100N氢氧火箭发动机设计
鹰图小盆友 2020-3-12原创 喷气推进
中文摘要
设计一台地面推力100N液体火箭发动机,详细设计过程
关键词
液体火箭发动机;数值模拟;
Liquid Rocket Engine;Numerical Simulation

既然我们已经有了推力架,那么为什么我们不应该拥有一台氢氧火箭发动机呢?就像这个春天为什么不会如期而来呢?

这里我们简单设计一台地面推力100N的气态氢氧火箭发动机。

1.发动机主要参数计算

100N设计.jpg

100N设计2.jpg

设计型面如图所示:

image.png

接下来为了保证我们发动机可以持续工作,我们需要进行热防护计算。

2.热防护计算

2.1分段

分段.jpg

分段的目的主要是进行热力计算(这里我们采用CEA来计算,计算结果如下PDF)

attachment icon 热力计算.pdf 52.25KB PDF 68次下载 预览

有了各段参数后,我们开始进行热防护计算,这里我们采用紫铜作为推力室材料。紫铜拥有非常好的导热性,在770K以下工作时,其结构强度也能支撑我们目前设计的方案。

2.2冷却通道设计

本次设计采用的是轴向冷却方式,冷却通道数10个,冷却通道总面积23mm²,因此采用DN6管作为冷却水入口和出口接头。但在计算时应以最小面积为参考(10通道属于并联式,相当于直径5.4mm管),进行冷却水流量计算

文氏管流量计算.jpg

接下来开始计算

热防护表1.jpg

热防护表2.jpg

热防护表3.jpg

计算结果符合设计要求,最高壁温640K。

3.结构设计

冷却水由身部DN6管进入汇流槽,再进入10个通道中,经壁身、喉部、喷管到达底部回流槽,再由冷却出口流出。

(虚线为冷却通道)

半剖面2.jpg

推力室.jpg

4.法兰和喷注端设计

法兰.png

image.png

5.装配

半剖图.jpg

半剖图

整体.jpg

三维图

到此我们100N氢氧火箭发动机就设计完成了,接下来我们利用CFD软件做点简单计算

6.仿真计算

6.1网格

网格.png

我们把这台发动机放到一个小舱里,当然舱的直径应该足够大,防止在舱门口形成壅塞。当然我们先实验在1atm下,这个情况基本不会壅塞,除非舱太小了,导致加上火箭自引射作用使得周围压力降太低。

6.2仿真计算,

背压1atm

1atm-mach number.jpg

一看这个结果,在喷口出口位置下游形成一个正激波,这是意料之中的,毕竟我们室压相对较低,太高不利于试验,同时也得为安全着想。接下来我们看看压力场呢

1atm-pressure.jpg

我们根据获得的压力再来计算下推力,楼主算了下推力在101N左右,基本在我们设计误差范围内,主要是实际燃烧效率影响。这里主要用我们最基本的公式:推力=动量推力+压差推力来计算。

于是,我们想想要是放到30km高空呢?这时候压力会降到1197Pa,我们再来看看羽流

1197-mach number.jpg

果然欠膨胀了,这时候我们可以用来研究在高空羽流的各种相互作用等。

那么是不是只有在高空舱里才能获得30km高空处的背压呢?其实也不是,你只要把火箭发动机套进一个比喷管出口大那么一点的套筒就能极大降低发动机出口背压。这就是因为火箭的自引射作用。当然自引射能力与发动机主要的一些参数有关,可提高发动机总温、总压来获得更大的自引射效果。

总结:

写到这里,我的手都有点酸了(真的是科普不易啊。。。。)今天花了大概有整整4小时做这个事情,想想是为什么呢?很多年前,我很喜欢航天,自己看书,思考,究竟火箭是怎样飞上太空的。那时候,真的是完全凭自己想象,做的一些小火箭,现在自己都要笑笑,但是那段时光真是太美妙了。哈哈哈,所以希望可以帮助更多小盆友真正去走进这个领域。


彩蛋一个:

