最新LHmini非金属固体火箭发动机提前公布(冲刺目标的发动机设计)+ 一种发动机的故障原因分析方法
        继LH系列(https://www.kechuang.org/t/70751)的LH4-B研制完成后,已经进入LEX系列的计划阶段。所以在两个时期之间,而且拥有LH系列遗传和为了LEX试验的LHmini,应该算是不属于LH系列也不属于LEX系列的过渡型号。


        先bb一会...
        在这之前,有人好奇我为何这么执着于“硝糖”和“PVC”这些“低端”的材料。其实也没啥原因,只是材料经济且容易加工,这样就可以在有限的时间内方便进行修改和并进行更多数量的试验。我攒够一个学期(1000+),其实也可以做一台不错的全金属发动机,只是无法保证设计质量。可同样的,我可以尝试十几种修改,并以试验证实(这正是我的乐趣所在,自己动手,解决问题)。同样如果燃料费用太高昂,也没啥用。其实之前我为了大威力也玩过金属铝机,不过因为每次试验的费用都比较高(穷人...没办法),加上对铝机又不了解,到最后,折腾了近千块什么成果毛线都没有,明白了:金属机不是现在的我可以掌控的,就果断瞄准了PVC。现在看来选择是正确的。
        当然,要有更高的发展,好材料是决定因素,这也启动是LEX系列计划和尝试AN燃料计划的原因(不过得暂停了,这一年为了高考。)只是希望大家冷静一点,综合考虑一下自己的实力和经济水平,理性对待。
        
好了,回正题。让LHmini先亮一下像。
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再发几张试车特写:
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(下雨的时候试的车...  喷口包着铝膜。镜头湿得厉害,有点模糊.....)
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之后就是LHmini目前的设计图,标注了必要尺寸:
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LHmini对比LH4-B可以说是有巨大的改进,其实虽然名为“mini”,其实并不小,是更简化了。以下是发动机基本数据对比表格:
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看得出,在总质量几乎没变的情况下,发动机壳更轻,更坚固,装药更多,这都是优化的成果。
不仅如此,结构上也简化了(不过因为胶粘的步骤增加了,制作时间增加到6小时/台,不过乐在其中):
这是LHmini的结构,对比LH4-B(https://www.kechuang.org/t/71645)已经简单了很多(简单更可靠嘛):
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       关于LHmini的装药设计,因为采用了长径比很大的单段,单圆孔装药,会导致前后的燃面变化剧烈:前部分内压小,推力小;后部分内压急剧增加,推力同时剧增,这个已经在LH4-B上证实,对发动机极为不利。又因为现在我的条件不允许,且时间有限,无法使用星孔装药。所以参考了单室多推力发动机的发射级装药,把药柱分为较长的采用纯KNSU的主药柱,和较短的采用KNSU加X(一种国家允许的火药添加物)配方(本配方很简单,但考虑到一些原因,绝不公布,也不允许提问。如管理员需确认可私信)得到高燃速,高压强指数的燃料,这样发射极燃料就可以在低压强下获得高的燃速,进而提升燃室压强。以达到减弱推力峰值过于明显和为火箭提供较大的初始推力的目的。主装药采用纯KNSU是为了保证后工作阶段的推力要求,同时保证内压不至于过大。
       虽然测力计因不明原因,零点漂移的很厉害(可能是板子坏了,或者买到坏传感器...)无法从推力数据得出结论,不过从喷口的羽流变化观察,效果较好。虽然初始推力依然无法同峰值(大概35kg)相比,不过也应有10kg左右,相比LH4-B的不足5kg改进不少。

LHmini壳体设计
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        LHmini继承了LH系列的双层壳体设计,不过已经抛弃了不符合”时代要求“的中心环(不过对它还是有感情的,毕竟奉献了这么久),改用PU树脂填充。这样既可以满足最初的要求:将内筒所受的内压传递到外筒,而且是完全的均匀传递。而且PU即聚氨酯拥有良好的拉伸强度:8.83~117kPa,较高的熔点(℃):170~190,和低的导热系数:0.034~0.041W/(m.K),同时还起到加强壳体的作用。其树脂预聚物粘度很低,流动性极佳,这又为PU中心层使用浇筑法加工带来了方便。
        具体的加工方法是:现在发动机的底部用电工胶布在内筒绕上一个中心环并胶粘密封,起到固定、定位和防止PU预聚物在浇筑时的泄漏。


