喷气推进
 
火箭版研究课题综述与推荐(不断更新中)
拔刀斋 2011-10-24
小时候,我们拿鞭炮药做火箭发射——BOOM。
来了KC以后,我们配制燃料、试燃,然后制作发动机、地面试车,最后制作火箭、发射。
现在,我们设计、制作、测试火箭的各个分系统,最后总装和发射。

高水平的火箭需要以下三方面的进步:
1,更精深的技术:从黑药到糖类燃料,再到高能的RAP推进剂;电子设备和控制系统从无到有。
2,更大的工作量:零部件的数量越来越多,个人完成整个系统的难度越来越大。
3,更高的可靠性:由于零部件数量增加,每个零部件需要更高的可靠性才能保证系统可靠性不下降。

这三方面的需求有一个共同的解决方法:对每个技术问题分别深入研究和测试,然后组合成系统设计。
问题细分之后,不仅可以研究的更透彻,合作的更灵活,还降低了研究的难度和危险性门槛。

新手也有机会发出高水平的精华文章!

以下是一些主要的研究问题(后续会不断添加):

基本分类:
资料文献、测试仿真、固体燃料、固体火箭、液体燃料、液体火箭、箭体、火工品、回收技术

资料文献:
与各个具体研究课题相关的资料文献,无论个人水平高低都适合参加资料收集,上传时应搭配简要的概述。

测试仿真:
火箭各部分的测试仿真技术、仪器、软件平台,包括但不限于以下主要课题:

测量与仪器:
发动机推力测量(推力计)——测力使用应变片(包括成品电子秤传感器),目前急缺试车台机械结构!
燃烧室压强测量(压力传感器)——可以用直喷管推力换算,或使用成品气体压力传感器。
固体燃料性能参数测量——使用发动机的压强时间曲线换算,或恒压燃烧装置,欢迎继续编写计算程序!
燃料性能的热力学计算——GUIPEP等软件,可计算任意燃料组合配方的理论比冲等性能。
液体燃料喷嘴雾化性能测量——PIV:高速摄影+图像处理?
液体发动机燃烧室声谐振测量——使用扬声器和麦克风(专业方法也这样做)。
火箭飞行状态参数的测量——使用加速度计、陀螺仪等惯性元件作姿态估计、多普勒测速等。
火箭发射视频的拍摄——包括摄像机的选取、位置布置等,新手也可成为摄影达人哦!

计算与仿真:
固体发动机内弹道特性的仿真——推力计算器、多段药柱优化等程序,已有一些计算程序作品,欢迎补充!
液体发动机内弹道特性的仿真——有一些热力学和流体力学的理论公式,待整理编写计算程序!
火箭飞行外弹道特性的仿真——SpaceCAD、MATLAB Simulink的Aerospace工具箱,欢迎继续编写计算程序!
结构力学计算与有限元仿真——ANSYS软件的使用、发动机的结构应力分析等。
流体力学计算与CFD仿真——ANSYS/FLUENT软件的使用、空气阻力的计算、燃烧室和喷管的仿真等。


固体燃料:
常见的固体推进剂介绍:

黑火药BP——本版有详细教程、技术成熟、压制药柱费力并且药柱强度低,适合制作20mm以下的小火箭
(不建议使用)鞭炮火药、窜天猴笛音剂——含氯酸钾、极易爆轰
糖类推进剂(KNDX/KNSU/KNSB)——本版有详细教程、技术成熟可靠、热浇注。
AP类复合推进剂(RAP、聚氯乙烯-AP、HTPB-AP)——本版有部分教程、高性能、有爆轰危险、真空浇注。

推荐的研究课题:
糖类推进剂(KNDX/KNSU/KNSB)的配方、性能、燃烧试验——目前已经较为成熟。
糖类推进剂(KNDX/KNSU/KNSB)的批量制备工艺、产品品质一致性的改进、KNSB的推广使用。
AP类复合推进剂(RAP、聚氯乙烯-AP、HTPB-AP)的配方设计、理论性能计算、制备、燃烧性能测量。


固体火箭:
现有的固体发动机设计资料介绍:

推荐的研究课题:
固体火箭发动机的总体设计——从PVC发动机到金属发动机。
筒体、喷管、堵头等结构件的设计——材料、工艺、紧固件、防热技术,最好有定量的受力、传热计算。
固体火箭发动机的试车实验——测量详细的推力曲线等数据比单纯追求高性能、大规模更重要。

液体燃料:

