固液火箭发动机首次全功率试车
固液火箭发动机具有高比冲,低价格,制作简单,安全性极高的优点。
这是文献的介绍我就不用解释了。



其中高比冲是一大优势,固液很轻松达到高于固机的比冲,虽然比液机略低,但是高安全性和简单的结构是液机无法比拟的。
这是燃料比冲表



但是固液却存在以下缺点:1.密度过低 2.燃烧效率低  3.特别是文献资料很少,目前能够找到的基本上就只有北航的。4.试验成功的案例较少,技术相对来说不够成熟。


以上简单的科普完毕,如果要了解详情请看以下帖子学习
https://www.kechuang.org/t/46322
https://www.kechuang.org/t/45130



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一条华丽的分割线后现在开始今天的话题了

燃料的介绍:
氧化剂:气态氧(由借来的钢瓶供应)
固体燃料棒:聚丙烯(直接安装在发动机内部)
最开始准备使用聚乙烯或者HTPB燃料,因为这两种燃料的文献比较大相对来说技术较为成熟,但是这两种我都无法购买,可能是我都人品问题吧。由于我的条件有所限制,最后被迫使用与聚乙烯性质较为相似的聚丙烯当做燃料棒。
聚丙烯的价格较为低廉我购买的价格为18元/kg,这价格远低于固体燃料。但是密度较低才0.9g/cm^3,在相同的性能下使用聚丙烯燃料会造成发动机体积较大浪费更多的材料使得成本可能会更高。
发动机参数:
设计压强:1.5MPa
发动机壳体材料:304不锈钢
喷管及堵头材质:40Cr(根据强度判断,可能是不合格产品,具体结果准备去化验得出)


喷注器材质:黄铜
设计推力:8kg
理论出口速度:2.38马赫



说完参数先上图片,免得说我在吊胃口。
视频还在发布中请稍等。此贴未完请勿盲目评论。


可能是燃料性质问题,亮度过大无法看见马赫环。下次我会使用滤光镜把大部分光过滤掉,就像下图这样。

+1  学术分    拔刀斋   2012-08-07   鹰鹰制作过程写的很详细啊,首见KC公开资料的固液火箭。
+45  科创币    delete   2012-08-07   
+25  科创币    小哈_abc   2012-08-07   强大。。科创的有一大进步啊
+1000  科创币    焓熵`   2012-08-07   嗯嗯,非常不錯~  試驗思路條理清晰,但是點火方式略顯蛋疼
+100  科创币    zzlzhang   2012-08-08   缺乏HTPB?我可以弄固化好的HTPB燃料棒子给你,要不... HTPB DOA/DOS增塑, MDI固化
+200  科创币    ehco   2012-08-08   可喜可贺
+200  科创币    qg2010   2012-08-08   高质量发帖
+100  科创币    xj198398xujing   2012-08-08   高质量发帖
+40  科创币    delete   2012-08-09   
+49  科创币    delete   2012-08-09   高质量发帖
+25  科创币    iamapighhh   2012-08-24   
+1  科创币    浴血前锋   2012-09-11   呵呵~~~~你某些欲望很强啊,什么都玩,而且玩的都很嗨,米人
来自 喷气推进
 
2012-8-7 14:12:08
1楼
不行  偶要占座
+1  科创币    warmonkey   2012-08-08   卖萌
+1  科创币    猎鹰   2012-08-09   占着茅坑不拉屎
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猎鹰(作者)
2楼
实验共分了四次完成。

第一次:验证聚丙烯气态氧的燃料组合的兼容性与可靠性,在常压下完成













之后把火箭拆开,检查是否受损
发现几个燃料棒的连接处出现了端面燃烧,幸好是固液,如果是固机肯定炸了。


吸取这次教训后,后面的我就用环氧树脂把两根燃料粘在了一起,防止出现端面燃烧,造成发动机损坏。


发动机的喷管处积碳比较均为,未出现明显的损坏




喷注器上面也有较为严重的积碳,说明了后部也出现了端面燃烧,之后通过打磨和加大压紧的力度得到了改善。












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通过第二次的实验发现气态氧的能量密度过低,决定对发动机进行了参数的修改,相比原来的喷管减小了推力,还增加了一个后部燃烧室,使其燃烧更加充分,关于燃烧室的设计方法可以参考液体火箭发动机,由于固液的燃烧室容积随着固体燃料的消耗而变大,由此初始的容积可能会略低。