LHmini喷管整体设计
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       取消了LH4-B的为金属收敛段和喉衬设计的喉衬冷却设计,因为这里以非金属材料为主体,隔热性良好,不会出现LH4-B的烧毁现象,但继续保持了金属喉衬抗冲刷的优点,还减轻了重量,一举两得。
       可能大家对LHmini分为两级的双钟形喷管感到奇葩。这也是因为LHmini的装药而设计的,初始工作段,内压较小,所以通过扩张比较小的第一级时,不会发生射流分离,当燃面增大的后工作阶段,内压增大,燃气将在第一阶段欠膨胀,后而将在第二阶段继续加速膨胀。虽然这样的设计看似会使超音速燃气因受阻碍而产生性能损失,而事实上,欠膨胀燃气的冲刷作用会在后阶段,把双钟形喷管冲刷成一个完整的钟形喷管(同样有损失,无法避免)。      
       事实上喷管的第一阶段由农机胶粘接密封,再用农机胶形成密封圈达到密封作用。农机胶以环氧树脂为基体,但因加入了添加材料,拥有了优良的耐火性能(亲身体会),且价格便宜。
       喷管底座把由第一级喷管承受的内压平稳传递到固定螺栓上,避免因受力不均而破碎,而第二级喷管完全不受内压。


LHmini前封设计
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       取消了LH4-B前封加固螺栓的设计,变得更为简洁。 众多试验证明,在没有前封盖的情况下,前封加强块部分,会出现燃气泄漏,加厚的作用也不大,原因不明。可能的一个原因,不同材料因高温产生内应力,高压而发生形变,导致粘接面间出现裂缝,燃气侵蚀加剧,导致燃气泄漏。加前封盖后,因前封盖把内筒整个密封,加大了燃气侵蚀的阻力。        
       为了前封盖的密封设计,造成壳体上出现一处弱点(即环氧加强环所在位置)这里几乎仅由单层PVC管承受内压,所以添加了一个环氧加强环(原本的设计应是凯夫拉纤维缠绕,加入环氧基体形成玻璃钢加强环,但因种种原因未能实现,只是用了环氧),同时尽量减少了药柱的长度。



LHmini的实物结构;
底部的中心环
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PU树脂浇筑成果
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前封的有机防火堵泥
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双钟形喷管
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本想采集数据的,后因严重的零点漂移问题希望落空... ...
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试车后的拆解:
壳体层次分明,烧蚀得并不严重
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喉部
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前封,把一层烧焦的堵泥清理之后...
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整机爆炸原因分析
发动机爆炸,属于致命问题,为了避免再次发生,对于原因的分析就非常重要了。以下就是我利用试车的回放,查实爆炸原因的过程。其实对于试车的实时记录是非常重要的,它可以还原事件的发生过程,最有用的就是(高速)录像。个人认为,不应只把视频拍下来,看着爽作为要求。
在接下来是第四次试车时的失败,整机爆炸的原因分析。
在LHmini的第四次热试车时,发生了整机爆炸,图片纪实:
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        在前段正常工作后,突然发生整机爆炸。对于这样的整机爆炸,总的来说应该有两大原因:1.发动机结构设计不合理,先天的缺陷。2.装药出现问题,如产生裂缝或含有气泡等,这是装配过程不合理出现的问题。
        对于已经拥有三次试车记录和一次完美试车记录的LHmini来说,第一种的可能性较低,所以从第二种出发寻找原因。
        再查询了装配记录时发现,实测长130mm的主药柱,实测质量为126g(理论应有130g),再加之浇注药浆时的反常困难。这就得出一种猜想:因浇注反常困难,导致药柱内部存在较大气泡,导致的内压剧增,引起整机爆炸。


然后,就是验证这一猜想。通过逐帧检查60pfs的视频记录(帧速度必须大于60pfs,才有实际意义),得到证实:
248203


在工作中途,羽流中的烟迹发生明显的叠压现象,这是内压暴增的证据,正常工作时是绝不会出现的。
248204

紧接着的1/60秒后,外壳的最薄弱处(即环氧加强环部分)出现大量燃气泄漏,灾难就此开始。
248200

这是再1/60秒后,整机爆炸。从现象的出现到毁灭性的结果,整个过程小于1/30秒,速度极快。这就要求相机的速度必须大于60pfs,在其他25~30pfs的视频中没有发现整个过程。
       可见(高速)录像在问题分析的作用是很重要的。在这里,通过(高速)录像的回放,证实了燃料密度的不合格导致了爆炸,同时显现环氧加强环部分是发动机弱点,还需加强设计。



最后,由于时间和精力有限,而且加工时长为6小时/台(为了好东西,值得),LHmini只经历过有限的四次热试车,加工技术也还不成熟,导致问题较多:
第一次因使用了过期的农机胶水,导致出现密封问题。
第二次因纵向螺栓固定孔加工出现偏差,导致喷管被整个炸出。
第三次完美试车。
第四次因燃料的气泡问题,导致的整体爆炸。
明显,这样仅有的少数试车是远远不够的,更可惜的是第三次没有采集的LHmini的推力数据,之后的试验和改进肯定是必要的,不过现在也只能就此打住...

