由火箭燃料的选择问题带来的一些思考和关于火箭爱好发展的一些建议
Winter 2020-3-31原创 科创茶话喷气推进
关键词
火箭航天燃料

        假如我是萌新,在我做火箭发动机的时候,第一个关注的问题很可能是:我要用什么燃料?这个问题在爱好者群体中早有了一个不成文的答案:通常只用KN基或者AP基。但是最近几年由于一些众所周知的管制问题,国内有不少爱好者质疑这个答案,大费周章地开发AN基燃料又或是想方设法用小作坊方法土法制备AP。

        所以有了这篇文章:来讨论一下为什么在爱好者群体中有这个不成文的结论。

        先说判断标准:综合水平。因为对于一个要进行工程应用的东西(火箭就是个综合学科的大工程),显然不能只看单方面水平。

        通常固体火箭燃料按照燃烧机理和混合的界面级别分成了两类:复合燃料、双基燃料。双基燃料有不少配比和制造工艺。但主要成分永远是硝化纤维(NC)和液体硝酸酯(通常是硝酸甘油,即NG)这两样。这种燃料优点很明显:在工业大量生产的情况下,性能不错又价格便宜。缺点也很明显:在业余条件下NG的制备和储存非常危险。而NC需要进行预处理造粒,建立NC造粒生产线又回到了工业生产的范畴。即使能“克服困难”做出药柱,成本有多高也不言而喻。

        复合燃料是一个很大的家族,我们通常按照主氧化剂来分类。KN、KP、AN、AP是历史上实际应用过的氧化剂。

        KN相对易得,价格便宜,使用历史非常久远。但是在现代航天和军事应用中看不到它的身影,主要原因是性能低下、固相产物多。但是这些缺点在业余条件下还能够接受。综合来看,在非专业的条件下整体还不错,是它在爱好者中主要得以广泛使用的原因。

        KP不太容易获取,比冲相对KN较高相对AP和AN较低,价格不算高,但是在现代航天和军事应用中也看不到它的身影,主要原因是燃速系数和压强指数高,而且比冲即使相对于双基来说都低了些。基于同样的原因,KP在爱好者中几乎没有应用。

       终于讲到了现代固体火箭最重要的氧化剂:AP。AP在20世纪70年代开始广泛应用于航天和军事,替代性能有些落后的双基和不太好用的KP。如果单论成本、氧平衡、燃料比冲、密度,可以说没一项能打,但是综合水平却是最拔尖的。应用于火箭燃料的AP需要造成球粒来提升燃料药浆的流动性,改善粘度。制备AP的方法包括中和反应、电解、复分解等。在爱好者的小作坊条件下也能完成。但是AP粒度分级造球工艺几乎无法在爱好者的条件下完成。也有爱好者使用球磨的方法得到了高于200目的球状AP,但也仅限于此,比200目粗的球状AP无法制得。坚持不懈的人大可以说我一定能找到方法制造出符合火箭要求的粒度分级球状AP,不过如果你愿意统计一下成本(尤其不要忽视设备成本、时间成本以及人力成本),依然会发现价格惊人。完全不亚于找黑市买这种AP。

        AN是一个满身缺点的氧化剂:潮解性极高、转晶温度低、难以维持稳定燃烧、反应活性高、燃速系数压强指数过低、稳定工作压强高、点火困难等等等等。其中任何一个都是劝退级别的缺点。综合起来缺点完全压过价格低廉和高性能这两个优点。坚持不懈的人要是说这些缺点我能找到办法解决或者妥协,那还真没办法反驳。只能评论一句:削足适履。

        至此,为什么爱好者通常只用KN基或AP基的原因已经讲得差不多了。在构思这篇文章的同时,我又想到了一些额外的问题:爱好者的时间非常宝贵。中美爱好者群体有很大差异,美国爱好者大多是社会成员,通常已经工作或已经退休,而国内爱好者几乎全都是学生。据不准确统计,国内火箭爱好者的爱好持续时间通常不超过3年。满腔热血入坑一年,稳定发展一年,逐渐淡出一年。中国爱好者是学生群体,实际上能使用的时间只有业余空闲的时间。用时间非常宝贵来描述,完全不夸张。所以我建议各位把时间用在更有必要的内容上面,不少爱好者只做发动机不发射火箭,到底算是火箭爱好者还是呲花爱好者呢?我并不是觉得喜欢看火有什么不好,但是让表演性质的火箭也飞起来,不是比地面呲花更好看吗?另外又有不少人把相当多时间花在研究AN燃料或者自制AP上面,直到最终逐渐退坑了也没什么东西能拿出来玩。这就是从火箭爱好者钻进了发动机爱好者这个小分支再钻进了燃料的细枝末节中。

