500N硝酸—混胺50液体火箭发动机热试车

首先,铃仙镇楼

 

来自 喷气推进
 
6
2018-8-28 00:07:48
地震带上的人(作者)
1楼

首先,这个项目是从2015年开始的,刚开始想着是国内爱好者没有人涉足用硝酸来作为火箭发动机的推进剂;当时主要是以下两个原因:

1.硝酸对设备的腐蚀性很大

2.跟硝酸搭配的燃料,特别是自燃性质的燃料毒性比较大

然而我觉得,这个坑得填。毕竟国内雪狼,ECHO前辈制作了以过氧化氢的发动机,猎鹰、神の左手设计制造了液氧的发动机,然而硝酸发动机是个空白,爱好者除了搞能才的很少有人碰这个。

我觉得硝酸(硝酸,氮氧化合物)的优势有一下几点:

1.比冲,海平面和真空比冲,有些时候不比煤油差,就以RD-275M这款发动机为例子,照样能把海平面比冲提到300s以上;

2.点火方便,大多数燃料跟硝酸接触就可以自燃;

3.容易保存,硝酸用大的细口玻璃瓶保存即可,对设备不挑剔;毕竟学过化学都知道,浓硝酸对钢,铁,铝合金,在常温下会将他们钝化;其次氟橡胶也能避免硝酸的腐蚀和氧化,在发烟硝酸中仍然可以保持良好的弹性

所以在2015年的10月左右,与猎鹰和他朋友在一起,和航天局主席罗澍(加工了喷注器),进行了一次燃料测试,测试结果非常成功,硝酸没有必要使用无水肼这类的燃料,使用常见的胺都可以达到效果

此外,在测试中得到结论:

1.硝酸——胺可以作为推进剂使用,也有学者文献支持

2.304,316不锈钢;6061铝合金;氟橡胶完全可以在硝酸机上面使用;其中304不锈钢作为喷注器是可以采用的

3.黄铜件和硅橡胶不能用在硝酸的设备上,会被腐蚀

 

[修改于 1 年前 - 2018-08-28 00:11:18]

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地震带上的人(作者)
2楼

此次发动机立项在2017年8月立项,在9月时设计出初稿,后验算发现设计有缺陷;然后在同年10月份设计出第二个版本的发动机,优化了喷管设计:采用全石墨喷管和弧线过渡的使用。并在同年12月完成全部设计及其建模。在2018年1月完成了喷管的CFD仿真,用来再次优化喷管的设计

 此次试验的发动机剖面图:结构极其简单,是第一代发动机的改进型,极大部分继承了第一代的设计:如平板喷注器,酚醛隔热层

此次喷注器面板添加了螺纹,用来增加密封性,以及加工精度问题

 ANSYS有限元分析 室压在5Mpa 温度在3185K的情况下的模拟结果 初步看出有点欠膨胀


 

[修改于 1 年前 - 2018-08-28 00:22:16]

+1  学术分    虎哥   2018-09-01   整篇文章内容全面,有一定科学性,同时开整篇文章内容全面,具创了硝酸类常温液体燃料的国内首次热试验。
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地震带上的人(作者)
3楼

发动机数据

1.特征数据见型面图(自己去算吧~)

 2.燃料数据:

氧化剂:发烟硝酸,密度在1.4g/cm3

原计划打算用硝酸—27,但是四氧化二氮的问题给否决掉了,毕竟能用白烟硝酸为何还要折腾麻烦的东西呢?

燃料:冬卡-250 也叫 混胺-50  三乙胺和二甲基苯胺的混合物 密度在0.843g/cm3左右 

呈无色,在空气中冒白烟,有氨味儿(三乙胺的味道)和煤焦油味道(二甲基苯胺的味道)。有些时候呈黄色(二甲基苯胺分解就是黄色)

在燃料测试中跟硝酸反应极其剧烈

氧燃比4.5

 3.此次首次采用了汽蚀文氏管作为推进剂流量的控制设备,汽蚀文氏管结构简单,而且在此次实验中表现出色。在火箭发动机中有广泛应用,适合爱好者的使用;不比在去设计和制造节流阀等设备

[修改于 1 年前 - 2018-08-28 00:38:44]

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地震带上的人(作者)
4楼

控制方面采用气瓶挤压:

挤压压强:7.5Mpa

喷注压强:6Mpa

燃烧室压强:5Mpa

 测试储罐密封性中,没有水压机只能用气瓶压了 (后来换了个减压器,因为这个减压器不足以达到试验需求)

