“兮”探空火箭项目——总体设计公开及项目过程描述
Winter 2019-8-19原创 航空技术喷气推进
中文摘要
详细讲述“兮”号探空火箭项目的进行过程以及“兮”的设计
关键词
探空火箭项目探空火箭点火发动机火箭发动机固体火箭

        从这个项目开始,到现在已经有半年时间。项目刚开始时,我最先列出了这个项目的整体指标和规划顺序表。然后开始用openrocket等软件进行总体设计

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结构上,“兮”分为发动机、箭体、航电仓、伞仓这四个部分

箭体使用常见的PVC管,使用硝化棉开伞,尾翼和头锥通过3D打印制造。

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同时我列出了各部分的技术指标,并把航电研制工作交给了氢离子。项目从发动机的研制和航电制作开始,正式进入到研究和制造的阶段。

        采购材料这一步首先就给了我当头一棒——我发现自己搞错了很多材料的起步购买量,比如用来做发动机壳体的碳纤维管,我打算按需零切购买。但实际情况是碳纤维管一米起售。这个失误让项目决算超过了预算。

        第一枚发动机使用40*42mm的碳纤维管做为壳体,喷管使用石墨作为主要材料,酚醛布棒的固定环固定喷管,堵头使用酚醛布棒车制。

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在碳纤壳体侧向打孔,螺丝固定喷管和堵头。葯柱的八角星孔通过蜡质模具成型,在燃料固化之后,泡开水熔化蜡模。(这是个馊主意)点火药选用了APCP小碎屑(这是另一个馊主意)。超轻超薄的碳纤维壳体使发动机装药占比达到了国内业余的最高记录:61%。

        发动机在点火后喘燃数下才进入工作状态。这次得到的推力数据清楚的告诉我,这个发动机是把星角在喘燃时烧完了才进入正常工作(因为最后一个喘燃的推力峰比上一个低,而正常工作阶段的推力一直在上升,没有出现星角燃尽时的燃面减小,所以此时是星角正好烧完的时刻。

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        这次测试暴露了很多问题,点火不合格是喘燃的原因之一。此外,经过复现测试,我发现热水浸泡会导致APCP燃料受潮,这也是喘燃的原因之一。第一次试车的详细情况见链接文章。

CuteO₂-42 AP-HTPB固体火箭发动机地面热试车

        第二次测试我修改了装药方式,从翼柱型装药(星孔)改成分为三段的圆孔装药,四个端面参与燃烧,以控制喷燃比的极差。这次的问题更为严重,点火延迟严重,发动机进入工作状态的瞬间发动机就发生了爆炸。问题首先是壳体质量下降,上一次试车的余热使碳纤维壳体在高温中保持太久,强度严重下降。导致工作压建立瞬间就发生爆炸。点火延迟极大未能建立点火压的问题也再一次出现。这一次,试车台损坏了。

【发动机试车爆炸视频】

CuteO₂-42型火箭发动机爆炸事故报告

        我意识到合格点火的重要性,这个问题需要优先解决,经过尝试,我发现KN-Mg-Al点火药能满足点火性能需求。

【点火测试视频】

一种较好的固体火箭发动机的点火药的寻找与测试

         这个时候,交给氢离子同学开发的航电完工了。

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它能实现采集气压数据(高度数据)、数据回传、气压判定开伞、无线电信标的功能。

        第三次测试,我修改了发动机的设计方案,放弃比较轻的碳纤维壳体,改用比较可靠的6063-T5铝管(因为切削加工过的碳纤维管强度是无法计算的,另外让碳纤维承受螺丝的剪切力确实不是个好主意)。

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这一次的点火情况好了很多,点火延迟降低了很多,但是这次在发动机工作过程中发生了壳体在喷管和堵头两侧烧穿的问题。


CuteO₂-40-B型45.6mm发动机第一次试车事故

新的试车台再次报废。经过录像分析,我们认为由于两根葯柱的四个端面均参与燃烧,高温燃气在一开始就直接接触隔热层,致使在一小段工作之后隔热失效。另外单纯使用密封胶的密封效果不理想,这也是发动机烧穿漏气的原因之一。

        我想第三次测试已经比较接近成功了。针对第三次测试的漏气问题,我修改了设计。首先端面修改为不参与燃烧(两根葯柱的端面粘接在一起,两端暴露的端面涂硅胶阻燃)。然后在喷管堵头上都添加密封圈。由于端面不参与燃烧,如果继续使用圆孔会让喷燃比的极差太大,这对燃料比冲的利用效率有很大影响,而且使发动机的工作室压变得极端。为解决这个问题,我们设计了一个论坛中还没有人尝试过的狗骨燃料孔形,并尝试了全新的异形孔成型方法

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这个葯柱通过拉削成型,方法其实非常简单,设计出你需要的孔型,按照孔型画一个钢制工装

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激光切割出来,用丝杆和螺母把葯柱和两片工装串起来,葯柱夹在中间,然后从葯柱的过线孔中穿过金刚砂锯条,把锯条在锯弓上拉紧,开始为所欲为地撸葯柱。形容的有点难懂,果然还是一图胜千言

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还是要说明一下,这个拉削异形孔的方法速度是比较慢的,加工这样的一根狗骨孔葯柱要花四十分钟左右。

        对于第三次测试的点火延迟,我们还是不够满意。对于点火来说,点火药的种类不是唯一的决定因素,点火药量和点火的方式同样重要。我们参考文献,写出了通用点火药量计算器(软件),计算出了这个发动机所需的点火药量。

固体火箭发动机点火药量计算器发布!

