科创茶话喷气推进
【水】简单的分析一下业余火箭发动机的技术路线
邢珈凡
潍坊文华学校,中国 山东省 潍坊市
154454496 2019-5-13原创
关键词
业余火箭综述

不知各位大神有没有感觉到,最近火箭版一改数年来的沉寂,突然出现了爆发式的增长。虽然规模不如2012-13年那一段时间的大,但是质量上大大的提高了。但是对于一些问题大家似乎还是迷茫的,很多人似乎并不知道如何选择自己的方案。本帖就班门弄斧一下,“综述”一波选择技术路线的问题。

本文延续以前的方法:主贴中编辑正文,回复中讨论互动与补充资料。

本文的内容分为以下几个部分:火箭用途所需特性分析,固体/液体/固液/脉喷/电推技术特性分析,固体火箭推进剂技术特性分析,液体和固液火箭推进剂技术特性分析,固体火箭结构技术特性分析,液体火箭供给方式分析。除第一部分以外,其余的部分的构成均为:优点+缺点+业余界成果+(成本估计)+(适用场合)。

本文工程可能浩大,不定几年能写完(可能明天就完工,可能得写一辈子,大概率中考前能完工)。

文笔不好敬请谅解,我尽量用最简练的语言把问题讲清楚,修辞啥的能省就省吧。

镇楼图,也是我电脑壁纸(话说谁知道来源):

pic

 一、火箭用途所需特性分析

现在看,业余火箭比较可能的用途(除了装B和听响)有人工降雨作业、“东风”快递、科学实验、航拍或观测。

首先简单分析一下人工降雨作业。人工降雨作业对于火箭的基本要求:发射高度4Km+,运力超过100g,火箭拥有完善的回收复用或高空自毁装置;加分项:有飞行状态参数输出,可以控制药剂起爆时间点。火箭对发动机的要求:高反应速度,推进剂占比超过60%,比冲150s以上(经计算,燃料质量200g,箭体总质量600g,比冲150,空气阻力系数0.25时可以有刚过六千的射高),可重复性好;加分项:可多次点火,可精准控制总冲,可以大幅节流(精准定点在何处施放降雨剂)。

然后是用火箭投送少量急需的物资。其对火箭的基本要求:发射高度6Km+,运力超过200g,配备有完善的定点回收系统;加分项:VTVL,起飞过载小。火箭对发动机的要求:推力可变,比冲200s以上(经计算,燃料质量200g,箭体总质量1000g,比冲150,空气阻力系数0.25,直径35mm时可以有刚过5500的射高);加分项:多次点火,精准推力控制,高反应速度。

最后是科学实验、观测、航拍类。其对于火箭的基本要求:射高6Km+,不然热气球无人机能很方便达到的高度用火箭没意,运力超过100g,起飞过载可控(不一定小,但一定要可估计),火箭自旋状态可控,完善的回收复用;加分项:飞行状态输出,制导。对发动机的要求:推进剂占比超过60%,比冲150s以上(计算同人工降雨),可重复性好;加分项:可多次点火,可精准控制总冲,可以大幅节流。

二、固体/液体/固液/脉喷/电推技术特性分析

1、固机

固机的优点主要有:高反应速度,低结构质量(对于业余界),控制简单,推力大,制造简单(可以直接使用管材)等。

其缺点有:牵扯到较多的火炸药管制品,易被不法利用,可控性和可重复性不好,工作时间短,推力不可控,不能多次点火,控制推力方向相对更难,比冲偏低,烟迹过于明显(似乎不是大问题),燃料成本高,大药柱浇筑困难。

业余界成果:国内已经有数个110mm发动机试车和上箭应用,高比冲AP推进剂技术已经开始在有条件的人群中推广,低成本中等比冲的推进剂(AN、KP)已经有了初步的研发成果,低端固机已经“是个人就会做”了。国际上已经有了用固机打过卡门线的计划,200mm级发动机似已成熟(参考QU8K)。

成本估算:100s左右的推进剂15元/Kg,200s左右的推进剂40-50元/Kg,250s左右的推进剂100元+/Kg,50mm管子大约几十元一米,喷管堵头加工总成本在一百+元左右。

适用场合:绝大多数探空和人工降雨用途,在1000米以下的射高中有着不可撼动的地位,即使在过卡门线甚至入轨的任务中,固机也有足够的希望作为主力。

2、液机

优点:高比冲(轻松200s以上),不牵扯管制,可以多次点火与精准推力控制,做大难度比固机更低,燃料选择多样且成本低。

缺点:反应速度差,不适合用于小火箭;需要强大的设计能力,需要强加工能力支持,需要突破低温流体的贮存技术,强酸的防护,各种玄学强致癌物的防护;泵、冷却、阀门都是坑。

