喷气推进
【申请】关于暂不进行碳纤维复合材料管水压试验而直接应用于固体火箭发动机制作的申请
chemistry02 2019-2-12 11:18:32

尊敬的科创论坛管理员及坛友们:

        如各位所见,最近一段时间我和@Jam.exe 一直努力于TC4钛合金(以下简称TC4)和碳纤维复合材料(以下简称CF)固体火箭发动机的相关设计和制作。在此首先感谢科创论坛及众坛友对我们的理解、支持和帮助。

        我们计划于2月23日前(不包括2月23日)制作并试车一枚发动机(无推力和室压测量,仅进行结构验证),如今期限将至,而TC4管成本过高、设计和加工过于复杂,虽然已知其屈服强度,但无法于短时间之内做出有效成果。而CF虽然无任何屈服强度线索、无任何水压试验结果,我们也在目前条件下无法进行水压试验,但它的其他性能均远远优于常规材料,成本较低,设计和加工相对稍简单,有希望于短时间之内做出一点成果。

        由于上述原因,我想出了暂不进行CF管水压试验,而是按TC4的屈服强度(据@浪里黑条 提供的线索,优良原料且加工得当CF的屈服强度不小于2580MPa,即使手工制作的碳纤维管屈服材料也不小于TC4的屈服强度860MPa,不知是否真实)粗略计算CF管的壁厚,并将其应用于发动机的设计和制作中的方案。

        的确,这样违背了一点严谨的科学实验精神,但为了有效做出成果,我们只能选择牺牲一点科学实验精神并通过估算等方式最大可能地确保实验尽量严谨且尽量不发生安全事故。我们仍然会以尽可能完整的科学实验精神对待本次实验。希望科创论坛的各位管理员及坛友们能理解、支持并批准。

申请人:庞志成(chemistry02)

2019年2月12日 11:18

[修改于 3 个月前 - 2019-02-12 11:20:50]

2019-2-12 14:42:15
1楼
3

如果用严肃的话来说,科创无权批准或者不批准网友自己做的实验,只有权对于违规的行为,在社区管辖范围内进行限制和处理,比如扣违规行为人的学术分、不批给经费和专用原材料,以及进行舆论上的谴责。

对于违背常规流程、省略必须步骤的实验,单从安全而言,是否可以做,可以进行理论的论证,同时采取充分的安全措施,比如做到即使炸了也人畜无害,就可以做,但是不建议这样做,因为如果炸了就无法取得研究数据,会造成浪费。

用市侩一点的话说,就是你丫要做就悄悄做,跑来打申请啥意思,批了是不是就要担责任,不批是不是又很尴尬。这个就跟连长带领一班战士出去打架给某个被欺负的战友出气。打了就打了,出发之前跑去跟营长汇报一句是嘛意思,不是蠢就是坏(想让领导担责,自己做人情)。

碳纤维材料的强度足以秒杀大多数金属材料,用来做发动机是合理的,也是固体发动机壳体材料选用的趋势。碳纤维的主要问题不是它的标称强度,而是它的加工性能不好,机械加工会严重影响强度。所以通常是整体缠绕成形,不需要后续机械加工。爱好者通常不具备这个条件,为了安装喷管堵头,需要在管道上钻孔后用螺栓紧固,或者采用简陋的胶粘工艺。前者会严重影响端部的机械强度,并形成受力集中点(每颗螺栓受多大剪力可以计算)。如果该管材的缠绕方式不合理,螺栓的侵沏力可以让端面破裂,螺栓滑出。在碳纤维带材上打孔后做抗拉就很容易发生这种现象。后者通常也无法在燃烧室的高压下保持强度。而且,到底强度降到多少,危险不危险,理论预测还很不准。所以才主张必须做水压试验。

你们如果要想理论上预测不需要水压试验,应该考虑这些具体问题,而不是笼统的说碳纤维强度多么多么高,并且也不只看屈服强度。

[修改于 3 个月前 - 2019-02-12 16:54:19]

2楼

[补充+声明]我们并不是为了出成果而出成果,而是由于此次发动机的技术目标只是为了验证发动机的整体结构以及采集部分基础数据,在依据@浪里黑条提供的线索的基础上进行的,作出的牺牲了一定严谨性的实验(ps  问:如此会对数据产生影响吗?)

chemistry02(作者)
3楼
引用:虎哥 发表于1 楼的内容:
如果用严肃的话来说,科创无权批准或者不批准网友自己.....

好的,感谢提醒,如果考虑到这么多问题,在缺乏验证条件的情况下进行理论预测,860MPa应该是个比较合适的数值。

目前各种条件非常有限,所以我们才无法完全做到严谨。当然以后条件具备了肯定会比这个做得更好。

4楼

其实我并不太建议直接用成品碳纤维管,因为现在很多碳纤维制品用的是模压工艺而非缠绕,强度会由于松紧区别等问题有所折扣。如果有条件自行购买碳纤维布并加工合适的模具,即使手动控制松紧也比完全没有强。更重要的是,这样可以让结构更加一体化,并在必要的连接处(例如喷管)留出连接用的结构(而不是事后钻孔加工),可以尽量减少机械加工后强度下降的问题。

手动缠绕的时候,封头部分封口会稍有难度,可能需要留下一个孔。如果不使用封头端点火的话,可以想办法在这里设计一个泄压阀,降低整体炸机的风险。

如果要采用自由装填式装药(技术难度明显低于贴壁浇铸式),就必须有某一端完全开口,不可避免地会有连接。出于加工难度等考虑,建议在喷管端留下开口,喷管单独加工。连接和密封方式有很多种选择,建议参考《固体火箭发动机设计》一书(@chemistry02 你有吧我记得)(我记不清都有什么了,身在衡水,手边没有那本书)。

明天上午考有机,先复习大本去了,如果又想起什么我再补充。

[修改于 3 个月前 - 2019-02-12 19:16:56]

5楼

其实不建议小尺寸的发动机采用TC4内胆+碳纤维缠绕这种方案,这种方案我06年就做过。因为TC4很贵。。。而且机加粘刀,加工工艺性差。碳纤维缠绕就更麻烦了,还有前封头、喷管结合处挂碳纤维丝的问题,缠绕是有角度的缠绕,还需要预紧力,碳纤维丝要挂胶,还要固化,还有最小缠绕层数的限制,至少得缠3层吧。TC4薄壳体机加极易变形。在小尺寸发动机看来,综合比较不如金属壳体发动机,主要是目前的工艺限制。大口径尺寸发动机采用碳纤维壳体发动机是合适的,不过这远超出了论坛所讨论的范畴。

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