KNPSB燃料45mm发动机研制及试车失败报告
Catal 2022-3-4原创 喷气推进
关键词
固体发动机knpsb45mm

由于在寒假里的一些小状况,我之前制造的Nova-1 KNSB发动机没能得到上箭测试的机会。。。由于我在外地上学,发射一枚火箭的窗口期也就在长假期里,于是乎,我就有了利用这个学期再制作一个推力更大、更能利用好那枚火箭空余空间的发动机的想法。

同时,我关注到了nakka的新燃料——KNPSB,这是由KN、KP、山梨糖醇组成的一种燃料,比例为35:30:35 。这种燃料是一种性能较好的且较为安全的燃料,它利用好了KP的强氧化性的同时也改性使KP燃料那危险的压强指数不再那么高,是一种非常好的过渡燃料(从新手的kn低能燃料到更高能量级的燃料),尤其是在如今AP十分难以搞到的情况下。。。过多介绍我也就不说了,各位可以自己去nakka的网站上看。网址:XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXt/XXXXXXXXml

因此,我选择了KNPSB作为我新发动机的燃料。


设计部分


设计的目的有了,那就开始设计吧~

不得不说的是,nakka的网站真的十分好的一个地方,他甚至十分贴心地把所有关于knpsb的燃料数据都给出了,让我们可以直接填到SRM1.2里面去进行发动机的设计~

首先是确定发动机的大小。我的小火箭的内径是46mm,发动机座大约长度有近24cm。为了方便购置铝管,选择发动机外径45内径39mm,长度220mm。

接下来直接上SRM的数据图吧~懒得码了… sticker

基本数据.png

喷管扩张比为7,使用304不锈钢作为喷口

壳体为3mm厚6061t6铝合金(希望商家没骗人),总长220mm,两端距离螺孔各有15mm

使用M5螺丝,六个孔

使用2mm厚度的纸筒进行隔热

还有什么不清楚的数据可以问我。。。方便对这次失败找出原因



随后我对喷口进行了设计,图纸如下

喷口图纸.png

不清晰的话可以问我

接下来放两张SRM的仿真图

压力数据.png 推力数据.png

再来张喷管的计算图

喷管数据.png


燃料制作


随后我就在学校里完成了对于knpsb药柱的制作


其实药柱制作步骤和knsb大体上区别不大,唯一的区别就在于需要提前把kn与kp均匀混合并进行干燥

随后的步骤就和做热熔knsb一致了

值得一提的是,nakka在他的文章中说到,knpsb这种燃料在制作过程中对于过热有着较好的抗性,也就是说,在铸造温度略高时,通常很难会使燃料爆燃。当然这也不能成为我们对于安全意识防范松懈的理由,最多只能说是一个制作较为安全的燃料。

同时,在我自己的制作过程中,我发现knpsb药浆的流动性较knsb更好,但是却更易粘在其他物件上,本身具有很大的粘性(容易拉丝),这有可能会导致燃料中的一些气泡。

我使用了10mm直径四氟乙烯棒作为模具,在浇筑完后基本没怎么动,除了第一次做的时候孔歪了微调了一下(另外,knpsb燃料的可操控时间很长,不像knsb那样很快就变硬些了)。在燃料浇筑完之后2个半小时左右,我使用钳子可以很轻松把四氟棒扭出来,脱模十分轻松。


IMG_2561的副本.png

制作好的药柱(第一枚制作时因为全粘在勺子和棒子上有点慌乱,所以端面不平整😂


发动机试车

先放一张遗照......

IMG_2561.png

然后就去找了个没人的建筑工地进行了试车(说是建筑工地,其实都是土地,根本没开工)

使用了0.4gkn-al-mg点火药,深内孔点火,点火时本人及与我一同的朋友在试车台后面的一个大土堆背面,试车时仅听到巨大的boooooooommmmmmmm一声以及与附近无人楼房碰撞后的“刷——”的回声......人员无伤亡,就是精神上被吓到了......