        我建议火箭爱好者不要再凭一己之力向燃料这块硬骨头里面钻,如果没有组成足够规模的团队,个人的精力和能力实在难以完成从零开始的造火箭(特别是从制作燃料原料和研发燃料开始)。所以找准自己想要的玩法。在比射高的玩法里面,有能力买到AP可以做高能燃料提升比冲,买不到AP也可以多堆些KN,比冲低嘛,加大药量就飞得高了。想做得比堆药高级些,应该研究减重和气动优化,曾经七年前YT4凭着110mm直径的大燃料和近3m高的箭体飞到了4km高度,今年SSR3能仅用50mm直径的硝糖燃料飞到3km并成功传回数据。这就就减重和气动优化的魅力。而在火箭飞行控制的玩法里,可以研究液发再做成简单的液体火箭来开发和测试飞控。没有条件的话,KSP作为一款很不错的航天游戏,也有mod能提供API供外部程序调用用以操纵游戏内的飞船。也就是可以用游戏来玩火箭控制算法,几乎没有成本。在这些不同的玩法里面,目标总是不止一种路线可以达到。

        不要被眼前的困难拉进牛角尖里面,跳出来在更宽的层面思考,经常能够豁然开朗。

+0.5  科创币    sc~   2020-03-31   
+0.5  科创币    UICalc   2020-03-31   高质量发帖
+0.5  科创币    三水合番   2020-03-31   时间宝贵,用kn不磕碜
+0.5  科创币    Lihua   2020-03-31   高质量发帖
+0.5  科创币    chemistry02   2020-04-01   高质量发帖
+0.5  科创币    有机过氧化教主   2020-04-11   分析的很到位
来自:航天航空 / 喷气推进聊天生活广场 / 科创茶话
8
2020-3-31 20:41:26
1楼

有道理,蟹蟹提点,墙裂滋磁!

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2020-3-31 21:44:45
2楼

对于没有先入为主接受“自制燃料”概念的萌新和轻度用户,四凯加上航电(可能要画PCB)和微型舵机基本上能满足“自制火箭”的体验,有烟有火而且不算过于简单。毕竟大部分人在接触火箭之前只拆过烟花、没配过药。

即使做不出闭环反馈,做个开环的程序转弯也很炫,甚至可以在KSP里做一套四凯的mod来仿真。

[修改于 2 个月前 - 2020-03-31 21:55:09]

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3楼
引用拔刀斋发表于2楼的内容
对于没有先入为主接受“自制燃料”概念的萌新和轻度用户,四凯加上航电(可能要画PCB)和微型舵机基本上...

四凯的总冲量都很可怜,对于这种小观赏箭是够了,但是如果后续想继续深入的话,无论是追求高空高速/控制能力/观赏性,箭体和发动机都完全没有继承性,相当于需要再次入门。不过即使是这样,玩四凯也比某些新人放烟雾弹要强的多了,加上低成本和0法律风险不失为一种有价值的玩法。

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4楼

个人认为用脉冲喷气发动机进行大气内的试验是一个易行的替代方案。

  1. 燃料易得

  2. 工作时间长

  3. 制作和设计难度都不高

[修改于 2 个月前 - 2020-03-31 22:24:45]

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2020-04-01 00:47:59
5楼
引用御坂18650发表于3楼的内容
四凯的总冲量都很可怜,对于这种小观赏箭是够了,但是如果后续想继续深入的话,无论是追求高空高速/控制能...

控制方面要深入可以用电涵道风扇当“发动机”,软硬件都有继承性。在化学能发动机方面继续深入无论从成本、法律风险还是从生化环材机类专业(包括航空航天飞设、推进专业)劝退的角度来说都不是好选择。

脉冲喷气发动机启动困难,我买过两个做过一堆,没一个能用。

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6楼
引用拔刀斋发表于2楼的内容
对于没有先入为主接受“自制燃料”概念的萌新和轻度用户,四凯加上航电(可能要画PCB)和微型舵机基本上...

考虑其实大多数应用里,火箭发动机只是负责把弹体运送到最高点后俯冲、平飞,

之后才是控制机构的机动,我觉得可以考虑利用无人机把火箭搭载到一定高度后释放。

这种实验方法的具体实施有很多优点,


1:无人机替代了把发动机运载到高空的做功

这种情况下,足以测试大部分控制系统的性能,并且重心不会发生变化,有利于主翼面的配平

普通四轴飞行器可以飞行3-4Km的高度,拥有的重力势能足以赋予箭体很高的巡航速度。

当然这个高度存在一个法律风险的问题,妥协方案就是

2:可以在自由释放的基础上加上例如四凯的固机,赋予一定的速度

这样可以避开禁飞高度和所需测试速度的问题。


我觉得业余爱好者存在的一个问题就是,遥测箭体实时姿态的手段不完善。

调参每次都要依赖回收储存的飞行数据分析,高空没法直接观测姿态变化,这是很不利的


至于实现“程序转弯”,这个开环实现确实很简单,但是空气舵高度依赖飞行速度

变速度下可能不仅仅用PID,得用更高阶数的控制方法来保证不出现“93飞弹”式的飞行😂


要实现加速阶段的转向可能真的要用TVC的方法来做,毕竟此时变推力作用在质心上和执行偏转角度是接近线性的扰动。、


[修改于 2 个月前 - 2020-04-01 01:58:58]

