KTX-1复用性微型固体燃料火箭发动机
蒲松岩张世杰
CIT天行科技2024/01/06原创 喷气推进 IP:广东
中文摘要
本文详细介绍了KTX-1型微型固体火箭发动机的设计流程及其测试验证。通过对喷管结构的细致设计,本研究旨在优化发动机的能量转换效率,确保推进性能的最大化。利用6061铝管和酚醛树脂-304不锈钢复合材料减轻发动机重量的同时,提升了对高温高压燃气的耐侵蚀能力。设计阶段采用SRM仿真、Ansys气流动力学仿真及SolidWorks三维建模等先进工具,以确保设计方案的科学性和实用性。通过实地测试验证了发动机设计的有效性
Abstract
This article provides a detailed description of the design process and testing validation of the KTX-1 micro solid rocket engine. By carefully designing the nozzle structure, this study aims to optimize the engine's energy conversion efficiency and ensure maximum propulsion performance. The use of 6061 aluminum tubing and a phenolic resin-304 stainless steel composite material reduces the weight of the engine while improving its resistance to high temperature and high-pressure gases. During the design phase, advanced tools such as SRM simulation, Ansys aerodynamic simulation, and SolidWorks 3D modeling were employed to ensure the scientific and practical nature of the design solution. The effectiveness of the engine design was validated through on-site testing.
关键词
KNSB固体燃料金属发动机复用

       火箭发动机是使火箭能够飞行的推进装置,固体火箭发动机的结构设计主要包括燃烧室、喷管、支持装置及点火装置。喷管是火箭发动机能量转换的重要部件,它把推进剂燃料产生的高温高压燃气的热能和压强势能转变为高速排出气体动能产生反作用力。

在火箭发动机中,高压气体通过喷管时,涉及到一系列热力学和流体力学效应。

1. 喷喉效应:

   - 压缩:喷喉使气体受到约束,导致气体体积减小,从而引起气体的压缩。

   - 升温:由于气体受到压缩,其分子动能增加,导致温度升高。

2. 喷喉中的气体加速:

   - 增压和增速: 由于气体在喷喉中被迫通过狭窄的截面,气体速度增加,同时伴随着压力的增加。

3. 扩张段效应:

   - 膨胀:当气体通过扩张段时,受到喷喉约束的气体膨胀,导致体积的增加。

   - 降速:随着气体膨胀,流速减小。

4. 内能转化为动能:

   - 喷喉到扩张段的转变:在喷喉中,气体的内能主要表现为温度和压力,而在扩张段,气体的内能被转化为动能,实现了气体的膨胀推力。

5. 反冲力:

   - 动量守恒:由于气体膨胀产生的动能转化,根据动量守恒定律,反冲力产生,推动火箭。

这些效应共同作用,影响着火箭发动机的推进性能。我们通过精确设计和优化喷喉和扩张段,以最大程度地提高发动机效率。

喷管设计的主要任务是选择喷管的结构形式,设计内型面参数,确定热防护措施。喷管型面由收敛段,临界段(喷喉)和扩张段构成。

喷管设计参数包括扩张半角、收敛半角,扩张比等。造成火箭发动机性能损失的原因有两相流损失、散热损失和气流扩散损失等。

喷管内流动的高温燃气或一定量的熔融颗粒流剧烈冲刷及烧灼使发动机内型面遭到破坏,同时燃气热量通过壁面向外壁传导,使喷管壁面材料温度升高,因此做好发动机的热防护可以保证发动机稳定工作,针对隔热问题,我们使用了纸筒作为发动机燃烧室的隔热层,发动机工作后,纸筒会被烧蚀损坏,复用时只需要更换纸筒即可(燃料浇筑在纸筒内部)

综上所述,我们设计了一种35毫米外直径,220毫米总长度的微型固体火箭发动机。(以下统称KTX-1发动机)

想要减轻发动机的总重量,但不失强度,我们选择了6061铝管作为耐压外壳,后堵头所承受的直接侵蚀较小,用酚醛树脂(俗称电木),喷管的设计是较为复杂但极为重要的,用304不锈钢固然可以减少侵蚀,但结构重量太大,得不偿失,而如果全采用酚醛树脂用作喷管,高温高压的燃气带来的强烈冲刷,会使其喉部严重扩张带来能量损失。但如果使用酚醛树脂用作喷管主体结构,用304不锈钢充当喷管喷口的喉部的复合喷管,则可以达到优异的效果。燃烧室及喷管的连接要求可靠性好、连接部分密封性好。我们将喷口与6061铝管外壳用两个氟胶圈密封,再使用卡簧固定。

