30元以内,低成本金属固体发动机方案介绍

为何早期的金属火箭发动机成本高?
       对于很多人来说,金属的发动机具备了高性能,不过其价格极高。不过实际上金属材料本身费用非常低,过高的价格实际上是高加工费用造成的。

      此图是我设计的早期固体火箭发动机,设计风格是模仿ehco的,为了适应不同规格,参数有一些变动。如果真的制造出来成本价大约500元左右,极其昂贵。


那么我来分析一下昂贵的原因:

1.     需要将很长的一根管子削薄,耗时较大。

2.     由于买来的料子有较大误差,此发动机的装药是在pvc管内浇筑得到的,为了保证PVC管可以放入发动机内。必须对发动机壳体内圆加工。
3.  将大块金属料子掏空,而且还得保证pvc管放的进去,精度要求也高。
4.     圆弧加工,很多师傅并没有相关的刀具,用手工对技术要求极高(毕竟为了减重使得整个喷管非常薄)
5.      其中在喷管外侧加工是整个发动机坠痛苦的。首先对角度有着精确的要求较高,而且整个喷管非常薄,最薄处甚至只有1mm,稍有不慎就会报废。在喷管内有一部分是凹进去的,这部分很小车刀是进不去的,这时候需要单独磨一把小刀,费时费力。

       这种发动机设计上还存在一个巨大的缺陷:空间利用率太低。药柱的直径只有50mm,而整个发动机的直径高达65mm,使得相同的装药下需要更粗的箭体空气阻力巨大。

如何简化一下工艺?
1.壳体材料选择:
     6061-t6铝合金是目前最容易买到的铝合金,具有密度低(这点事坠重要的),强度大等优点。薄壁的铝合金管也比其他薄壁材料容易购买,是一种优良的发动机材料。其低成本,高性能,易购买等优点在美国爱好者中得到了充分应用。


为什么我不推荐钛合金,高强度钢呢?

       因为铝合金低密度,使得壁厚相对来说比较厚。使用钛合金,高强度钢这类的材料会使得壁厚更薄,同时这种薄壁管是无法购买的,只能通过购买更厚的管子加工而成。在实际的加工中管子并不是标准的圆(标准圆为黑色,而实际上管子确实蓝色的形状)。在切削加工前还需要先将管子敲成圆形(一边敲还得用表测试,十分麻烦),而且敲好后的圆也并不会非常标准。如果不是标准的圆形进行加工会使得凸出的部分被削得更薄(强度最差处),凹进去的部分会较厚(更重)。其中最重要的加工的师傅的人工费不低,这样折腾不起。


   市场上铝合金管的规格很多,其中有很多薄壁的型号可以购买,这样免去外圆加工的麻烦。以一个典型的规格为例,外径55mm,内径50mm的铝合金管,耐压可以达到24Mpa,已经远远高于发动机的使用压强了,强度是足够的。

隔热层与贴壁浇筑:
      金属在不同温度之下强度也会发生变化,通常温度越高强度会越低。其中铝合金的高温性能非常差,虽说熔点高达600摄氏度以上,但是在温度200摄氏度时,强度已经低得没法看了,所以必须使用隔热层来保证壳体的低温。
     早期的隔热层是PVC管,这不光有隔热作用,还是药柱的模具。




     不过PVC的隔热效果并不好,而且厚度较大严重影响了装药量。美国的一些爱好者通常使用HTPB倒入发动机壳体内,然后使用车床将其旋转,这样HTPB固化之后就能形成一个套筒隔离药柱与壳体。不过对于中国的爱好者来说,很少有人拥有车床。所以我选择了另一个方案:玻璃纤维+硅橡胶。
制作流程如下:
1.     贴双面胶:将双面胶贴在铝合金管内壁,没必要贴满,只要保证可以粘住玻璃纤维就行。