当然,欢迎提出帖子里的错误,以便讨论,改正。

[修改于 4 年前 - 2015-07-30 15:46:44]

来自 喷气推进
 
2015-7-28 07:29:17
1楼
赞一个。。。。设计图画的很漂亮
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2楼
好复杂!
不过,看样子还不错。
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3楼
对了,楼主你的模拟软件那来的?
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4楼
双钟形是怎样冲刷成一个,碳钢的喷管底座啊
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FROZEN巨擘(作者)
5楼
引用 z1458799323:
双钟形是怎样冲刷成一个,碳钢的喷管底座啊
其实中间还是有厚度的,只是为了画图方便,画成了那样,见谅。
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FROZEN巨擘(作者)
6楼
引用 万事通:
对了,楼主你的模拟软件那来的?
上网搜的....  再来点东西注册就行了。
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7楼
燃烧室内压多大,这扩张比怎么这么大
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8楼
wow,好棒[s:20]
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9楼
引用 氢氧化氢:
燃烧室内压多大,这扩张比怎么这么大
没有准确的模拟,只能通过经验和估算,应该在4~5mpa。
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10楼
没钱买高速摄像机是个硬伤……
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11楼
话说LZ的PU哪里来的……价格如何……
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FROZEN巨擘(作者)
12楼
引用 xian333c:
没钱买高速摄像机是个硬伤……
我也没钱,就买了一个60pfs的运动相机代替了...
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13楼
引用 FROZEN巨擘:
我也没钱,就买了一个60pfs的远动相机代替了...
问一下价格[s:25]
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FROZEN巨擘(作者)
14楼
引用 xian333c:
话说LZ的PU哪里来的……价格如何……
就是PU AB水  80一组,一共2kg。
248275
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FROZEN巨擘(作者)
15楼
引用 xian333c:
问一下价格
其实我买之后就有点后悔了...
我那种300那样,其实500那样就可以的一个二手的三星 WB200了(最快可以到1000pfs)...
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2015-7-29 08:28:05
16楼
引用 FROZEN巨擘:
没有准确的模拟,只能通过经验和估算,应该在4~5mpa。
这么高 PVC受得了吗
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FROZEN巨擘(作者)
17楼
引用 氢氧化氢:
这么高 PVC受得了吗
事实证明,双层PVC加PU夹层可以承受。
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18楼
引用 FROZEN巨擘:
我也没钱,就买了一个60pfs的运动相机代替了...
我的卡片机都能以640*480的分辨率120帧的速度录像
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FROZEN巨擘(作者)
19楼
引用 张静茹:
我的卡片机都能以640*480的分辨率120帧的速度录像
我那个是720的,看来真的买错了....
不过体积很小,将来可能还可以箭载....
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20楼
引用 FROZEN巨擘:
其实我买之后就有点后悔了...
我那种300那样,其实500那样就可以的一个二手的三星 WB200了(最快可以到1000pfs)...
[s::Q]没钱啊
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21楼
高端绝对顶!LH绝对好东西
就是有一个缺点不能开伞。。。只不过为了大推力也值得!
就是想问楼主一个问题:PU胶楼主是怎么灌倒两层中间的?
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FROZEN巨擘(作者)
22楼
引用 梁少博:
高端绝对顶!LH绝对好东西
就是有一个缺点不能开伞。。。只不过为了大推力也值得!
就是想问楼主一个问题:PU胶楼主是怎么灌倒两层中间的?
对于要求高的火箭,开伞都是另外设计的吧...
在一次性杯沿开个口子,利用那个口子进行贴壁浇注,预聚物就可以沿着内筒外壁流下去了。
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23楼
引用 FROZEN巨擘:
对于要求高的火箭,开伞都是另外设计的吧...
在一次性杯沿开个口子,利用那个口子进行贴壁浇注,预聚物就可以沿着内筒外壁流下去了。
谢谢!
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2015-7-31 17:16:17
2015-7-31 17:16:17
24楼
必须赞一个啊!
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2015-8-1 07:19:37
25楼
[s::handshake]
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2015-8-2 19:42:04
2015-8-2 19:42:04
26楼
引用 FROZEN巨擘:
就是PU AB水  80一组,一共2kg。
突然想起来我家里有老爸秘密给我的PU漆……
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2015-8-3 14:28:28
27楼
做工很好!期待以后做出更好的PVC发动机。
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2015-8-4 02:27:25
28楼
其实铝合金的发动机不会比这种pvc的贵,特别是完成实际发射价格远低于pvc,你可以试一下铝合金的发动机。
