[科创基金露行动] Zeta-X酚醛-金属KNSB发动机制作
Syscus-AC 2020-4-8原创 喷气推进
中文摘要
60N级酚醛-金属发动机的模拟、制作、测试及数据分析
关键词
固体火箭发动机
KNSB

!前方多图警告!


实验编号:Rocket-Outdoor-001

实验日期:2020-4-6

实验目的:测试Zeta-X酚醛-金属KNSB发动机

实验结果:成功




I.尺寸数据


整机长度(mm)
壳体外径(mm)
燃料内径(mm)
燃料总长度(mm)
燃料段数
半装药版
105348751
完整版(未测试)
1803481502

注:发动机的尺寸是之前画的火箭设计图上的尺寸,,整机长度也是从设计图来的。。一句话概括:拍脑袋定尺寸。这种加工前没有预先确定设计目标,先定出设计再进行仿真的方法给后续工作造成很多麻烦(明明有32mm的管子非要定了30mm的内径),同时不符合科学的设计流程,应当改进。



II.模拟仿真

※ 喷管模拟:科创自带的工具。

Zeta-1 final.png

(不过这里算出来的推力高的离谱,原因未知)


※ 内弹道模拟:用了坛友的一个简便计算器,SRM和最近的两相流模拟软件。

(这里的两相流模拟似乎设置错了……)

Zeta-1 calcu.png

可以看出,计算最大推力在65N左右(SRM结果比其他的高了20N,不知为何...),但实测推力曲线的形状和计算数据有很大差异,将在下文进行简要分析。


III.结构设计

※ 3D建模:喷管

PS:实际上并没有加工下部的密封槽,而是使用硅橡胶填补密封。

                    QQ图片20200408224932.png


※ 示意图:隔热层

这个设计原来是想着用钢片扛住烧蚀,然后重复利用橡胶隔热层。

  隔热层.png

实际上是这样的:

微信图片_20200408222429.jpg

结果工作完毕后壳体温度接近80℃,证明此类多层隔热材料隔热效果较差。不知道是三元乙丙本身隔热能力差,还是钢片阻止了橡胶自身烧蚀带走热量。后续将使用不加钢片的三元乙丙隔热层进行实验以进一步确定原因。



IV.发动机制作

壳体:6061无缝铝管

喷管&堵头:酚醛粗布棒,由4×2个M3不锈钢螺丝固定

隔热层:三元乙丙橡胶+304不锈钢片

燃料:使用粉状硝酸钾,热熔法制作的KNSB药柱,内孔8mm

总装图片:

微信图片_20200408222444.jpg 这里螺丝并没有完全拧进去,主要是力气不够大……


内部特写:

微信图片_20200408222450.jpg


PS:喷管和堵头是怎么车出来的呢……

微信图片_20200408222244.jpg

求证:自制台锯 + 卡盘 + 一些车刀 = 简陋车床

不过这种方法很不精确,直接导致了后面堵头的漏气(手一抖车多了)



V.试车

铁架台固定,通过自制硝糖“导火索”点火。


上视频:

 · 根据尾焰形状判断,基本处于正常膨胀状态,与模拟结果相符。

 · 工作接近1s后堵头侧面烧穿且有燃气喷出。推测是加工精度不够导致与壳体贴合不紧密。

 · 工作完毕后喷口处产生橙黄色明亮火焰,推测是三元乙丙隔热层受热分解产生可燃气体。


一张截图:

5612CA2EA7265BA3C4FA7D05CB283273.jpg

似乎并没有看到马赫环,不知道是不是光线问题。



VI.拆解&分析

91604AC173F7E8BED1B4292A8D7E1920.jpg 这是全家福


ED79EB970A5E28FAED40AC50A010F872.jpg 这是壳体,两端有轻微烧蚀痕迹但仍可重复使用。


6ACF0FBDE46F74924F12A3D36639E875.jpg 喷管,收缩段有较多积碳,但喉部烧蚀不明显,仍可继续使用。


D8BA8AC2084820827F66605405849A16.jpg 堵头,注意漏气造成的烧蚀痕迹


DB4DE10FAA982344CC3E362A1283A482.jpg 元乙丙隔热层,无明显损坏但推测有部分热解。


02BBF66886F4DF49AA811F8B66537053.jpg 不锈钢抗烧蚀层,能看到明显的沉积物

刮下沉积物查看,发现其由可溶性白色固体(推测为KNO3)和不可溶黑色固体(推测为碳)组成,且有吸湿性。推测燃料中硝酸钾过量。


C3C6C25E23D43540BAE4CF1927BB6B4D.jpg 这是称重传感器和相关电路,试车时放置在铁架台上。



VII.推力数据分析


注意:这个图应该是从右往左看

31.png 11.png

最大推力64.7N,工作时间1.2s(这里由于点火原因可能不准),与仿真结果基本相符。不过推力曲线的变化十分诡异,推测原因如下:


此次导火索用较粗的硝糖燃料制成,从而堵塞内孔上部,导致上半部分只有端面燃烧。在燃烧到达内孔时燃烧面积陡然增大,导致推力突然上升;随后推力按照直径不变、长度较短的端面可燃发动机变化。

除此之外,也可能是未燃烧完全的导火索融化滴下导致内孔堵塞。


如直接上箭将导致初始推力严重不足,很可能在火箭偏转后突然加速造成危险。如换成深孔电点火可能能够解决此问题。

推力曲线分析.png (示意图,比例与实物不同)(这里的推力图是从左往右的)




VIII.总结

1.  参数的确定及发动机的设计不符合正常流程,缺乏科学性。

2.  发动机的制作及测试部分成功完成,但存在点火不良,堵头漏气等问题。

3.  三元乙丙橡胶-钢片隔热层能够多次重复使用,但隔热效果疑似不良(未进行对比实验,无法确定),后续将进行相关实验来进一步确定。


=====此贴完结=====


[修改于 2 个月前 - 2020-04-09 11:15:35]

来自:航天航空 / 喷气推进
 
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