常见的氧化剂介绍:
过氧化氢——易得、无污染、强腐蚀、易分解、可作为单组元推进剂、高浓度易分解爆炸、储存不很稳定。
液氧——高能、无污染、低温、不能长时间储存、不易购买和运输。
N2O——无腐蚀无污染、压缩液化气体(常温下蒸汽压约6MPa)、可作为单组元推进剂、易分解爆炸。
发烟硝酸——较为易得、易挥发、烟雾有毒、强腐蚀。
(不建议使用)红烟硝酸、四氧化二氮——用于长征火箭、极易挥发、气体剧毒、强腐蚀。
常见的燃料介绍:
燃油(汽油、煤油等)——易得、无污染、燃烧值高、需要火源点火。
醇类(甲醇、乙醇等)——易得、乙醇无污染、蒸发冷却燃烧室的效果较好、需要火源点火。
胺类(乙二胺、乙醇胺等)——易得、有毒但污染环境不严重、加入催化剂后与90%过氧化氢混合可以自燃点火。
(不建议使用)肼类——用于长征火箭、与硝酸或四氧化二氮混合可以自燃点火、有毒、致癌。

推荐的研究课题:
液体推进剂的制备——制备的原理、装置、流程、难获得原料的采购。
液体推进剂的化验——目前主要是过氧化氢浓度测量,包括化学滴定、密度法、PH法等。
液体推进剂与材料的相容性——推进剂接触、浸泡储存容器、管道、阀门等部件材料是否会发生分解或腐蚀材料。
液体推进剂输送系统的设计——
+1  科创币    jrcsh   2011-10-25   支持
+200  科创币    焓熵`   2011-10-25   意義重大
+100  科创币    ehco   2011-11-01   高质量发帖
2011-10-25 01:30:57
1楼
太专业了,俺看热闹好了。[s:274]
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2楼
俺还是专心做过氧化氢发动机
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3楼
冒昧提个建议:火箭发射视频的拍摄问题,最好是多角度的,越多越好,越多越好。不要怕花钱,摄影设备的这点投资,回报将会大大的。
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4楼
回 2楼(ehco) 的帖子
我还是专心将BP的性能压榨到最后一个百分点。
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2011-10-27 18:00:53
2011-10-27 18:00:53
5楼
表示,准备做干混KNSU,加适量添加剂。比如··········碳酸铵啊,碳酸氢铵啊····等等。
降低燃速。虽然有降低比冲。但是装药比可以增加。目标是调到整个火箭除了头锥就是发动机。
RAP什么的搞性能燃料······我穷,就搞不起了。发挥慢速能力。
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2011-10-28 00:34:55
6楼
俺还是专心做RAP[s:178]
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2011-11-1 16:05:13
2011-11-1 16:05:13
7楼
学习了 内容很全啊
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2011-11-8 22:24:11
2011-11-8 22:24:11
8楼
思路广欢乐多一下,有没人试过用液态硝酸铵作为推进剂的-=
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2011-11-14 16:09:00
2011-11-14 16:09:00
9楼
有做ADN的朋友可以交流下吗?
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2011-11-15 23:08:10
2011-11-15 23:08:10
10楼
到现在这个地步,载荷和火箭的概念应该分开了,火箭的任务应该限制在“沿着预订轨迹将载荷运送到指定的地方”这么一个范围以内。在发动机这个方面,需要重点搞一个稳定可靠的、参数可以精确重现的型号序列出来。
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2011-11-16 13:03:36
拔刀斋(作者)
11楼
引用第10楼虎哥于2011-11-15 23:08发表的  :
到现在这个地步,载荷和火箭的概念应该分开了,火箭的任务应该限制在“沿着预订轨迹将载荷运送到指定的地方”这么一个范围以内。在发动机这个方面,需要重点搞一个稳定可靠的、参数可以精确重现的型号序列出来。

航电算载荷还是算火箭合适?

发动机方面,现在热熔KNDX燃速只有重结晶KNDX理论燃速的一半多一点。
等推力计做完实测参数之后搞精确的设计(实际用起来还是不精确的),或者直接按现有数据放宽安全范围设计?
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2011-11-17 03:22:24
12楼
航电如果是用于飞行控制、测量的,应该属于火箭。如果用于其它目的,比如探测高空环境,就是载荷。我这样说的目的是想推动载荷的研究。火箭只是载具,一些典型的应用应该有相应的载荷方案。