确定好喷口扩张比后,使用相关设计工具设计喷管内型面尺寸

 

80a89de2c82bbb2918184a7824313aa.png ade82c2384bcdb60bf8673bd917389c.png  

 

综合考虑电木和304不锈钢的耐冲刷耐高温能力与喷口尺寸,我们使用一个直径6mm,外径12mm ,厚度3mm的304不锈钢衬喉,套在电木喷管立体入口内

a4094621fafbe32fafa4d8f384cb349.jpg  

喷管剖面

燃料开孔选择了简单稳定的圆形开孔

 

使用SRM(固体火箭发动机相关性能计算工具)火箭发动机仿真

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使用科创论坛相关计算工具对固体火箭发动机内弹道模拟与性能计算

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 使用AnsysFluent对喷口气流仿真

根据科创相关计算工具算出压力峰值为4.33Mpa,KNSB燃烧温度约为1530k,大气压为101Kpa,大气温度300k

Velocity云图


2月10日 (5)(1).mp4 点击下载

2月10日 (3)(1).mp4 点击下载

temperature云图

df9f9e1796eadafefbe43fc12b5904e.png


2月10日 (5).mp4 点击下载

2月10日 (3).mp4 点击下载

绘制KTX-1发动机图纸

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使用solidworks绘制KTX-1发动机3D模型

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喷口 堵头

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  a4094621fafbe32fafa4d8f384cb349.jpg

(剖面图)

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至此,我们已完成KTX-1型微型固体火箭发动机的设计,设计完成后使用数控车床加工相关零部件。


发动机美图:

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发动机试车测试

试验点火

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正式试车:

搭建安全稳定的试车环境

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我选择了学校附近的一块荒地,使用砖头固定,试车台背靠草墩,人员离开至25m开外。

发动机首次使用测试:

8724afac44b2f6a34a9ab7d5f4f1d3e1.mp4 点击下载


2月9日.mp4 点击下载

03d8743ea19812542575b33d303c098.png

喷口侵蚀:

9c914e0b0fcda93cddc2740964d227e.jpg

推力达到150N,7075铝合金壳体无任何问题,堵头一面发黑,喷口就遭殃了。同时仿真模拟的测试结果少了30N,经过我们团队的分析与验证,有以下几种原因导致发动机工作推力达不到仿真结果:

  1. 发动机燃料制作质量不够高,硝酸钾没有过筛,没有重结晶提纯,没有经过研磨。

  2. 燃料浇筑过程中中心孔内壁不均匀,燃料内部有气泡。

  3. 喷口抗侵蚀能力不足,304不锈钢衬喉的抗侵蚀表现差,喷口扩张较快导致喷口效率下降

  4. 燃料内孔较小,发动机建压较慢,损失部分燃料的能量。


发动机第二次使用测试:

我使用环氧树脂加水泥将喷口修补了之后,复用第二次。

试车视频:

2月9日(1).mp4 点击下载

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喷口侵蚀:

(上:使用第一次 下:使用第二次)

2fa473a93e35da25ebbcc40758bcd43.jpg

(注:上面的那个喷口使用第一次时我通过502胶水将衬喉与喷口之间的小缝隙堵上了,而下面那个喷口则没有,填补缝隙之后衬喉的抗侵蚀提升了一点。)

经过实践检验,发动机除喷口外的所有工件均可以复用多次,喷口最多复用3次(复用时需要对喷口进行修补),后期将会对喷口进行优化与修改。


发动机组装的视频B站有一模一样的,这里不做赘述

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/video/BV1DY4y1U7yr/?buvid=XUF4129FBCC22CB4242ABB097681D5FAD9F2F&from_spmid=XXXXXXXXXarch-result.0.0&is_story_h5=false&mid=X0RPht19brurRg%2Fdo5dohw%3D%3D&p=1&plat_id=116&share_from=ugc&share_medium=android&share_plat=android&share_session_id=a5d3a1bd-0aca-4c3a-8e1d-d0257f459876&share_source=WEIXIN&share_tag=s_i&spmid=XXXXXXXXXayer-video-detail.0.0&timestamp=1706855486&unique_k=stYu8lx&up_id=381684521&share_source=weixin 

后记:

超燃剪辑:

