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
FROZEN巨擘2015/07/28喷气推进 IP:广东
        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。
QQ截图20150726204826.jpg


QQ截图20150726202256.jpg



再发几张试车特写:
QQ截图20150727212538.jpg

QQ截图20150727212707.jpg

(下雨的时候试的车...  喷口包着铝膜。镜头湿得厉害,有点模糊.....)
QQ截图20150727212830.jpg



之后就是LHmini目前的设计图,标注了必要尺寸:
QQ截图20150727133537.jpg



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:
QQ截图20150729085245.jpg


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):
QQ截图20150726202045.jpg

       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
QQ截图20150727215926.jpg

        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
QQ截图20150727215834.jpg


       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
QQ截图20150727220047.jpg



       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
QQ截图20150728002925.jpg


PU树脂浇筑成果
QQ截图20150728002912.jpg



前封的有机防火堵泥
QQ截图20150728004331.jpg



双钟形喷管
QQ截图20150728003155.jpg



本想采集数据的,后因严重的零点漂移问题希望落空... ...
QQ截图20150728003132.jpg



试车后的拆解:
壳体层次分明,烧蚀得并不严重
QQ截图20150728002957.jpg


喉部
QQ截图20150728004613.jpg



前封,把一层烧焦的堵泥清理之后...
QQ截图20150728004910.jpg

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:
QQ截图20150728082317.jpg QQ截图20150728082402.jpg QQ截图20150728082426.jpg

        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:
QQ截图20150728085913.jpg

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。
QQ截图20150728085947.jpg
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。
QQ截图20150728082402.jpg
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 8年9个月前 - 2015/07/30 15:46:44]

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来自:航空航天 / 喷气推进
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~~空空如也
FROZEN巨擘 作者
8年3个月前 IP:广东
807563
引用 英语作业君:
楼主有研发新型号的计划吗?
是有的不过是半年后的计划,LEX计划中。。。
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七公里垃圾站职业技术学院
8年3个月前 IP:湖南
807569
引用 FROZEN巨擘:
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。。。。
233
pvc明明更差。。。
你可以做出来同样厚度的薄片,然后进行测试
你就会发现,pvc只不过是看起来有刚性,一掰就断了,ppr看着很软,但是光掰弯都很费劲,却掰不断
形容下这两种材料
pvc--竹竿,看这个很硬,但是顺着纹路以下就报废
ppr--橡胶,看着硬度低的要死,实际上很结实


对于耐内部压方面,靠的是抗拉强度,绝对不是刚性
对于耐外部压力方面,靠的才是刚性
ppr的抗拉要远高于pvc,密度也没pvc大

如果楼主一直认为抗压靠的是刚性,那我也只能说说你
高压下他也是靠的是抗拉,和刚性一点关系也没有
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七公里垃圾站职业技术学院
8年3个月前 IP:湖南
807571
引用 FROZEN巨擘:
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。。。。
pvc只不过是看着很让人放心,ppr才是硬道理

pvc甚至连箭体都不适合做,你可以看我空间最近的那个开伞实验,pvc死成啥了


两层pvc还不如一层ppr
两层pvc麻烦死了,还费时间lz要是有时间的话,随意
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FROZEN巨擘作者
8年3个月前 IP:广东
807573
引用 h13:
pvc只不过是看着很让人放心,ppr才是硬道理

pvc甚至连箭体都不适合做,你可以看我空间最近的那个开伞实验,pvc死成啥了


两层pvc还不如一层ppr
两层pvc麻烦死了,还费时间lz要是有时间的话,随意
再请看43F和47F...
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FROZEN巨擘作者
8年3个月前 IP:广东
807575
引用 h13:
233
pvc明明更差。。。
你可以做出来同样厚度的薄片,然后进行测试
你就会发现,pvc只不过是看起来有刚性,一掰就断了,ppr看着很软,但是光掰弯都很费劲,却掰不断
形容下这两种材料
pvc--竹竿,看这个很硬,但是顺着纹路以下就报废...
刚性高自然会更脆。。。
刚性是指抗形变的能力,如果发动机壳体的刚性不足会导致很多密封甚至结构的问题,很危险。
你说的是强度吧,我也同意PPR的强度比PVC好得多。。。不过常温下PPR的刚性的确比PVC弱(就像你举的例子)。强度和刚性都要综合考虑的,只从性能看PPR综合上比PVC要好,不过对于我要考虑到价格,似乎PVC更好(不过后面弄复杂了,成本提高,还不如用PPR[s::dizzy:])
反正这两种各有千秋,以自己的实际情况选择就好了。[s::lol]
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七公里垃圾站职业技术学院
8年3个月前 IP:湖南
807591
引用 FROZEN巨擘:
刚性高自然会更脆。。。
刚性是指抗形变的能力,如果发动机壳体的刚性不足会导致很多密封甚至结构的问题,很危险。
你说的是强度吧,我也同意PPR的强度比PVC好得多。。。不过常温下PPR的刚性的确比PVC弱(就像你举的例子)。强度和刚性都要综合...
嗯,
pvc主要是。。。。
感觉这个不是脆,是经不起弯曲,弯曲一点就挂了
另外,我可以手撕2.3mm的pvc下水管的薄片
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FROZEN巨擘作者
8年3个月前 IP:广东
807636
引用 h13:
嗯,
pvc主要是。。。。
感觉这个不是脆,是经不起弯曲,弯曲一点就挂了
另外,我可以手撕2.3mm的pvc下水管的薄片
刚性比较高是脆,你说的这个是指PVC的强度低。
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电磁炮加加
8年3个月前 IP:山东
807805
目前只能看看 过过隐了
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yiyangtt
8年3个月前 IP:浙江
807938
用ppr管
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2015/02/06注册,6年2个月前活动

如有需要,可加俺的q 1463762824 。。。但因为各种事务,只能尽量做到实时回复,请见谅 :)

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