 控制方面使用高压电磁阀,阀体是316不锈钢制作,耐压在0-15Mpa之间;使用24V直流电驱动,此次实验中表现优异,没有出现泄漏等现象;管道采用卡扣接头,在保证强度的同时保证设备的可重复使用性;前面两个不锈钢圆柱就是汽蚀文氏管,用来控制流量,在实验中表现出精确的流量控制;发动机和加压管道使用油压管连接,保证灵活度。

[修改于 1 年前 - 2018-08-28 00:47:39]

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地震带上的人(作者)
5楼

实验阶段:

分为两次实验,第一次为点火实验,于2018年8月26日在四川省都江堰市胥家镇进行

 加注推进剂;铁架台已经足以支撑储罐了

 发动机固定在测试台上

 

 

 

[修改于 1 年前 - 2018-08-28 01:09:10]

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地震带上的人(作者)
6楼

时隔三年,2018年8月26日20:16分,以硝酸为氧化剂的液体火箭发动机再次在都江堰这片富饶的土地上响起她的吼声

 

 由于附近很窄,导致声音异常的大,受到了周围的投诉,所以说第二天的实验我们得换地方

工作时间刚好5s(因为我按照计算结果,加了只工作5S的推进剂,用来检验汽蚀文氏管对流量的精准控制度,效果极其满意)

[修改于 1 年前 - 2018-08-28 00:55:22]

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地震带上的人(作者)
7楼

第二次实验在2018年8月27日,19时40分左右,在四川省都江堰市进行了第二次试车实验,这次成功采集到了数据。

 第二次试车的图片

 F-t图像,可看出还是工作了5S,横坐标是时间,单位是S;纵坐标是推力,单位是kg;

其中初步计算出硝酸—混胺50在室压5Mpa,扩张比6.5的海平面比冲在250S左右(教材上只给了真空比冲,发动机扩张比在70,室压在10Mpa的时候,319s左右)

此次实验过后,国内业余火箭爱好者在硝酸液体火箭方面的坑总算被填了

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地震带上的人(作者)
8楼

实验过后:

1.酚醛隔热层,喷注器完好

 黄色是二甲基苯胺染的颜色

 

 隔热层完好(测试过后一分钟内发动机外壁就可以用手摸了)

 石墨喷管在两次实验后被烧坏了

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1
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9楼

支持填坑!不错啊!

[修改于 1 年前 - 2018-08-28 01:19:25]

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地震带上的人(作者)
10楼

结论:

1.硝酸—混胺50是可以作为主推进剂使用的

2.汽蚀文氏管在流量控制方面有着优异的性能

3.整块石墨作为喷管主体是可以的,只要有恰当的固定方式

4.初步测算出该推进剂组元的海平面比冲,为以后的设计提供便利

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地震带上的人(作者)
11楼

谢谢各位阅览!

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12楼

敢想敢干,实干巧干,热烈祝贺

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1
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13楼

理论计算,数值仿真,实验一套流程真是十分专业!为勇敢的实践者送上热烈祝贺!

一直找不到完整的试车参数来检验理论计算结果,今天终于确信这些公式没问题了。

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14楼
引用:地震带上的人 发表于3 楼的内容:
发动机数据1.特征数据见型面图(自己去算吧~) 2.燃料数据:氧化剂:发烟硝酸,密度在1......

求视频?这个实验的

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地震带上的人(作者)
15楼

@小小小硝酸

其他视频没处理好,因为准备把整个研发过程拍成纪录片,所以说要等一段时间

只有个140帧的慢动作视频 是第一次试验的

 

[修改于 1 年前 - 2018-08-28 15:02:33]

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16楼

厉害!硝酸自燃推进剂是重大突破,兼具固机与过氧化氢的优势。希望楼主注意防护问题。

好久没见火箭班如此壮观的帖子了

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2018-8-29 01:56:42
17楼

2年前阅读《液体推进剂》时找到了混胺-50这种推进剂,惜由于没有条件,一直无法试验。今天终于看到了这种推进剂工作的效果,在此我按捺不住地一定要热烈祝贺!

北京人民发来贺电!!!!!!