我一直主张放弃KNDX和KNSU,以至于曾要求所有KNDX之类推进剂不准发进火箭版。虽然从安全简便考虑至今包括KCSA的部分课题组还在使用,但是低的可靠性、储存性,实际上意味着更危险。甚至用这些燃料的火箭,有多大推力,能飞多高这样的简单概念问题都无法定量给出,每次做出来的都不一样,做好以后过两天发射和过三天发射又不一样。这样的推进剂,想想都极为可怕。没有任何容易的办法保证参数的一致性,花功夫保证其一致性,比研制更稳定的推进剂更麻烦。而且稳定的推进剂并不是入门级的爱好者就不能掌握,只是因为我们没有深入研究和大力推广而已。

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我并不专业,只是凭想象提出上述参数,希望大家定一个发动机方面的中期目标出来。搞了那么多年火箭了,轮到用时连一个成熟可靠的发动机都找不到,还需要现画图纸现设计,会不会爆能不能飞都要碰运气,想想都觉得好笑。
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拔刀斋(作者)
13楼
KNDX除了参数离散性大,制作过程的危险性甚至超过了能材,KNSU更差。

淘汰KNDX之后用什么替代?
BP做不大,RAP工艺要求严格否则易爆轰,目前可选的有两种替代品:
1,KNSB,工艺与KNDX兼容,吸湿性和操作温度比KNDX低,原料充足廉价。
2,RNX,工艺性和安全性优秀,但目前缺少参数、环氧树脂也不易少量购买。

另外,现在发动机试车台的制作可能比发动机本身更重要和紧迫。
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14楼
个人认为在科技活动这个范畴内,推进剂可以分为三种:入门级、进阶级和专业级。

入门级:推广KNSB,热浇注工艺;
进阶级:KN(或硝酸钠)-聚乙烯或其它粉状高分子粘接剂,压铸工艺;
专业级:RAP,HTPB-AP等,真空浇注,常温或加温固化。

以总冲1000s以内小火箭为例:
热浇注工艺只需一口大锅一口小锅就完事,成本最低。
压铸工艺,在不精确测压力的情况下(可以通过压缩比来规定工艺条件),300元的设备就能搞定,任何做金属发动机的人都能承受。需要的就是开发一套标准的压铸设备。
真空浇注和加温固化,需要大约2000元的设备。由于是专业级,当然就只需少数地方配备这些设备就够了。

如果上述分级可行,那么下一步就是最终确定每级的主打推进剂型号,然后测出其基础数据。
现在大家都想着尽快把火箭射出去,这个当然是好事,但是如果不从基础的条件做起,那么可能反而欲速则不达。
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2011-11-18 09:16:38
拔刀斋(作者)
15楼
目前KCSA在发动机上出问题的比例与火箭其他部分出问题的比例相当。
而且同样是KNDX,放在ABC和93手里就用的很可靠,整个火箭都可靠。

ABC和93的火箭特点在哪里?规模较小、制作精致、发射次数多。
现在关键要把发射次数做上去,使发动机、航电、开伞等系统得到足够的飞行次数验证。
所以只要搞一款适合在城市近郊频繁发射的发动机和箭体,然后搭载各种东西轮番试验。

相应的发动机应该总冲适中、成熟可靠,既能搭载航电和开伞又允许在城市近郊发射。
以前的32mmPVC发动机曾经在这方面起过很好的作用,只是后来被低估和放弃了。
结论:把32mm这个规格重新捡起来,结构材料改成45#钢,燃料用KNDX/SB,频繁发射。
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16楼
回 15楼(拔刀斋) 的帖子
BP一直是我坚持的目标。
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拔刀斋(作者)
17楼
Re:回 15楼(拔刀斋) 的帖子
引用第16楼火星居士于2011-11-18 17:32发表的 回 15楼(拔刀斋) 的帖子 :
BP一直是我坚持的目标。



可以考虑BP工艺的精细化和比冲、燃速等参数测量。
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18楼
回15L:

制作精良当然是好事,同时也应该有能适应比较低的“精良”程度的设计方案,以及对一些部件供应标准化的套件,这样才能降低失败率和事故率。把一个东西做精良需要花费很多的时间和人力成本,如果要有较多飞行次数,成本不可小视啊。
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拔刀斋(作者)
19楼
回 18楼(虎哥) 的帖子
频繁发射对于验证开伞回收等技术的价值不可替代,但增加的成本可以靠减小每次发射的规模来补偿。ABC和93很久以前已进行过大量发射,总成本却并不很高。所以说要重视中小级别的发动机。同时,中小级别的发动机也更容易普及。
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2011-11-19 13:06:39
20楼
回 17楼(拔刀斋) 的帖子
这个好!不需要很开阔的飞行场地,技术难度也不是很大。
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