilith(作者)
12楼
引用第6楼kuanglong7于2009-09-28 22:26发表的  :
另外固体火箭发动机多是靠药柱截面的变化来改变燃烧面大小,进而改变推力。改变喷口参数的方法现在官方技术都还不成熟,连液体火箭也不是改变喷口参数,而是改变液体燃料的供给速度来改变推力大小。

请仔细阅,我并没有说我要改变喉口直径。
原文是这样的:“前面说到,维持发动机的恒定喷燃比有利于提高发动机工作效率。为了实现这一目标,有两个途径:一、采用可烧蚀喷管,使喉口面积的变化与燃料燃烧面积的变化相匹配。
二、维持恒定的燃烧面积。对于前者,烧蚀喷管技术在KCER中并不算成熟,实现起来也比较困难,故在此并不重点讨论。我所要讨论的是关于维持恒定燃烧面积的一些问题,即等面燃烧类型药柱。
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13楼
引用第9楼clyce于2009-09-29 01:29发表的  :
提醒下diy,在论坛里大家最最需要的就是关于KNDX的技术资料,而不是交联等等。
原因是KN成本低、原料相对易获得……不是谁都能搞到全套原料的
所以在科创,讨论KN的理论贴含金量远比其他燃料的技术贴含金量要高,因为很多东西多数坛友只能远望
最好的东西不一定是最有水平的,但一定是最多人需要的
在科创,几乎所有人都在做KN,但真正知道KN技术资料的不多,所以最多人需要的便是这些理论知识,来帮助他们改进自己的火箭
.......

DIY接受教育...是啊.....HX.....从现在开始的48小时是最难熬的.........
额 可能我的表达能力有限...我的意思千篇一律的KN..为什么不能有些小改进呐?..比如用AP等代替少部分的KN..或者加谢催化剂..或者在熬糖是加些TNT、PA等提高其含能啊?......那个35:65的比例.........无语了.........
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lilith(作者)
14楼
对了,忘记说,在端面燃烧的药柱里面植入金属丝的方法貌似可以提高燃烧面积。还没有查到资料,但是看起来很有希望的样子~
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lilith(作者)
15楼
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16楼
"其实火箭发动机的效率很好判断,火箭向后喷出的燃气速度等于火箭向前飞行的速度,此时效率最高(100%)。"

这个是对的,文献证明无误

回DIY KNSU有加铝粉的方案
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lilith(作者)
17楼
引用第16楼warmonkey于2009-09-29 22:36发表的  :
"其实火箭发动机的效率很好判断,火箭向后喷出的燃气速度等于火箭向前飞行的速度,此时效率最高(100%)。"

这个是对的,文献证明无误

回DIY KNSU有加铝粉的方案

哦~是我孤陋寡闻了。
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2009-9-30 16:50:13
18楼
端燃的难点是防热而不是加速

星形模具并非高不可攀
记得小时候某种塑料玩具的杆子是星形的,时间长忘了
可以去小学门口找找看

引用第14楼lilith于2009-09-29 20:41发表的  :
对了,忘记说,在端面燃烧的药柱里面植入金属丝的方法貌似可以提高燃烧面积。还没有查到资料,但是看起来很有希望的样子~
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19楼
RNX的安全性优于KN,比冲也高
燃速慢可以通过对氧化剂重结晶解决

配方还是70%KNO3,8%Fe2O3,22%环氧树脂
先把KNO3溶于水,加入Fe2O3,不断搅拌下熬干、小火烘干、磨粉、储存
然后用做出来的混合粉末调树脂(长期储存后结块,要现磨一下)
常压燃速4mm/s,残渣比直接用试剂KNO3磨粉混合的要少

引用第9楼clyce于2009-09-29 01:29发表的  :
提醒下diy,在论坛里大家最最需要的就是关于KNDX的技术资料,而不是交联等等。
原因是KN成本低、原料相对易获得……不是谁都能搞到全套原料的
所以在科创,讨论KN的理论贴含金量远比其他燃料的技术贴含金量要高,因为很多东西多数坛友只能远望
最好的东西不一定是最有水平的,但一定是最多人需要的
在科创,几乎所有人都在做KN,但真正知道KN技术资料的不多,所以最多人需要的便是这些理论知识,来帮助他们改进自己的火箭
.......
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20楼
RNX比冲多少?特征速度多少?燃速-压力曲线有吗?
这些数据的缺失造成了很多问题
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2009-10-1 00:09:25
lilith(作者)
21楼
引用第18楼拔刀斋于2009-09-30 16:50发表的  :
端燃的难点是防热而不是加速

星形模具并非高不可攀
记得小时候某种塑料玩具的杆子是星形的,时间长忘了
可以去小学门口找找看
.......