后来战战兢兢的跑去检查‘尸体’,发现试车台已被炸的不成样子,测力计部分不知道被炸到哪去了,铝型材制作的架子也松散了许多,架着发动机堵头那一头的不锈钢片(3mm厚)也被炸弯了。。。当时吓死了,慌忙捡了东西就跑了,于是没留下现场照片

罢了,先放视频吧


IMG_2562.mp4 点击下载

初步分析视频后,发现发动机前期工作良好,但是到后期喷燃比大了之后就出现了欠膨胀的现象,不久发动机堵头出产生爆炸。

IMG_2563.png

IMG_2568.png

IMG_2567.png IMG_2565.png

图三可以看到由于严重欠膨胀导致的超大马赫环。。。十分奇怪的是,图三中的喷口貌似不见了(?)不知道什么原因,兴许与欠膨胀有关系?毕竟前期工作的还十分不错。。。我寻思着喷燃比上去了也不至于这样吧。。。


原因分析

初步判定是由于堵头处密封圈漏气,导致烧熔螺丝孔处铝管,致使堵头爆炸喷出

由于现场经验不足,爆炸后手忙脚乱,并没有收集太多的有用物件便“逃离了”现场。。。

所以证据并不充分,无法完全判断此猜测的真假。

看过nakka之前所说的knsb压力峰问题之后,我认为部分类似的knpsb可能也有这样的问题,兴许可以通过涂燃烧底漆进行解决(?)

同时,我认为那奇怪的超级欠膨胀以及喷口的离奇失踪也有一部分的原因所在,但我对于这样的现象一点头绪都没有...还望各位提出点意见

IMG_2570.png

(捡到的唯一发动机残骸......)

截屏2022-03-04 下午10.34.43.png 截屏2022-03-04 下午10.32.09.png

(没想到测力卡居然还捡回条命。。。这是其中的数据,可以看到在爆炸之前最大推力有400N左右)


总结与计划

这次的试车爆炸属实让我受了点惊吓,但是通过前期的工作状况大家也大概能看出此燃料的可圈可点之处。个人认为是在材料上吃了亏,让6061铝合金去承担这样的压力还是有点为难它了,下一次可能会使用更优秀的材料,不知大家可否推荐几种。

但是,毕竟那爆炸的声音还是非常有穿透力的。。。仔细听视频里爆炸后的回声就可以听出来了。所以我还有点害怕会不会被请🍵。。。如果真被请的话,估计未来一个学期内不会有什么动作了。。。


这毕竟是国内第一次(大概吧...?)对于这种燃料的金属发动机尝试,肯定有很多不足之处,还望各位多多讨论,帮忙找一下失败的原因所在,争取在它的下一次试车中取得圆满成功!

来自:航空航天 / 喷气推进动手实践:实验报导
13
 
4
御坂18650
2个月25天前
1楼

楼主的设计过程没有问题,并且对测试过程进行了比较详细的说明,值得鼓励。

虽然发动机没有正常工作,但是从试车视频可以看出,发动机点火后短时间内正常工作,后严重超压并解体。也就是说漏气和解体的原因是室压偏高而非设计强度不足。发动机外壳设计(包括结构和材料选择)应当是合格的,之后可以沿用无需更改。改进的重点在于找到室压严重偏高的原因,我个人认为有几个可能的原因:

1,燃速数据与实际不符,导致设计喷燃比过高

2,侵蚀燃烧相关,如两可燃端面未隔开一定距离

3,燃面异常扩展,如隔热层窜火

其中1不了解这个燃料的特性不做评价,2在kc早年的发动机测试中常见,3在我之前的测试中遇到过一次,概率非常低但是确实存在,或许还有其他原因我没有考虑到。

喷管看不见应该是因为管壁和喷管间也在漏气,说实话我建议要做kp机的话最好还是用树脂基的粘合剂并选用合适的燃速调节剂,,,sb燃速特性比较恶劣,力学性能也恶劣。

引用
评论
2
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
Trinitrotoluene
2个月25天前
2楼