8e9ddb7c907e8ea8ee3a8bdf9b00be55_raw.mp4 点击下载


最后欢迎大家来B站观看我们工作室的超燃剪辑:

【“向天而行!”-惠州中学天行科技工作室-哔哩哔哩】 XXXXXXXXXXXXXX/MLFseef  

感谢支持

特别致谢:@氢离子 帮忙进行推力数据处理,FPD采集卡非常好用。

[修改于 4个月15天前 - 2024/02/10 19:40:09]

+1  科创币    魏学宁    2024/02/02 看着不错
+9.99  科创币    zsjzsj    2024/06/14 理论写的挺好,云图做的不错,实验报告也挺详尽的。
来自:航空航天 / 喷气推进动手实践:实验报导严肃内容:预印本
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~~空空如也
CIT天行科技 作者取消置顶
4个月23天前 修改于 4个月15天前 IP:广东
928970

第一次修改,2024.2.2 增加了发动机的图片

第二次修改,2024.2.5 增加了试车报告,修改了部分语序错误与重复内容,增加了论文摘要,增加后记内容

第三次修改,2024.2.10 增加了ansysfluent仿真云图视频,补充了第二次试车视频

CIT天行科技作者
5个月20天前 IP:广东
928148

未完结,后续会继续修改

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spaceXfirst
5个月20天前 IP:广东
928151

世杰的试车台


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Trinitrotoluene
5个月20天前 IP:河北
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堵头的无效质量有些大,可以掏空一部分

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CIT天行科技作者
5个月20天前 IP:广东
928166

其实差别不是特别大,毕竟用了酚醛了。不差这几g

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chenruixi
5个月13天前 IP:江苏
928292

点火延迟比较长

建议把烟火药做细做长,但首选是增加药量,塞在最里面(knsb可能受不住)

个人对kn基燃料不怎么感冒

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Snowflake001
5个月11天前 IP:河南
928313

lz能不能把装了不锈钢喷喉的喷口拍张照片,另外请问不锈钢喷喉是怎么连接在喷口上的?

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CIT天行科技作者
4个月23天前 修改于 4个月15天前 IP:广东
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第一次修改,2024.2.2 增加了发动机的图片

第二次修改,2024.2.5 增加了试车报告,修改了部分语序错误与重复内容,增加了论文摘要,增加后记内容

第三次修改,2024.2.10 增加了ansysfluent仿真云图视频,补充了第二次试车视频

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CIT天行科技作者
4个月23天前 IP:广东
928972
引用Snowflake001发表于6楼的内容
lz能不能把装了不锈钢喷喉的喷口拍张照片,另外请问不锈钢喷喉是怎么连接在喷口上的?

我已经对文章增加了发动机图片,现在可以看到图片了,修改于今天

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活着_未来可期
4个月22天前 IP:浙江
929025

是否可以加入氧化铅来催化,烟雾实在是太多了,发动机是不是有一点拖尾现象?

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CIT天行科技作者
4个月17天前 IP:广东
929205
引用活着_未来可期发表于9楼的内容
是否可以加入氧化铅来催化,烟雾实在是太多了,发动机是不是有一点拖尾现象?

不行

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活着_未来可期
4个月17天前 IP:浙江
929237
引用CIT天行科技发表于10楼的内容
不行

谢谢

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CIT天行科技作者
4个月16天前 IP:广东
929290
引用chenruixi发表于5楼的内容
点火延迟比较长建议把烟火药做细做长,但首选是增加药量,塞在最里面(knsb可能受不住)个人对kn基燃...

直接用的点火头

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chenruixi
4个月16天前 IP:湖南
929293

怎么都直接用点火头😓,似乎已经成为传统了,但这是错误示范。

昨天刚好回过一个:“实际点火时要根据点火压强和初始燃气通道计算烟火药量,不然会出问题(破坏燃面)。但先人似乎很少提到这点,其实这对推力曲线影响很明显(与仿真结果对比)。不良点火对于流动性好的燃料可能引起爆轰(常用的含糖燃料力学性能一般),不过要还是发动机效率下降。”

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CIT天行科技作者
4个月16天前 IP:广东
929297
引用chenruixi发表于13楼的内容
怎么都直接用点火头😓,似乎已经成为传统了,但这是错误示范。昨天刚好回过一个:“实际点火时要根据点火...