和之前的喷管进行对比











第三次:测出推移速率,由于当时天气原因,快要下雨了,必须赶在下雨之前将实验做完,因为当时遥控电点火器出现了接触不良等问题,所以没有使用电点火,这也就造成了实验的工作时间无法测量,结果就是第三部的实验没有精准测出推移速率。
正常工作时间共三秒为视频中的7-9s ,之前电磁阀(额定24V)在低压下12V能够正常工作,但是在加2MPa的气压后无法正常开启,也就造成了被迫使用手动开启,由于手动开启速度太慢,有效的工作时间相比较短。这也是我下次试车需要改进的地方。
本来是设计了一个水冷系统,但是天气不好,而且遥控设备接触不良等问题,我就没有安装,造成了不敢长时间工作。
[flash=640,480]http://player.youku.com/player.php/sid/XNDM2Mjk4MzA4/v.swf[/flash]







从火焰中可以看到达到了完全膨胀,和我的设计要求十分接近。由于视频的拍摄、点火’开气瓶等动作全部是我一个人完成,因此难免有一些手忙脚乱,有没有来得及加滤光镜拍摄马赫环。在现场我隐隐约约看见了三个马赫环,而且排气的声音巨大,这时我有一些紧张,结果把气瓶给关闭了。当时和喷管相距四五米远的地面上的灰尘也被卷了起来。 可能只有在现场才会体验到那时震撼的感觉。









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第四次:测出运送管道等设备产生的压降(气瓶处的压力表显示2.4MPa) 喷管使用的是10kg,2MPa

两次达到设计推力分别是 5-6S和8-10S  由于固液火箭和固体火箭相比有了可以重启的优势,由此中途尝试了一次重启,最后因工作时间太长而烧毁。
视频中可以看出地面的灰尘被吹走了,可见排气速度还是比较高。 最后喷管烧毁,部分燃气朝下方喷去,使得试车台与地面的摩擦力减小,导致试车台发生了一定的位移。
[flash=640,480]http://player.youku.com/player.php/sid/XNDM2Mjk5MjYw/v.swf" target="_blank" style="font-size:20px;">点击此处查看视频


从火焰中可以看出有一些过膨胀,由此可以得出在气瓶不变的情况下使用1.5MPa的喷管较为合适。



















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3楼
鼓励,好东西,祝贺成功
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猎鹰(作者)
4楼
拆机检查
由于燃烧温度比较高而且时间长,燃料棒和后部的堵头喷注器合二为一了,不过这也说明了这次防止端面燃烧做的不错。




我的燃料棒有两根是用环氧树脂粘接的,另外一个是通过502胶水进行简单的粘接,使用502胶水的明显效果差一些也发生了端面燃烧,这个是下次要修改的。



检查喷管
直接烧毁的喷管,看来已经无法正常使用了。





另外一个幸免的喷管



通过烧得发蓝的地方可以看出药柱内部的燃烧室同心度太差,毕竟我的经济条件有限只有用手枪钻打孔,下次干脆花钱上车床



总结:

以下几处需要改进
1.手动开启阀门速度过慢,造成无法测出推移速率,下次会使用电磁阀控制。
2.点火方式过于蛋疼,之后需要更换电热丝配合硝糖点火。
3.需要安装大功率的水冷器。
4.下次会使用多部相机进行拍摄,其中会有一个是用来拍摄马赫环的特写。
5.在燃料的加工上不能过度省钱,需要上车床,达到高同心度。
6.气态氧密度过低,无法满足大推力发动机,可以改进使用液氧。不过这一步相对有些遥远了。
(还有部分图会在之后公布)


实验结束,根据老规矩上loli一只

+1  科创币    鬼灯哥   2012-08-25   很明显咱俩口味不同嘛,不算侵权嘛
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5楼
神贴!!
火钳刘明!
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6楼
鹰鹰制作过程写的很详细啊,首见KC公开资料的固液火箭。
几次试验就做到了接近完全膨胀的效果,燃料退移速率有现成文献参考?
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7楼
猎鹰威武  字数补丁。exe
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猎鹰(作者)
8楼
回 6楼(拔刀斋) 的帖子
推移速率的文献非常少,在一次查找中我无意中找到了,一篇讲聚乙烯燃料的http://www.mmic.net.cn/data/3/5471.html
从这个文献中可以知道聚乙烯的推移速率约0.3mm/s,而聚丙烯的熔点略高于聚乙烯,因此推移速率可能略低。 从之前的两次燃料测试中对燃料棒的观察发现与这个数据十分接近,但是准确的推移速率可能要之后配合电点火器才能测出。
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9楼
差点忘了把这些照片发上来了。