目前提倡燃料树脂化,个人认为在目前(ap和谐)的背景下,研究一些树脂kp基燃料(rkp,kp-htpb)还是有必要的。

优点

kp-htpb比冲在180s左右,密度在1.95左右,密度比冲还是很可观的

kp基燃料凝聚相系数较kn基低很多,在中低室压下出现二相流的几率降低

kp基几乎不吸潮,本人实测将rkp泡水1天仍然正常点火


引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
Catal作者
2个月25天前
3楼
引用御坂18650发表于1楼的内容
楼主的设计过程没有问题,并且对测试过程进行了比较详细的说明,值得鼓励。虽然发动机没有正常工作,但是从...

药柱中两可燃端面确实未有隔开,在上一次的knsb发动机中也没有,但是由于设计比较保守没有出问题,这次就把问题暴露出来了……

可否讲一下为何药柱之间的距离与侵蚀燃烧有关?谢谢

引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
Trinitrotoluene
2个月25天前
4楼

srm对于kp基燃料计算的精度不能保证

srm貌似只对kn基计算结果准确


引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
Catal作者
2个月25天前
5楼
引用御坂18650发表于1楼的内容
楼主的设计过程没有问题,并且对测试过程进行了比较详细的说明,值得鼓励。虽然发动机没有正常工作,但是从...

另,对于喷管看不见问题我抱有不同看法。

由于视频上传后进行了压缩,帧数没有那么高,所以各位很难看清楚过程。但我自己对于原视频逐帧分析后,发现是在逐渐的欠扩张开始之后喷口也随之逐渐被压进壳体内,导致看不到。

也就是说,并不是喷口处壳体漏气所导致的……具体什么原因我目前也不清楚😂

引用
评论(1)
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
御坂18650
2个月25天前
6楼
引用Catal发表于3楼的内容
药柱中两可燃端面确实未有隔开,在上一次的knsb发动机中也没有,但是由于设计比较保守没有出问题,这次...

侵蚀燃烧即燃料表面横向气流速度超过一临界值后燃速增大的现象,燃料的燃速通常可表示为侵蚀燃速加基础燃速。两端面紧贴在一起时流道非常狭窄,燃气在此处产生很高的流速,导致侵蚀燃速显著升高。端面处燃速升高导致局部压力升高,这又会使基础燃速也升高,进一步恶化情况,还可能导致燃料受压不均而破碎。可以将端面垫一O圈来获得足够的距离和隔热效果。

看看高帧率原视频

引用
评论(2)
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
shaogod
2个月25天前
7楼

燃料搞搞牢,,免得后背开花

引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
虎哥
2个月24天前
8楼

大概率还是燃料液化了/碎了,压力升高。就算耐压再提高几倍也扛不住。

引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
氟氩化氢
2个月24天前
9楼

kp都有了,搞个kper玩玩么,可能模拟的时候这种燃料的数据有一些问题,毕竟不管是测量还是计算的数据到头来都还是有些偏差,就knsb这样基础的燃料你查数据都能找到不少不一样的…

kc其实可以担负起重任,统一一下各种燃料的数据


引用
评论(1)
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
Catal作者
2个月24天前
10楼
引用氟氩化氢发表于9楼的内容
kp都有了,搞个kper玩玩么,可能模拟的时候这种燃料的数据有一些问题,毕竟不管是测量还是计算的数据...

这种燃料的数据的话,目前貌似只有nakka有测量…国内对于knpsb的使用我目前都还没看到几个…更别提数据测量了。

不过计划下一次试车测量一下内部压力数据(如果不炸的话),更多的我也还没有那个条件去测量…

引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
Trinitrotoluene
2个月24天前
11楼
引用氟氩化氢发表于9楼的内容
kp都有了,搞个kper玩玩么,可能模拟的时候这种燃料的数据有一些问题,毕竟不管是测量还是计算的数据...

kper的理论比冲到160s就很不错了,燃烧产物有氯化钾,高熔点氯化钾严重恶化凝聚相系数,所以再受二相流影响后,比冲可能和硝糖差不多,这样的kp基燃料就意义不大了