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29楼
其实楼主可以用铝合金管代替PVC的。不会贵很多而且还能节约大量的时间
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2015-8-9 13:10:47
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FROZEN巨擘(作者)
30楼
引用 猎鹰:
其实铝合金的发动机不会比这种pvc的贵,特别是完成实际发射价格远低于pvc,你可以试一下铝合金的发动机。
其实金属铝机确实不错,只是现在的自己的加工条件还差一点,送去加工又觉得小题大做....
发一个一年前的东西....   http://v.youku.com/v_show/id_XNzYwOTY3NzU2.html
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31楼
引用 FROZEN巨擘:
其实金属铝机确实不错,只是现在的自己的加工条件还差一点,送去加工又觉得小题大做....
发一个一年前的东西....   http://v.youku.com/v_show/id_XNzYwOTY3NzU2.html
其实根本不需要外面加工,手工都够了。
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2015-10-5 21:10:31
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32楼
金属发动机更简单更可靠
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2016-1-4 18:26:05
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33楼
喷管咋做的
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2016-1-5 00:12:18
34楼
我的PPR发动机也存在堵头漏气现象,堵头插销位置漏气。尝试过用596硅胶和干压堵漏王粉做密封层都还是漏气,堵头是堵漏王。ppr管发动机直径25mm长度大概9CM,装药KNSU30克内(两节)占5CM
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35楼
其实堵头可以做成中空的可以塞药空点火
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36楼
其实燃料换成rnx也可依'还简单
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37楼
是不是因为喷口太小所以爆炸呢?
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2016-1-6 21:59:17
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38楼
感觉制作工作量高,生产效率低啊。
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2016-1-10 18:58:33
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39楼
喷管俩收敛段加俩扩张段没必要,不管内压如何通过拉瓦尔喷管的气流在喉部都是1Ma,欠膨胀只会发生在扩张段。
射流分离是啥意思
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40楼
你这发动机爆炸应该还是壳体强度问题,应该把喷管的喉部面积加大,减小内压压强,装药肉厚减小,减少燃烧时间。
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2016-1-17 13:05:08
2016-1-17 13:05:08
FROZEN巨擘(作者)
41楼
引用 conanshaw:
你这发动机爆炸应该还是壳体强度问题,应该把喷管的喉部面积加大,减小内压压强,装药肉厚减小,减少燃烧时间。
其实发动机爆炸都可以解释为这几个问题,高性能的难点就是要综合解决这些问题,而不是做一台性能一般的发动机。
其实吧,这款发动机的两大问题就是药柱超大的长径比(用硝糖徒手浇筑这样的药柱是噩梦,虽然我对自己硝糖的手艺挺自信的,但问题率还是非常之高)和壳体的强度问题(当时对PVC的期望是比较高的,但事实证明对于LHmini来说PVC已经很勉强了)
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42楼
我一直认为用PVC做发动机是个不太正确的选择,楼主你的PVC机做成这样已经很难得了。玩铝合金管吧,价格便宜,耐压值高好多倍,至少硝糖是够用了
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2016-1-24 13:25:25
2016-1-24 13:25:25
FROZEN巨擘(作者)
43楼
引用 kc276644985:
我一直认为用PVC做发动机是个不太正确的选择,楼主你的PVC机做成这样已经很难得了。玩铝合金管吧,价格便宜,耐压值高好多倍,至少硝糖是够用了
的确PVC不适合高性能,现在这个项目已经放弃了。也正在考虑铝机。。。
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44楼
两层PVC还不如直接一根PPR管
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2016-1-30 13:30:23
2016-1-30 13:30:23
FROZEN巨擘(作者)
45楼
引用 卡特琳娜:
两层PVC还不如直接一根PPR管
可能吧,不过PPR的刚性不如PVC,在高压下问题可能就更严重了。。。。
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2016-2-7 09:24:26
2016-2-7 09:24:26
46楼
谢谢楼主认真的设计与实验记录,为初学者提供了宝贵的经验,避免了不少弯路[s:;P]
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FROZEN巨擘(作者)
47楼
引用 英语作业君:
谢谢楼主认真的设计与实验记录,为初学者提供了宝贵的经验,避免了不少弯路
学到经验好了。
不过这帖子里的发动机已经因为缺点太多,已经终止研制了。[s:;P]
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48楼
为何不用ppr
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FROZEN巨擘(作者)
49楼
引用 h13:
为何不用ppr
请看45F.....
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