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7楼
引用rb-sama发表于6楼的内容
考虑其实大多数应用里,火箭发动机只是负责把弹体运送到最高点后俯冲、平飞,之后才是控制机构的机动,我觉...

有个著名视频,用类似四凯的发动机从无人机上空投做反推着陆,不过比电涵道加TVC麻烦多了。

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8楼
引用拔刀斋发表于7楼的内容
有个著名视频,用类似四凯的发动机从无人机上空投做反推着陆,不过比电涵道加TVC麻烦多了。

刚编辑完,就直接在这楼讨论好了。。

这种方式国外爱好者见过有尝试,一般都是两台小舵机给发动机赋予两个方向自由度,

但是都是很粗的箭体配一个超小的发动机,执行机构做不小,效率是个硬伤。

那位视频中的作者几乎是在做反复尝试点火时机最终才勉强做到了停稳不倒,有很大离散性。

或者说高度依赖发动机推力一致性,固机的特性对是个硬伤,除非有一定推力平台期,这依赖内弹道设计。


电涵道的方案我考察过,一般50mm直径的电涵道,配4S锂可以做到700g左右的推力。

这里面就有个问题,电涵道本身给箭体带来的轴向旋转力的配平,和推力太小了。

在重量控制得比较好的情况下,可能刚刚做到1-2倍的推重比,飞行速度不会很快,

utube上有个视频就是用泡沫做的电涵道火箭,虽然看起来是个火箭,但是速度慢的就像航模一样。。。

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9楼
引用rb-sama发表于8楼的内容
刚编辑完,就直接在这楼讨论好了。。这种方式国外爱好者见过有尝试,一般都是两台小舵机给发动机赋予两个方...

串联正反转即可抵消扭矩,慢了更有可玩性,不至于还没看清就飞丢了。

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10楼
rb-sama
引用拔刀斋发表于9楼的内容
串联正反转即可抵消扭矩,慢了更有可玩性,不至于还没看清就飞丢了。

那这样其实还是要伺服系统来保证两台串联涵道的转速,反馈条件就是箭体滚转角度变化率。

确实有足够的硬件和软件条件,飞行起来可以用空气舵控制,三通道就够了。


刚刚看了涵道100g之内,加电池2个串联可以控制在400g之内,峰值功率800W。

箭体和执行机构加起来只要在200g以下,1.6Kg推力抵消重力后可以产生1/0.6=1.33m/s2


起飞之后要20s才能勉强达到26..6米每秒的速度,也就是说这段时间内,靠压心重心配比稳定的尾翼不起作用,

这时候是否需要第四、五个通道来控制偏航和俯仰?或者说用类似“燃气舵”的结构来执行


如果完全用“燃气舵”控制,没有翼面或者翼面作用有限的话,这种火箭是静不稳定的。

对控制系统要求还挺高的,我在考虑旋转单通道控制是否更合适在小火箭上?




[修改于 2 个月前 - 2020-04-01 02:25:52]

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11楼
引用rb-sama发表于10楼的内容
那这样其实还是要伺服系统来保证两台串联涵道的转速,反馈条件就是箭体滚转角度变化率。确实有足够的硬件和...

这样有点想复杂了。可以用四凯发动机,起飞时尾翼回中、达到较大的空速之后开始转弯,类似导弹垂发、助推——滑翔模式。

[修改于 2 个月前 - 2020-04-01 11:29:35]

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12楼
引用拔刀斋发表于11楼的内容
这样有点想复杂了。可以用四凯发动机,起飞时尾翼回中、达到较大的空速之后开始转弯,类似导弹垂发、助推—...

我昨天看了下你说的那种燃气舵配涵道的东西,有国外爱好者在做,

utube上叫BPS space channel,他开发的东西有TVC、RCS用喷气来执行的,还有你说的燃气舵。

可以用高度传感器定高,但就是看起来像个航模,如果推重比问题能解决,那是极好的

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13楼
引用rb-sama发表于12楼的内容
我昨天看了下你说的那种燃气舵配涵道的东西,有国外爱好者在做,utube上叫BPS space cha...

推重比1.33类似液体火箭基本够了,很难进一步做高推重比。看起来像航模就航模吧,本来就是航模。

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