分享一点经验:
双面胶按照轴向贴,如果直接按照圆形来贴,在中间的部分会贴不到。

2.贴玻璃纤维:通常贴1-2层就合适。玻璃纤维其实就是为之后涂硅橡胶提供一个结构而已。如果没有这层玻璃纤维,硅橡胶根本没法涂均匀,甚至根本没法涂。


3.涂硅橡胶:将硅橡胶均匀涂在玻璃纤维上,使其完全渗入玻璃纤维内。使用的工具,个人推荐用筷子。涂完了之后,厚度大约在1.5-2mm。


4.贴壁浇筑药柱:这时候一句话不说,这是坠吼的,看图就明白了。



喷管制造:
1.     材料:个人推荐使用热固性塑料,比如酚醛树脂,环氧玻璃纤维这类。虽说这东西并不耐高温,但是其导热系数低,热量很难传递到外面。同时受热会发生分解反应吸热,甚至出现一层一层掉落带走热量(烧蚀冷却)。之所以选择这种材料,最大的好处是价格比金属便宜很多,自己加工相对来说也要容易一些。密度低,并不会像金属一样担心发动机过重。
这类材料通常有很多种,其中我测试过以下两种(还有一些更贵的,比如绿色的那种我没有测试过)。



使用氧化性氧炔焰进行烧灼测试,从结果来看黄色的高温抗冲刷抗冲刷能力更强,是均匀的一层一层缓慢掉落,而咖啡色的是直接出现了裂痕。


       由于这两种材料价格相差还是有点大的,根据个人经验,燃烧时间较短,压力较低的火箭(发动机直径40mm以下)尽量选择咖啡色的。如果使用高温含铝燃料(APCP),尽量选择黄色的。如果工作时间较长请直接选择石墨喉部。
       发动机图纸:白色部分为硅橡胶隔热层。个人建议在药柱与喷管和堵头出都涂上硅橡胶,这样密封性会更好。


       关于喷管棒料的规格,个人建议购买比管子内径小5mm,这样在加上隔热层后刚好可以塞入,不能密封的部分直接使用硅橡胶解决。


喷管
喷管的加工:
       其实对于很多人来说拉瓦尔喷管是一个难加工的东西,实际上网上就可以买到锥度钻,这样使用电钻就能自己加工。
       用于扩张段(扩张角度是8°,比常用的15°小了一些)

用于收敛段

使用以上方法可以做到不借助机床,纯粹靠手工就可以完成。如果觉得上面的那种设计略重,可以使用以下的方案。
(简单加工的喷管                                     石墨喉部喷管                                              低重量堵头)

        如果觉得加工上面那种喷管太贵了也没关系。可以加工很多个这样的毛坯,在需要使用时完成喉部,扩张段和收敛段。(个人建议每个毛坯都钻一个细的孔,比如3mm,这样可以保证后期手工加工的同心度)比如一次加工10个以上,单个成本大约在10-15元,不算贵。


喷管与堵头的固定
螺纹:方便快捷,但是在会削薄发动机壳体,造成强度不够。同时需要去外面加工,没法自己完成,所以不推荐。

螺丝固定:使用过程中比较麻烦,但是不会对壳体进行削薄,强度比较大。所以我选择了使用螺丝固定。

       关于螺丝的固定,我分享一点经验:

       先使用硅橡胶将其完全粘住,之后进行钻孔,然后利用丝锥进行攻丝,最后才拧螺丝(因为丝锥前部有一段没法攻丝,所以有效的螺丝长度可能会不够,不过没关系用力拧一样可以强行拧进去)其中螺丝建议使用12.9级的高强度螺丝和高级螺丝刀,因为在拧螺丝的过程中非常费力,如果强度不够极易滑丝,甚至螺丝断裂。

[修改于 3 个月前 - 2019-06-19 21:23:27]

来自 喷气推进
2019-6-19 22:54:18
1楼

不错,提醒一下,铝管必须是无缝管,当心买到地条铝,强度会远低于6061T4。

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2楼

不错!

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3楼

好帖啊,学习了

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2019-6-20 00:03:45
4楼

我在考虑电钻加工的精度问题,有台钻的话应该能够胜任拉瓦尔了,单纯手动操作电钻的话就怕有细小的角度变化,导致喷口对称轴偏于发动机中心轴,这块是拿的其他方法进行中心轴校准的么?还是说把这块当作误差忽略了(也就是说影响并不大?)?

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