不是随便一个星型的棒子就可以的,有严格的几何尺寸。。。。
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22楼
随便一个星型的棒子就可以,没有严格的几何尺寸
即便误差是10%,你那小玩意儿的总量依然很小
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23楼
我见过的实物很多种,药柱形状都极为复杂,也不是简单星形。但是共同点是都是从内层开始燃烧,像柱状这种一开始燃烧面就接触壳体,对壳体的耐高温性能要求很高!
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24楼
要求很高乎?燃料外面包几层纸就能解决问题,根本用不着外壳耐高温。要想在1,2秒内烧穿哪怕1mm的纸也不算容易呢
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2009-10-2 23:02:00
2009-10-2 23:02:00
25楼
引用第24楼power_rdx于2009-10-01 18:59发表的  :
要求很高乎?燃料外面包几层纸就能解决问题,根本用不着外壳耐高温。要想在1,2秒内烧穿哪怕1mm的纸也不算容易呢

        自制的低能燃料性能极为有限,冲天炮就是纸壳。但我接触的是制式火箭发动机,高能固体燃料,发动机壳体要在很长时间里承受高温的同时还要承受很高的压力,纸是解决不了问题的。
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26楼
瞬间穿掉
引用第24楼power_rdx于2009-10-01 18:59发表的  :
要求很高乎?燃料外面包几层纸就能解决问题,根本用不着外壳耐高温。要想在1,2秒内烧穿哪怕1mm的纸也不算容易呢
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27楼
本来想用应变片测推力曲线,可惜发动机总是烧穿
前面搞配方一长串失败已经搞得很烦了,干脆当一次伸手党
谁做出来能用的发动机之后再跟进
引用第20楼warmonkey于2009-09-30 19:18发表的  :
RNX比冲多少?特征速度多少?燃速-压力曲线有吗?
这些数据的缺失造成了很多问题
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2009-10-3 00:21:09
lilith(作者)
28楼
回复楼上:测压的话这个应该可以,只是太笨重。-pic

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lilith(作者)
29楼
引用第22楼普通用户于2009-10-01 13:46发表的  :
随便一个星型的棒子就可以,没有严格的几何尺寸
即便误差是10%,你那小玩意儿的总量依然很小

那么,你有什么证据说他的说所谓的误差在10%呢?
总冲多少算大呢?
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30楼
我做的时候是衬两层纸筒,纸筒之间涂一层氯化铵膏体,有兴趣可以试试,隔热效果显著。
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31楼
测燃料参数要反复试验N次,还是用10g装药的小发动机合适

最好多几个人用不同的发动机试验一下前面的重结晶RNX配方,看效果如何
发动机结构成熟之后再进行参数优化

引用第28楼lilith于2009-10-03 00:21发表的  :
回复楼上:测压的话这个应该可以,只是太笨重。-
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2009-11-22 14:48:23
2009-11-22 14:48:23
32楼
大家别再沉醉在葡萄糖,硝酸钾这种垃圾上了,来研究一下六硝基乙烷的新合成路线吧!这个才是终极的固体氧化剂这个不吸湿,正氧高,能量高稳定性也不错。加氢化锂也能极大的提高比冲,不过这个很贵,遇湿会很危险
-5  科创币    炸科学   2009-11-22    光说不练~~~
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33楼
引用第32楼放羊的猩猩于2009-11-22 14:48发表的  :
大家别再沉醉在葡萄糖,硝酸钾这种垃圾上了,来研究一下六硝基乙烷的新合成路线吧!这个才是终极的固体氧化剂这个不吸湿,正氧高,能量高稳定性也不错。加氢化锂也能极大的提高比冲,不过这个很贵,遇湿会很危险

这个比我还夸张  我只不过就是搞个AP发动机.....这连六硝基乙烷都出来了
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34楼
引用第32楼放羊的猩猩于2009-11-22 14:48发表的  :
大家别再沉醉在葡萄糖,硝酸钾这种垃圾上了,来研究一下六硝基乙烷的新合成路线吧!这个才是终极的固体氧化剂这个不吸湿,正氧高,能量高稳定性也不错。加氢化锂也能极大的提高比冲,不过这个很贵,遇湿会很危险

悲剧...把“垃圾”做好再来说吧
话说靠10gKN飞300m的高度,你达到的话再说KN系列的燃料是垃圾吧....
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35楼
KC的火箭,短板不在发动机比冲而在整箭质量比
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36楼
四硝基甲烷
引用第32楼放羊的猩猩于2009-11-22 14:48发表的  :
大家别再沉醉在葡萄糖,硝酸钾这种垃圾上了,来研究一下六硝基乙烷的新合成路线吧!这个才是终极的固体氧化剂这个不吸湿,正氧高,能量高稳定性也不错。加氢化锂也能极大的提高比冲,不过这个很贵,遇湿会很危险
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2010-3-31 20:12:27
2010-3-31 20:12:27
37楼
引用第13楼trample于2009-09-29 20:37发表的  :

DIY接受教育...是啊.....HX.....从现在开始的48小时是最难熬的.........
额 可能我的表达能力有限...我的意思千篇一律的KN..为什么不能有些小改进呐?..比如用AP等代替少部分的KN..或者加谢催化剂..或者在熬糖是加些TNT、PA等提高其含能啊?......那个35:65的比例.........无语了.........
我自己做了些高氯酸铵不过看来不能只用ap做推进剂
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38楼
引用第36楼拔刀斋于2009-11-22 20:11发表的  :
四硝基甲烷

你说一些 我找文献 争取6月前合成出来注意 价格不能过千
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39楼
我虾扯蛋的,没听说真箭上用四硝基甲烷,顶多做增塑剂
先从RNX和RAP(环氧+AP)开始做,进一步提高能量加Mg/Al
这类燃料已经有一定的实验积累,就差解决工艺重复性问题了
引用第38楼kasim于2010-03-31 20:16发表的  :
你说一些 我找文献 争取6月前合成出来注意 价格不能过千
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2012-2-12 14:45:01
2012-2-12 14:45:01
40楼
求RNX的比冲、推力曲线。。。
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2012-2-20 17:26:57
2012-2-20 17:26:57
41楼
记得看过一个文献
大致是说
比冲=喷射速度
效率越高 比冲就要越高
能够提高喷射速度 效率就会更高
希望能有帮助
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