我认为问题倒没有什么问题,点火头的火花足够覆盖燃料内孔(对于我这种小开孔的,对于大开孔的当我没说),你说的影响发动机性能是正确的,但是其实就是一个建立压强的问题,可以通过喷口塞一块纸巾解决。市面上有这种成熟的点火头,为什么不能利用呢?一个点火头不完整那就并联两个嘛,如果有自己的点火药肯定是最好,但是自己的点火药的制作工艺精度,以及原料的获取是个问题,点火药和燃料不一样,点火药属于炸药类,制作的安全性以及工艺要求都比knsb燃料更高,尤其是材料获取,面对现在“社会”的治安越来越好,以我为例的一些kcer自然也不愿意冒着风险去尝试点火药,点火头技术成熟,使用的氯糖也足够点燃knsb,在我看来以后发动机如果换成apcp,699等燃料时再考虑点火药是比较适宜的。

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chenruixi
4个月16天前 IP:湖南
929300
引用CIT天行科技发表于14楼的内容
我认为问题倒没有什么问题,点火头的火花足够覆盖燃料内孔(对于我这种小开孔的,对于大开孔的当我没说),...

市面上的点火头细的可怜。很久以前拆过四凯的小机子,貌似是双基药,重点是三维药柱(相当于拿燃料做点火药,而且总冲小了一个数量级),刚好能把点火头包住。厂家为了降低成本干的事并不能成为乱点火的理由。既然治安越来越好,闲得慌的条叔还管你是燃料是炸药,检出硝酸盐就是爆炸物(想想试车事故)。BP是很成熟的点火药,随便找本书都会讲,别告诉我你买不到鞭炮。

至于“塞一块纸巾”“一个点火头不完整那就并联两个嘛”之类,我不想多说。“点火头的火花足够覆盖燃料内孔”偷换概念。算了,反正跟我没啥关系,怎么做由你。

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CIT天行科技作者
4个月16天前 IP:广东
929302
引用chenruixi发表于15楼的内容
市面上的点火头细的可怜。很久以前拆过四凯的小机子,貌似是双基药,重点是三维药柱(相当于拿燃料做点火药...

鞭炮?这种污染环境的东西可不是随随便便能买的,城区空气质量那么好,可不是容得了烟花的地方,想到东北的标语“敢放一挂鞭,拘留十五天”

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就是氧化铁喽
3个月4天前 IP:河北
930429
引用CIT天行科技发表于16楼的内容
鞭炮?这种污染环境的东西可不是随随便便能买的,城区空气质量那么好,可不是容得了烟花的地方,想到东北的...

我认为这方面你说的就不对了,点火药的意义就是将燃烧面全部点燃,减少点火延迟,快速让发动机达到工作压力,如果点火头触发之后一两秒才开始工作,会损失一部分的效率,降低总冲,从推力曲线就能看出来,在曲线的2/3处才达到了推力峰值,峰值应控制在1/3以内,当然这个曲线跟跟喷喉的烧蚀也存在很大关系。所说的污染就不符合常理了,那一点点火药能产生多大污染,这个发动机的污染就已经很大了,文章还说了内孔较小,导致发动机建压较慢,这个说法是错误的,这就是缺少点火药的表现,点燃的燃烧面积较小,导致无法快速达到工作压力。发动机工作完之后还有余药在燃烧,说明燃料产生了一定的侵蚀效应,虽然这个效应出现是发动机长径比较大的原因,但和点火也存在很大的关系。真正的正常点火就是点火及工作,不应该是点燃之后烧一会才工作。再次回归点火药话题,你可以选择多放几个电子火柴头,提高火焰蔓延区域。电子火柴头切开之后里面是白色的发火药,外面是燃烧药,原理是发火药将炸飞并点燃燃烧药。


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TonyStark
2个月19天前 IP:江苏
930942

感觉你搞得这一套和我当时搞得好像啊😂几乎一样的喷管设计,发动机规格,甚至试车台都和我那个惊人的相似。

emm挺好的。技术这不就传播开了嘛


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CIT天行科技作者
16天2时前 IP:广东
932792
引用TonyStark发表于18楼的内容
感觉你搞得这一套和我当时搞得好像啊😂几乎一样的喷管设计,发动机规格,甚至试车台都和我那个惊人的相似...

相似有利也有弊端,如果每个人都去走一遍别人走过的路是没有意义的,只会浪费资源,这也就是为什么我们要学习书本,但是同时也会收获技能,所以一定要去更高的舞台

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