顺便问一下,LZ的混胺-50是换成质量比1:1了么?有机会可以试试红烟硝酸的组合,毕竟红烟硝酸的能量特性和贮存稳定性都是优于白烟硝酸的~

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地震带上的人(作者)
18楼

@浪里黑条

对,在试车前一天重新计算了燃料比例;以至于红烟硝酸我是不建议测试的,因为红烟硝酸只能现做现用,爱好者条件下是这样的。而且红烟硝酸如果含水对金属储罐的腐蚀比白烟硝酸要更严重点。。说回来还是一点,红烟硝酸保存极其麻烦,我上次制作的硝酸-27在室温下就有大量气泡溢出,低温下状态就良好

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19楼

恭喜

请问哪个喷注口是氧化剂,哪个是燃料

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20楼
引用:地震带上的人 发表于18 楼的内容:
@浪里黑条对,在试车前一天重新计算了燃料比例;以至于红烟硝酸我是不建议测试的,因为红烟硝酸只能现做现.....

硝酸-20应该比硝酸-27好保存,也可以弄四氧化二氮浓度很更低的版本。另外,加入0.7%磷酸和0.8%氢氟酸,红烟硝酸对一般金属(如铝,不锈钢)的腐蚀性会大大降低。

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21楼

其实对于我们来说,白烟硝酸的能量水平足够了。红烟硝酸不如四氧化二氮,还跟四氧化二氮一样难伺候,没什么意思。(个人感觉)

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地震带上的人(作者)
22楼

@浪里黑条

没有必要使用红烟硝酸,因为红烟硝酸我已经说过了这东西在常温下有大量气体溢出,爱好者的保存条件着实很蛋疼,很容易引发事故;此外从爱好者角度来说,使用红烟硝酸不经济

[修改于 1 年前 - 2018-08-29 11:32:44]

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地震带上的人(作者)
23楼

@古明地觉

喷注器中间是燃料,周围是氧化剂

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24楼

祝贺楼主试验成功!坚持三年真是不容易!

关于不锈钢:添加了钛元素的321不锈钢可以阻止硝酸对不锈钢的晶间腐蚀,普通304和316缺了钛所以差一些。长征2号的发动机管路和喷注器也是采用的321不锈钢。

从文献看304与316耐硝酸腐蚀效果没有区别,316贵很多实际是没必要的,diy可以省点钱。

国内采购正品321不锈钢不容易,假货太多了。304情况稍好。建议买来实测在硝酸下能坚持多久。


楼主如果需要,我这里可以给你换个新的数据采集卡。

[修改于 1 年前 - 2018-08-29 11:53:29]

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25楼
引用:地震带上的人 发表于23 楼的内容:
@古明地觉喷注器中间是燃料,周围是氧化剂

这样设计的好处在哪?喷出的硝酸在没燃烧时不会腐蚀壳体吗?求教楼主

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26楼
引用:地震带上的人 发表于22 楼的内容:
@浪里黑条没有必要使用红烟硝酸,因为红烟硝酸我已经说过了这东西在常温下有大量气体溢出,爱好者的保存条.....

红烟硝酸可以用铝合金或者不锈钢的密封罐常温保存,氟化塑料瓶也勉强胜任(都是一级相容),只要储存保持密封,就只可能在加注时会有明显气体溢出。我回去模拟一下,看看白烟硝酸跟红烟硝酸性能会差多少,毕竟即使比冲差个几秒也会对火箭整体性能造成很明显的影响。

不过看起来,白烟硝酸-混胺的自燃性能似乎反而高于红烟硝酸?

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地震带上的人(作者)
27楼

@154454496

多点对撞啊,好处就是结构简单可靠;因为之前测试过材料所以说就采用了很常见的304不锈钢

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地震带上的人(作者)
28楼

@浪里黑条

说实话没有使用的必要,这东西第一我说过经济性太低,第二危险性增加,第三储存困难还得定期排气。不像白烟硝酸可以一直放在那边阴凉保存就行了

说实话红烟硝酸也是很难伺候的,毕竟四氧化二氮含量那么高,为了提升性能增加隐患几率我认为是不值得的

[修改于 1 年前 - 2018-08-29 12:42:55]

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地震带上的人(作者)
29楼

@warmonkey

谢谢不用了!

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30楼
引用:地震带上的人 发表于27 楼的内容:
@154454496多点对撞啊,好处就是结构简单可靠;因为之前测试过材料所以说就采用了很常见的304.....