最后都看到这里了,这些设计文件、三维文件对我来说都没啥用,所以如果有要的,LZ也可以给,但是不能白给,毕竟我今天啥都没干(有点愧疚了),哪位壮士需要文件就答一道题吧,哈哈好好考考大家,让大家一定要重视学习数学、物理哈哈

冲压作业.png


+1  科创币    负负得正   2020-03-13   这就涉及到我的知识盲区了
来自:航天航空 / 喷气推进
 
6
2020-3-13 0:13:37
鹰图小盆友(作者)
1楼

忘了把冷却通道显示下了

冷却通道.jpg

冷却2.jpg

这种轴向冷却的好处就是冷却效果好,但是不易于加工,要么采用双层结构加工最后焊接起来(铜需要钎焊),要么就3D打印。我一般都是采用后者,不过目前国内像西安铂力特打印效果也没达到我们预期的标准。另一种冷却方式就是周向冷却,这个易于加工。

+1  学术分    warmonkey   2020-05-20   原创精品
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2020-3-13 7:00:17
2楼

有沒有考慮過直接引一部分液氧入冷卻系統內然後直接排出?雖然效率可能較低但是系統可能會簡易許多。

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3楼
引用鹰图小盆友发表于1楼的内容
忘了把冷却通道显示下了这种轴向冷却的好处就是冷却效果好,但是不易于加工,要么采用双层结构加工最后焊接...

周向冷却易于加工……没做过,不太确定。但是有关液机的文献中,说周向冷却曾经是制造液机的一大难题。首先你得把管路严丝合缝地焊上去,尽量保证发动机重量分布均匀……看上去简单,业余的这样造应该也比较难。

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鹰图小盆友(作者)
4楼
引用Clayton_tsai发表于2楼的内容
有沒有考慮過直接引一部分液氧入冷卻系統內然後直接排出?雖然效率可能較低但是系統可能會簡易許多。

没有必要,本来水就可以冷却到可承受温度,为什么要用液氧,而且推进剂是气态氧/气态氢。再说再生冷却是指液氢从底部进入冷却通道,然后从头部进入喷注器,从没有用液氧冷却,然后排掉的说法

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鹰图小盆友(作者)
5楼
引用负负得正发表于3楼的内容
周向冷却易于加工……没做过,不太确定。但是有关液机的文献中,说周向冷却曾经是制造液机的一大难题。首先...

你所谓的文献或者说科普书吧,都是指大型液体火箭发动机设计与制造。首先说周向为什么好加工,发动机内壁和外壁单独加工,外壁可以做成两半结构,在两半结构上开槽,合上密封固定就可以。而轴向冷却一般需要在内壁上先刻槽,然后外壁套上去,再钎焊。相对比较麻烦

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6楼
引用鹰图小盆友发表于5楼的内容
你所谓的文献或者说科普书吧,都是指大型液体火箭发动机设计与制造。首先说周向为什么好加工,发动机内壁和...

既然如此,打扰了 sticker

学识不足,人品不够凑,我去看书了

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154454496
7楼

能否介绍壁面传热计算方法?我搞这个搞得有点焦头烂额。lz最近的一系列帖子都是精品啊

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鹰图小盆友(作者)
8楼
引用负负得正发表于6楼的内容
既然如此,打扰了学识不足,人品不够凑,我去看书了

周向冷却.png

这个就是周向冷却,外壁做成两半结构。(这是一个支板火箭)


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鹰图小盆友(作者)
9楼
引用154454496发表于7楼的内容
能否介绍壁面传热计算方法?我搞这个搞得有点焦头烂额。lz最近的一系列帖子都是精品啊

看时间吧,最近比较忙。你可以去参考《液体火箭发动机设计》蔡老师的书,你可以看我计算热防护中轴向冷却计算表,里面第一个图有具体写可以参考哪页进行设计。但是大家的主要问题可能还是数学问题,可以建议慢慢看

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2020/03/10注册,1 个月前活动

此人太懒,也不想留下什么 /此人将引以为戒,不回复任何非本人文章内容/ /此人不参加任何所谓民间组织、研究团队/

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