蛋疼的全木质试车台,只能用于小推力的发动机。



304不锈钢的壳体



第一次设计的发动机,配21kg的喷管



在我实验完毕后没过多久就下起了雨,一场和我一样纯洁的雨。
就是这样一场纯洁的雨,让我烧毁了一个喷管。



在图片的右边可以看到实验用的氧气钢瓶。瓶内压强8MPa,减压器最大压强2.5MPa。
+1  科创币    香皂火箭q   2012-09-28   你不会和猎鹰是一个人吧
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2012-8-8 00:14:24
10楼
呼啸声非常强大,效果大赞![s:274]
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11楼
缺乏HTPB?我可以弄固化好的HTPB燃料棒子给你,要不...
HTPB DOA/DOS增塑, MDI固化
+1  科创币    猎鹰   2012-08-08   可以啊,价格多少呢?
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12楼
可喜可贺,可喜可贺! 弄完气态的,还是上90水吧。
电磁阀要24V驱动啊
焰型都是欠膨胀的,要加大扩张比饿
+50  科创币    虎哥   2012-08-09   这技术都快成套了
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13楼
从排气上看属于富氧燃烧
喷注器混合效率比较低导致喷管附近氧浓度比较高 爆喷管在所难免
40Cr属于低合金钢 常温下强度大于普通碳素结构钢 但高温时强度下降的也快
其实用不锈钢可能要更好一些
+50  科创币    虎哥   2012-08-09   星空厂长不见大事不出来啊~~
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14楼
我无语了.....................你太牛了。居然能把喷嘴给烧了。。。。。。。
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猎鹰(作者)
15楼
回 12楼(ehco) 的帖子
之前我在氧化剂方面是这样考虑的,首先过氧化氢的浓缩成本非常高,真空泵我是买不起的,而且过氧化氢危险性也比较高,而且比冲比气态氧略低。而且整个发动机在设计时没有考虑过氧化氢,还要催化网的技术目前只有你掌握了,所以过氧化氢可能不合适,如果你能提供90的过氧化氢我还可以考虑一下。[s:233] [s:233]

火焰应该是过度膨胀吧,首先我的气瓶压力才2.5MPa,而且我在开启阀门时动作比较慢,在火焰的变化中一直是这种形状,直到最后才变得比较直。



  

在达到额定功率时火焰的喷口处出现了和书上相似的轻微收缩,由此判断应该是过膨胀。

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猎鹰(作者)
16楼
回 13楼(xj198398xujing) 的帖子
因为气态氧的密度太低了要提供足够的氧气我只有使用一个较大的喷嘴。
我的氧燃比在3.0-3.5之间,本来是想消除燃料中未完全燃烧的碳,出现清晰的马赫环,最后的结果难免有些失望。
在燃烧室的设计上我的容积在初始状态下略低于标准容积,大约在固体燃料烧了一半是达到标准容积。
下次有可能会改用不锈钢,最开始用40cr是看在强度高,没想到在长时间下会坏掉。
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17楼
回 15楼(猎鹰) 的帖子
额,不光是看质量比冲额,还要看密度比冲,90水1.40的密度可不是开玩笑的哦,一个40L的钢瓶装的气态氧也不过4Kg罢了。
既然要做液机,肯定要弄成液态的才靠谱啊。

欠膨胀焰型,排气的压头不能充分的转换为速度头(还残余静压),所以向轴线的法线方向发散了。

对于这张图


喉部还没达到当地声速,扩张段起不到减压增速作用,符合定流率亚音速气流流速与截面积成反比。无所谓过、欠膨胀。
+1  科创币    judema   2012-08-08   如果有机会我想上液氧,液氧效果好,而且可以用于冷却喷管。
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18楼
建议上N20   比氧气好很多 价格也不贵
+1  科创币    judema   2012-08-09   就是没钱才有氧气,氧气比笑气便宜多了。
+1  科创币    猎鹰   2012-09-10   你是土豪啊,300元/kg还叫不贵,要不你赞助我2kg?
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2012-8-9 00:16:46
19楼
回 18楼(2001081184) 的帖子
请给出合理的理由,为什么笑气更好?别说是猜的。
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20楼
回 19楼(judema) 的帖子
笑气在常温下就能液化,密度比氧气瓶高多了。氧气瓶不太可能用来上天,最多只能地面试车。