业余界成果:在国内,液机设计已经完善,对于有背景有水平的人而言液机已经有了大幅推广的可能,液氧/氧化氮/过氧化氢三套体系都已经有成功案例,单组元液机成功地发射过两次;一部分人已经开始尝试液机的白菜化。国外的液机似已经发展成熟,可以随随便便造了。

成本估算:推进剂成本普遍在10-50元每千克这一区间,并能获得300s+的比冲,但是发动机的制造是个无底大坑。

适用场合:对于高高度大质量的火箭,液机是在合适不过的了,甚至对于人工降雨这种低射高用途,液机也有背水一战的可能性。液机的回收复用性能远比固机好(这里指的是可以高空反推减速甚至干脆向spacex那样反推回收)。卫星上也少不了液机。

3、固液

优点:相对高的比冲,不牵扯管制,供给上比液机略简单,跟固机在各方面一脉相承,冷却设计简单,加工要求稍低,可以多次点火与精准推力控制,做大难度比固机稍低,燃料选择多样且成本低。

缺点:基本就是液机缺点占全了,外加固机的大药柱浇筑困难。

业余界成果:国内过氧化氢和液氧体系的固液混合发动机已经测试成功,设计软件初步完成,有过一次实效发射(失败)。

剩余部分类液机,从略。

4、脉喷

优点:比冲高(不需要带氧化剂,直接导致比冲可以把其他类发动机打出翔来),制造相对简单,不需要处理各种危险的氧化剂,文献资料充足。

缺点:推力变化大,震动严重,部分器件损耗严重;推重比太小;不能高空工作。

业余界成果:依稀记得见过有人把脉喷竖起来打上天过。在航模车模领域已经应用非常广泛。

5、电推

电推主要分三类,电热,电磁和静电。前一类同液机,后两类的特征是推力小,极高的比冲和良好的控制性能且不能在大气力工作。这一类业余界未有研究的,我们可能会进行尝试。

三、固体火箭推进剂技术特性分析

1、BP

优点:历史悠久,参考资料多,制造安全,火焰感度相对较高(易点火),配方多样且可以根据自己的需求改配以获得不同的性能。

缺点:工艺离散型太大,不方便搞大,各种一致性不好,比冲垃圾。

业余界成果:应用于20mm火箭的工艺已经成熟,用作点火药也有比较充分的实验验证。

成本:15元每千克左右.

用途:窜天猴,开伞,各种点火

2、KNSU/KNDX

优点:参考资料多,制造安全,火焰感度相对较高(易点火),原料来源广泛廉价且毒性低,仿真软件多,高燃速。

缺点:需要加热至较高温度,易吸潮,工艺离散太大,各种一致性不好,比冲凑合。

业余界成果:已有多枚50mm级的发动机测试成功,工艺基本成熟。

成本:10-15元每千克左右

用途:50mm以下的火箭(大了估计浇筑会很难受),窜天猴(或许可以粉压),各种点火与开伞

3、KNSB

优点:参考资料多,制造安全,火焰感度相对较高(易点火),原料毒性低,仿真软件多,高燃速,可以水浴加热制造。

缺点:成本稍高,原料购买偏困难。

业余界成果:已有多枚50mm级的发动机测试成功,工艺基本成熟。

成本:15-20元每千克左右

用途:同KNDX,但是可以搞的直径更大一点

4、RNX

优点:制造安全,不吸湿,可以制造大直径的发动机,固化时间长,可以很方便地做成各种形状,燃速慢(可以在无法制造大直径药柱的情况下搞大总冲),工艺一致性好

缺点:死重太大,燃速慢的邪乎(480喷燃比下都升不起压力来),催化剂带来的二相流导致比冲损失,数据不全(至今没有测量其燃速-压强数据的),树脂气味难闻而且会沾得到处都是(洗手液可以轻松解决掉大部分树脂),点火偏难(我常用硝糖粉末点火)

业余界成果:110mm级的已经有成功经历,工艺相对成熟并且已经推广。

成本:20元每千克左右

用途:20mm以上的发动机皆可使用,不过要做太大就不如APCP了,毕竟搞大之后同样总冲决定价格的更多的会是发动机外壳的尺寸而不是燃料。再就是各种点火。

5、AN无金属推进剂

优点:比冲高(200s),制造安全,成本低,不管制

缺点:在没人搞出能点着火的AN无金属推进剂之前,他是没有缺点的(手动滑稽)