我认为kp-htpb可以试试,目前htpb的价格还5是贫民可以接受

引用
评论
1
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
Catal作者
2个月17天前
12楼

目前根据我和几位朋友的分析,在下次试车前将会进行如下改进:

  1. 在不改变燃烧室长短的情况下杜绝侵蚀燃烧,因此会制作较短的药柱,并在两药柱间用o型圈隔开

  2. 在所有的可燃端面上涂燃烧底漆,以避免sb系燃料的压力尖峰问题

  3. 使用pvc管而非纸管进行隔热

  4. 可能会增大内孔直径,使喷燃比曲线更平缓

另外,下一次试车大概率不会使用试车台(学业繁忙,上次炸的还没重造...),但有可能会进行内部压力的测量


若是各位有什么其他的意见,欢迎提出~

引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
Catal作者
2个月6天前
13楼

卧槽,居然加精了

挺激动的哈哈哈😂

引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论

想参与大家的讨论?现在就 登录 或者 注册

所属专业
所属分类
上级专业
同级专业
Catal
机友 笔友
文章
5
回复
65
学术分
0
2021/08/12注册,20 小时前活动
暂无简介
文件下载
加载中...
{{errorInfo}}
{{downloadWarning}}
你在 {{downloadTime}} 下载过当前文件。
文件名称:{{resource.defaultFile.name}}
下载次数:{{resource.hits}}
上传用户:{{uploader.username}}
所需积分:{{costScores}},{{holdScores}}下载当前附件免费{{description}}
积分不足,去充值
文件已丢失

当前账号的附件下载数量限制如下:
时段 个数
{{f.startingTime}}点 - {{f.endTime}}点 {{f.fileCount}}
视频暂不能访问,请登录试试
仅供内部学术交流或培训使用,请先保存到本地。本内容不代表科创观点,未经原作者同意,请勿转载。
音频暂不能访问,请登录试试
插入资源
全部
图片
视频
音频
附件
全部
未使用
已使用
正在上传
空空如也~
上传中..{{f.progress}}%
处理中..
上传失败,点击重试
等待中...
{{f.name}}
空空如也~
(视频){{r.oname}}
{{selectedResourcesId.indexOf(r.rid) + 1}}
处理中..
处理失败
插入表情
我的表情
共享表情
Emoji
上传
注意事项
最大尺寸100px,超过会被压缩。为保证效果,建议上传前自行处理。
建议上传自己DIY的表情,严禁上传侵权内容。
点击重试等待上传{{s.progress}}%处理中...已上传,正在处理中
空空如也~
处理中...
处理失败
加载中...
草稿箱
加载中...
此处只插入正文,如果要使用草稿中的其余内容,请点击继续创作。
{{fromNow(d.toc)}}
{{getDraftInfo(d)}}
标题:{{d.t}}
内容:{{d.c}}
继续创作
删除插入插入
{{forum.displayName}}
{{forum.countThreads}}
篇文章,
{{forum.countPosts}}
条回复
{{forum.description || "暂无简介"}}
ID: {{user.uid}}
学术分隐藏
投诉或举报
加载中...
{{tip}}
请选择违规类型:
{{reason.type}}

空空如也

支持的图片格式:jpg, jpeg, png
插入公式
分享回复:{{shareId}}
加载中...
评论控制
加载中...
文号:{{pid}}
投诉或举报
加载中...
{{tip}}
请选择违规类型:
{{reason.type}}

空空如也

加载中...
详情
详情
推送到专栏从专栏移除
设为匿名取消匿名
查看作者
回复
只看作者
加入收藏取消收藏
加入关注取消关注
折叠回复
置顶取消置顶
评学术分
鼓励
设为精选取消精选
建议修改
编辑
通过审核
评论控制
退修或删除
历史版本
违规记录
投诉或举报
加入黑名单移除黑名单
查看IP
{{format('YYYY/MM/DD HH:mm:ss', toc)}}
投诉或举报
加载中...
{{tip}}
请选择违规类型:
{{reason.type}}

空空如也