不过液态笑气哪里能买到?
+1  科创币    猎鹰   2012-08-09   液氧的密度不比笑气低吧,而且这只是试车,又不会上天
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21楼
呵呵 N2O的物理化学性质灰常好, 很适合业余爱好者DIY 火箭,价格也不贵,可以阿里巴巴找找看看。恒压阀淘宝有卖,也可以自己DIY,简单。喷注器就更简单了。
比夜机和固机 安全多了
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22楼
回 21楼(2001081184) 的帖子
刚刚查了一下价格在一千元以上,之前我也找过朋友问过汽车改装店的NOS系统的气瓶,价格非常高,根本买不起。而且如果要买N2O还必须购买相应的钢瓶,钢瓶的价格就不菲了,根本买不起。按照现在的条件只有使用气态氧作为氧化剂。毕竟这是中国,不像美国佬一样随便购买。
你老潜水厉害啊,06年的号,这才发了俩帖子。
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23楼
能用液氧的话当然更好。存储和运输没有N2O方便,但价格肯定低很多,也没有温室效应。液氧貌似也不好买,气体厂都在非常郊的郊区。
+1  科创币    judema   2012-08-09   最怕就是厂家不愿意出售啊!
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24楼
其实NOX和双氧水系的氧化剂,已经论述很多遍了,业余条件下还是HTP靠谱啊!
液氧便宜,但是很难储运,对管道的压力也大
NOX的比冲不高,而且难购得。
相对来说,HTP各方面优秀啊,说危险也不见得多危险。
+1  科创币    judema   2012-08-09   上次的那次事故太吓人了。
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25楼
额,事故是成功他妹啊。
+1  科创币    猎鹰   2012-08-09   妹和妈都太多了
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26楼
回 24楼(ehco) 的帖子
不是每个人都像你那样能搞催化床啊
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2012-8-13 00:47:14
2012-8-13 00:47:14
27楼
回 26楼(小俊) 的帖子
这玩意没啥成本,没啥技术难度,只要想搞都可以搞
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28楼
有个想法:直接用一个氧化剂罐+多个固体药柱实现偏角燃气发生器,控制火箭转弯。气动舵省掉。
+1  科创币    nongmiintou   2012-08-17   我很赞同!!
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2012-8-19 22:52:03
2012-8-19 22:52:03
猎鹰(作者)
29楼
今天又一次开机了,公布一张照片。这次出了4个马赫环,在现场看起来相当明显,由于火焰的光太亮了,滤光镜不够,相机太差,没有拍出清晰地照片。

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2012-8-20 00:08:36
30楼
视频中出现的火花应该就是尾喷管被烧熔之后喷射出来的。
你不能做个电子点火的装置吗,我连个煤气灶都不敢点的。。。
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31楼
回 28楼(小俊) 的帖子
这种姿控工况下,一般使用单组元燃料。常见的有N2O,肼和双氧水。
1是单组元发动机结构十分简单,结构质量轻
2是推力在一定范围内可以连续精密调节
3是后效冲量十分微弱

如果使用固液发动机的话,一是固体药柱燃烧型面无法精密可控,也即是混合比、推力无法精密可控;二是结构质量较大;三是重复启停性能远不及单组元液体发动机;四是后效冲量较大。
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32楼
回 31楼(ehco) 的帖子
经过近期的实验得出结论,固液发动机很难作为连续重复启动的发动机,比如调节姿态的发动机。固体燃料棒必须要预热才能正常点燃,如果不断重启燃料棒会因为部分汽化而流失,蒸发。

这是没有完全预热的点火







开始会有大量氧化剂喷出,但是火焰很小,而且基本上无推力。然后会有部分燃料汽化燃烧,这时会有较小的火焰,之后会很明显地看到火焰变长,排气的声音也会变大。
视频会在过几天放出。



乖老大怎么这几天在群里消失了,是不是准备结婚的事情了。
顺便祝贺一下新婚快乐。
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33楼
果然固液的通病 - - 到中后期会有火星飞出 - -终觉得不是很安全
+1  科创币    judema   2012-08-21   那是喷管烧了,正常是没有火星喷出的。
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2012-8-22 13:19:14
2012-8-22 13:19:14
34楼
回 32楼(judema) 的帖子
这是因为没有点火装置造成的吧
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2012-8-24 19:56:31
2012-8-24 19:56:31
35楼
回 21楼(2001081184) 的帖子
我表示我可以购买氧化亚氮,但是价格为300元/kg,还有的厂家要600元/kg,太TMD贵了,只有土豪才能使用。
液氧相对来说比较便宜9元一升,冥灵同学玩过,他是拿液氮罐当容器,容器的价格也比较高需要600左右。而且有些气体厂还不给液氮罐装液氧,还说安全问题等等。
相对来说还是液氧比氧化亚氮靠谱。
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2012-9-5 09:16:30
2012-9-5 09:16:30
36楼
哇~~温度很高吧!都烧熔了!
+1  科创币    猎鹰   2012-09-05   2700K
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2012-9-9 11:45:59
2012-9-9 11:45:59
37楼
火力狗强大,连喷嘴都损毁了。。。。
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2013-2-23 18:27:09
2013-2-23 18:27:09
38楼
咋连一个马赫环都没看见,[s:275]
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