业余界成果:连火都没点着,怕是想点着得牺牲比冲或者掺KN。不过我记得@HXKRRRR有一个配方能点着的,催化剂是亚铬酸铜

成本:20元每千克左右

6、AN含金属推进剂

优点:比冲高,制造相对安全,成本相对低

缺点:吸湿性太强,燃速慢的比RNX还邪乎,资料太少,由于种种原因不好伺候,活泼金属与其他材料的兼容性存疑

业余界成果:能点着火了,但是离着搞到哪怕窜天猴的水平还有一定距离

成本:20-30元每千克

7、RAP

优点:比冲高,环氧树脂比PU相对易得

缺点:固化产生大量气泡,生成胺类高氯酸盐,工艺可重复性不好,三天两头炸鸡

业余界成果:50mm的发动机应该是有人搞出来了,但至今没有人搞靠谱,早晚会被AN含金属推进剂代替。

成本:60-100元每千克,真空仓100元以上

8、AP-PU(包括AP-HTPB)

优点:比冲高,文献众多,燃速可调范围广,综合性能最佳,安全稳定

缺点:贵、涉及到的管制材料多,点火复杂困难,对发动机要求高

业余界成果:工艺已经成熟并且开始推广,75mm的有上过天。

成本:100多元每千克,真空仓100元以上,各种防护装备100元以上

9、能材推进剂

能材推进剂分为三类,第一类是单双基推进剂,第二类是掺固体能材的推进剂,第三类是含能粘接剂的能材。其实这么看,搞含能材料推进剂的意义不大,AN-PU推进剂掺入17%金属粉可以比不掺提升20多秒比冲,而掺入40%HMX(现有最强实用能材)也不过提升了9秒,不值不值。

[修改于 2 天前 - 2019-05-25 19:35:50]

2019-5-14 11:31:07
1楼

这是个电影,我记得是核弹打小行星来着,好像叫什么浩劫?

终结者里面也有这个画面

[修改于 13 天前 - 2019-05-14 11:39:53]

2楼

先顶,希望lz能用尽量平易近人、温和委婉的语言描述,不要像怼我一样2333

3楼
引用:暮光之羽 发表于1 楼的内容:
这是个电影,我记得是核弹打小行星来着,好像叫什么浩劫?终结者里面也有这个画面

不这是流浪地球的宣传片用的画面,内容应该是领航员飞船联合发射

4楼
引用:Winter 发表于3 楼的内容:
不这是流浪地球的宣传片用的画面,内容应该是领航员飞船联合发射

对对对,这个也有

154454496(作者)
5楼

文章还没开写,先来一波统一回复。

@暮光之羽 @Winter 少聊两句就算了,重点讨论技术。

@chemistry02 感谢您的宝贵建议。

简单公示一下打算讨论的火箭推进剂类型及其计算数据,计算条件Cpropep,冻结流,1000psi/14.7Psi压力(计算数据格式:(比例)、比冲、燃烧温度、燃气分子量、比热比;加在一行后面的是共同数据,加在一种燃料后面的是这种燃料的数据)(顿号隔开的算作一类):

BP;(80-20,128,1677,61.4,1.13)

KNSU、KNDX;KNSB;(60-40,145.7,1351,37.3,1.149)

RNX;(KN-R-Fe2O3 70-22-8,151,1840,48,1.154)

AN-环氧;ANPU;(AN-PU-Mg 70-13-17,244,2675,23.5,1.176)

APPU、AP-HTPB、AP-PEG;RAP;(AP-HTPB-Al-CuO 71-25-3-1,223,2089,20.3,1.26)

含能材氧化剂的推进剂;AP-GAP;(仿真数据从略,见黑条的帖子https://www.kechuang.org/t/83168

LOX-液态长链烷烃;LOX-醇类;

LOX-甲乙丙丁烷;LOX-LH2;

硝酸-肼、胺;硝酸-烃类。

低浓度H2O2系列方案;HTP、HTP-液态长链烷烃、HTP-醇类、HTP-肼、胺;(以上四类从略,见黑条的帖子https://www.kechuang.org/t/83639,等着研究透了cpropep的数据库跑一下LH2的数据)

单元肼;AN/ADN/HN单组元推进剂;(240s?搞清楚数据库再说)

氧化剂-固态长链烷烃固液混合发动机;氧化剂-塑料类固液混合发动机(见鬼,Error too much product,估计类似LOX-长链烷烃);

希望大家提出宝贵意见。

[修改于 5 天前 - 2019-05-22 09:28:15]

6楼
引用:154454496 发表于5 楼的内容:
文章还没开写,先来一波统一回复。@ 暮光之羽 @ Winter 少聊两句就算了,重点讨论技术。@ch.....