谢谢解答。其实我个人认为让靠近燃烧室壁部分富燃料会让燃烧室壁更舒服一点

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地震带上的人(作者)
31楼

@154454496

这次没有设计液膜冷却,使用了绝热材料隔热,液膜的话,未来的发动机会加的

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32楼

论坛有史以来最利索的液机,简单精确。

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2018-8-30 01:50:20
33楼

通常硝酸做氧化剂的能量不是不够嘛?比冲和推力都比较一般,不说液氧了,比起四氧化二氮那些都差

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2018-8-31 02:02:11
2018-8-31 02:02:11
地震带上的人(作者)
34楼

@小小小硝酸

性能是性能,推力是推力;就这样说吧,你用硝糖都能做1吨推力的SRB,只是愿不愿意做的问题;其次硝酸和四氧化二氮相比,上面我已经说过了,安全性和经济性很重要;而液氧我有涉足,只不过对她的兴趣不大。其次,还真别说,在高压补燃方面四氧化二氮——偏二甲肼确实能做到跟液氧——煤油差不多的性能:RD-275M 真空比冲 316s 室压16Mpa左右 RD-170 真空比冲:331s 室压24Mpa左右

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35楼
引用:地震带上的人 发表于34 楼的内容:
@小小小硝酸性能是性能,推力是推力;就这样说吧,你用硝糖都能做1吨推力的SRB,只是愿不愿意做的问题.....

很小的火箭用常温推进剂的总体性能比用低温推进剂高,因为低温推进剂配套的系统复杂,阀门比发动机还重。

然后硝酸/混胺和N2O4/UDMH的差距还算可接受,而且差异主要在肼类燃料本身含能,氧化剂性能差别更小。

两方面因素加起来,硝酸/混胺做小型探空火箭的性能比液氧煤油还要好一些。

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36楼

@地震带上的人 最早的火箭是导弹发展来的吧,早期的燃料都是硝酸和混胺甚至一些奇奇怪怪的有机物,后来追求性能燃料换成了肼类,氧化剂变成了四氧化二氮或者液氧之类的

-1  学术分    虎哥   2018-09-01   多次信口雌黄,臆造信息,不学无术,打酱油
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37楼

但是很多家庭实验党估计都不知道怎么保存四氧化二氮。

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2018-9-2 14:52:20
2018-9-2 14:52:20
38楼
引用:地震带上的人 发表于15 楼的内容:
@小小小硝酸其他视频没处理好,因为准备把整个研发过程拍成纪录片,所以说要等一段时间只有个140帧的慢.....

壮观!lz多注意防护啊,期待lz的火箭可以上天!

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39楼
引用:154454496 发表于21 楼的内容:
其实对于我们来说,白烟硝酸的能量水平足够了。红烟硝酸不如四氧化二氮,还跟四氧化二氮一样难伺候,没什么.....

四氧化二氮不好保存,起码对大部分实验党是这样,而且毒性不错,爱好者想弄的话估计得搞一套专业的装备

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2018-9-3 08:34:46
40楼
引用:小小小硝酸 发表于36 楼的内容:
@ 地震带上的人 最早的火箭是导弹发展来的吧,早期的燃料都是硝酸和混胺甚至一些奇奇怪怪的有机物,后来.....

@虎哥 我承认我是新人,我也有很多不懂的地方,可是也不要这样喷人吧。我有什么错的地方可以指出来,我也是查了维基还有一些资料的

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2018-9-4 12:15:49
2018-9-4 12:15:49
41楼

看了剖面图有几个问题想请教一下

1. 这种一体式喷注器有什么优点?

2. 硝酸对喷注面板的螺纹有什么影响?

3. 喷管与燃烧室隔热层的接触面改成阶梯型接触面会不会更好的隔绝/延缓燃气侵蚀?

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2018-9-5 00:12:25
地震带上的人(作者)
42楼

@古明地觉

1.结构简单,强度也能保证;如果是分体的话加工起来成本会有点高,而且要考虑密封的问题

2.没有影响

3.这个肯定是有一定效果的,在部分挤压密封件里面就有这种设计;集体情况得需要实验数据才能说明

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2018-11-5 01:37:23
2018-11-5 01:37:23
43楼
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2019-3-8 21:40:09
2019-3-8 21:40:09
44楼

问一下,文氏管需要如何使用。还有喷注器是周围三个孔喷硝酸,中间喷混胺吗。还有,是直接喷还是雾化


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45楼
引用:ABCHZR 发表于44 楼的内容:
问一下,文氏管需要如何使用。还有喷注器是周围三个孔喷硝酸,中间喷混胺吗。还有,是直接喷还是雾化

既然是多点对撞,那应该是直接喷的。

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46楼

另外,给LZ一个建议,就是把氧燃比降低一些。白烟硝酸/混胺50组合的最佳氧燃比在3.7左右,为了点火容易初始氧燃比可以高一些,建压后为了更高性能应该调低混合比。

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2019-3-10 12:49:43
2019-3-10 12:49:43
47楼

这个太厉害,仰望。

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