按照这个计算值做出点火药包

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并在喷管处封蜡,加快发动机进入工作状态的时间。

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在做了这些改进之后,我坚信这次一定会成功(哈,以前的哪次不是这样认为的呢?)

        结果第四次试车完全成功,发动机工作状态良好,点火延迟甚至被降低到了军用水准(一般认为军用火箭弹点火延迟低于30ms即为合格的点火)

CuteO₂-40-B型45.6mm发动机第二次试车成功!

我对这次试车非常满意,这个发动机确实达到了装箭的要求,唯一的遗憾就是试车台的结构强度设计有问题,另外用来顶住试车台的砼块不够重。试车时固定称重传感器的角码发生变形,后面的砼块被推动,导致采集到的推力数据无用。各位观众,注意试车台千万不要用我这个这样的结构

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不但固定应变片的角码强度不够,且称重传感器会承受扭转力,称重传感器会坏掉,因为称重传感器只能承受很小的扭转力(我事后才想到这个扭转力问题)。另外试车台后面的最好是固定在地面上的结构,比如砼墩或者墙。

       关于这个火箭所用的发射架,它用2020欧标铝型材搭建,按照设计列出各根型材的长度,按这个表找厂商直接购买材料,我花费了两个小时把它第一次组装起来,之后运输就可以只把中间的四个长型材拆下,到达发射场地后可以很快组装起来。并且可以调整发射架角码位置适配箭体直径

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        至此,这个火箭全部的绝大部分工作已经完成了,只待组装起来择期发射。由于近期香港问题严重,发射时间还未确定。

        在项目过程中,我们对多年来一直悬而未决的点火问题提出了完整的的解决方案。提出了一种RNX推进剂的燃烧模型。氧化铁在RNX推进剂中的作用【论文链接】CuteO₂-40-B发动机应用了论坛目前(理论上)比冲最高的推进剂。得到了一种可行的异形燃料内孔成型方法。航电装有数据回传以及无线电信标功能。这些都是这个项目的成果或者先进点。虽然过程中有不少挫折,但我觉得这个项目应该算是——成功的。


后记

        这半年以来,我进行了很多测试、研究和改进,以解决项目过程中遇到的各种难点和问题。可能有人想问我为什么把整个项目的过程写的这么详细,把设计方案和细节开源不就好了吗?

        我想,对于这样的一个探空火箭项目,除了火箭成品的技术成果,它的研究过程中的流程同样值得借鉴,遇见的问题更是值得参考。因为有的坑,已经有人帮你踩过了。所以我用尽量易懂的语言,写出了这篇文章

        到了感谢的环节了!首先还是要感谢无私的科创基金捐献者。感谢团队的各位朋友。氢离子帮忙制作出了这个功能强大强大的航电。喵酱帮我提出了很多专业的发动机设计建议,并操刀写出了点火药量计算器。御坂提出了总体设计建议和发动机改进建议。阿银帮忙做了点火的验证测试以及女装卖萌。谢谢LS提供的赞助。谢谢黄斯基对发动机事故原因的分析以及对发动机改进的建议。感谢对这个项目做出过建议的网友。

        在这个项目中,虽然推进度的过程中总是有各种各样麻烦的问题要解决,有时心情烦躁、由于设计引起的分歧不少,但是包含这些在内,能认识团队的各位,和各位一起完成一个项目,这个过程实在是感觉非常非常开心。

        如果各位对这个项目的内容有疑问的话欢迎提出

        非常感谢各位看完这篇文章,本人语文水平比较差,还请多包涵。但是如果觉得文章不错的话,希望各位还能点个赞(微笑)

[修改于 3 个月前 - 2019-08-19 02:01:02]

+1  学术分    虎哥   2019-08-19   开发了新的燃料内孔加工工艺(安全有待优化),大幅降低加工成本,简化加工工艺,为航天爱好界做出突出贡献。
来自 航空技术喷气推进
 
10
2019-8-19 07:14:10
1楼

楼主是用pvc管隔热的么?

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Winter(作者)
2楼
引用 youxizhai 发表于 1 楼的内容:
楼主是用pvc管隔热的么?

是的

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2019-08-23 12:13:13
2019-8-23 12:13:13
3楼

支持一下,过程写得很详细、很专业,比我不知强到哪里去了。

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4楼

nb,支持。继续加油

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2019-11-09 22:25:55
2019-11-9 22:25:55
5楼

火箭项目为什么叫,兮?兮饭么?

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2019-11-15 20:00:24
2019-11-15 20:00:24
6楼

请问,火箭的外观设计应该从何下手呢?可以使用的软件和参考书籍有哪些呢?想做无动力,靠外力弹出的导弹有应该注意哪些细节呢?

谢谢。

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