话说不是你问图片出处的吗

7楼

预祝这贴善终

154454496(作者)
8楼

第一部分写完了,五楼用于更新燃料数据。我有点慌,我 Cpropep炸了

[修改于 11 天前 - 2019-05-16 06:11:04]

154454496(作者)
9楼

今晚上涨了涨志气,把第二部分写了个差不多,电推进没怎么敢写,实在不行就简单扯两句省了吧(毕竟电推太遥不可及并且似乎并无卵用)。

2019-5-17 23:16:38
10楼
引用:154454496 发表于8 楼的内容:
第一部分写完了,五楼用于更新燃料数据。我有点慌,我 Cpropep炸了

如果显示"cannot open file xxxx temporary.out",直接用记事本打开那个文件就行了。

再实在不行的话我帮你试试也行

[修改于 10 天前 - 2019-05-17 23:20:58]

11楼

另外,固液还有一个大缺点,就是在室压一定时不好控制推移速率,混合比容易出偏差。。。

154454496(作者)
12楼

可能是与我的笔记本电脑有关,换台试试。(没有仿真数据编不下去了)

13楼

目前的技术固液可以充分燃烧吗

14楼
引用:UICalculus 发表于13 楼的内容:
目前的技术固液可以充分燃烧吗

小发动机上几乎不行当然有一个能一定程度上解决这个问题的方法:药柱里面放氧化剂,像固推那样可自行稳定燃烧,但是配方高度负氧,再灌液体氧化剂

154454496(作者)
15楼
引用:314152 发表于14 楼的内容:
小发动机上几乎不行当然有一个能一定程度上解决这个问题的方法:药柱里面放氧化剂,像固推那样可自行稳定燃.....

魔改RNX方子填装固液混合发动机?

16楼
引用:154454496 发表于15 楼的内容:
魔改RNX方子填装固液混合发动机?

比较类似。但是这种燃料配方是高度负氧的可能又有东西可以研究了

17楼
引用:314152 发表于14 楼的内容:
小发动机上几乎不行当然有一个能一定程度上解决这个问题的方法:药柱里面放氧化剂,像固推那样可自行稳定燃.....

这种更适合固体冲压发动机……

18楼
引用:浪里黑条 发表于17 楼的内容:
这种更适合固体冲压发动机……

可燃气体发生器?

19楼
引用:314152 发表于18 楼的内容:
可燃气体发生器?

非也,固体冲压发动机用的就是贫氧固体推进剂,在保证充分利用空气中的氧气的同时还不致熄火

2019-5-22 09:40:48
154454496(作者)
20楼

现在学校里上午四节都上生物地理(然而我去年已经参加了中考并且都考了A,所以我今年没必要参加中考了),所以我上午赋闲在家,只有下午去学校。利用空闲时间把能仿真的燃料数据都仿真了一遍。


 

21楼
引用:154454496 发表于8 楼的内容:
第一部分写完了,五楼用于更新燃料数据。我有点慌,我 Cpropep炸了

ERROR too much product 的话,你看看是不是忘记输入重量单位了

154454496(作者)
22楼
引用:浪里黑条 发表于21 楼的内容:
ERROR too much product 的话,你看看是不是忘记输入重量单位了

话说您出一个cpropep教程呗

23楼
引用:154454496 发表于22 楼的内容:
话说您出一个cpropep教程呗

我争取吧,最近学业比较繁忙,成绩也不好,时间不多,不知道多久能弄出来。。。

2019-5-24 03:28:35
24楼

脉喷也算的话还可以考虑下冲压发动机?

甚至可以是脉喷/冲压两用,达到一定速度自动收起脉喷的阀片变成冲压模式,类似黑鸟

154454496(作者)
25楼

这一贴中补一个能点着火的AN推进剂配方(来自HXKRRRR的https://www.kechuang.org/t/82614,致敬):

配方(可行性实验,未优化):
硝酸铵75%
亚铬酸铜5%
聚丙二醇4000 10.5%
蓖麻油5.2%
HDI三聚体(手头只有这个)4.3%


上午搞完物理题闲着没事,把硝酸盐系的固体燃料写完了。工程量偏大,预计燃料部分下周一写完,全文应该能在端午节到中考这段时间内写完。

@虎哥 此贴善终是没问题了,您老放心

@信仰は儚き人間の為に 有道理,后期补充到回复中吧


[修改于 3 天前 - 2019-05-24 12:12:07]

2019-5-25 19:36:48
154454496(作者)
26楼

把AP类的写了一下,关于固体推进及掺能材究竟意义多大欢迎大家讨论与批判我的观点

27楼
引用:154454496 发表于26 楼的内容:
把AP类的写了一下,关于固体推进及掺能材究竟意义多大欢迎大家讨论与批判我的观点

得看掺什么。有一种观点认为DNTF将会非常有帮助(各项数据完爆HMX)。此外,那些正氧能材以及含能增塑剂、含能粘合剂都对比冲有明显提升。在同样的模拟条件下,ADN-HTPB-Al(70-15-15)的比冲比AP-HTPB-Al(70-12-18)高了近20s,这还是只有氧化剂含能的情况。

[修改于 1 天前 - 2019-05-26 09:21:36]

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