膨胀偏转喷管测试
陈钊毅刘嘉颢许栩然
1.璞龙科技工业
Plug2024/08/03原创 喷气推进 IP:山东
中文摘要
  首次膨胀偏转喷管测试。结合各教材和ls等爱好者科普,简单解释膨胀偏转喷管原理,使用特征线法对喷管进行型面设计。使用ANSYS软件进行流体仿真简要分析该喷管工作状况后,对该喷管进行了实际测试,并结合理论和实际验证膨胀偏转喷管原理
Abstract
First expansion deflection nozzle test. Based on various textbooks and popular science among LS enthusiasts, briefly explain the principle of the expansion deflection nozzle and use the characteristic line method to design the nozzle profile. After conducting fluid simulation using ANSYS software to briefly analyze the working condition of the nozzle, actual testing was carried out on the nozzle, and the principle of expansion deflection nozzle was verified by combining theory and practice
关键词
膨胀偏转火箭发动机火箭燃料流体仿真

  初次见面,请多指教!本人璞龙科技工业成员,有勿还请多指教批评。

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(开门见个山……)

  膨胀偏转喷管(E-G),是一种含有气动边界的自适应喷管,其优点与塞式近似。

  其工作过程为:燃气从燃烧室出发,在喷口处开始径向方向逐渐偏离轴线,沿外型面上偏转。随着大气压的降低,喷管扩张段内部逐渐被燃气填充,产生高温区,从而达到了补偿效果。

  优点在于这种喷管可以自适应外界气压,有单级入轨的潜力;他的喷管长度较拉瓦尔喷管相对更小。缺点在于会产生斜激波损失,中心体重量较大,在大型发动机设计中难于冷却设计,结构轻量化设计,等等。

rn_image_picker_lib_temp_6bdb8aa8-5dcc-473a-8947-9b11faffced3.jpg

此图截自杨立军、富庆飞等教授编著的《液体火箭发动机推力室设计》一书,仅供结构设计参考。

  参考LS佬的文章 868786 ,内容详细,给出了曲面型面设计方法。

  设计理论推力270N,中间体直径5mm,推进剂为rap669#,使用特征线法近似设计曲线型面。使用犀牛进行了3D建模。

  注意喷管燃气通道和中间体型面处设计。两处可能因高压高温燃气冲刷导致严重侵蚀,注意特别处理。

  后面对建模后对喷管使用fluent进行

极其粗糙の流体力学仿真,简单观察喷管工作状况。

Screenshot_2024-08-03-01-30-25-861_com.ss.android.ugc.aweme-edit.jpg

  这里仅仅使用了ideal-gas,还请见谅……

  发动机喷管和堵头使用了304不锈钢,发动机壳体6061铝合金,PC管隔热。考虑发动机设计尺寸小、压力小,认为卡簧式固定方法满足发动机固定需求。着重说明下我们的发动机喷管位置设计示意

Image_1722621281423.jpg Image_1722621286438.jpg

将二者上下叠放,燃气从燃烧室通过下喷管部分的燃气孔,到达二者连接而成的真·燃烧室(理论上来说该喷管为环形燃烧室),再到达曲线型面进行膨胀偏转。这种结构虽然解决了固发固定中间体的问题、加工简单,但是燃气通过燃气孔时其流体学参数已经改变,到达真·燃烧室时实际情况与理论设计用的所谓燃烧室不符,并且此固定方式要求加工精度较高,认为需要改进。

  下面进行发动机测试准备。

我们使用669#燃料,具体参考御坂18650佬的 876536 帖子。使用原配氧化铅催。因为聚四氟乙烯具有自润滑效果,因此我们选用聚四氟乙烯棒做小尺寸燃料柱的燃料孔模具。 IMG_20240803_022850.jpg

IMG_20240802_133845.jpg

因经济有限,且如此小尺寸(28*100mm)燃料柱对较小气泡影响并不过于敏感,因此违背规定没有进行真空除泡工艺,以压铸取而代之。(下次注意……

 离谱装配↓


VID_20240803_023633.mp4 点击下载

装配完毕

mmexport1722585154750.jpg

下一步: 发动机试车!

特别鸣谢北域喷气推进协会,琅琊喷气推进提供的试车场地。

IMG_20240802_174630.jpg

点火!


VID_20240802_212909.mp4 点击下载

点火瞬间建压,下面盯帧浅析。



Screenshot_2024-08-03-02-51-13-171_com.lemon.lv-edit.jpg

点火药工作,瞬间建压。 Screenshot_2024-08-03-02-52-25-193_com.lemon.lv-edit.jpg

上室压。从出口位置燃气状态看出和拉瓦尔有本质区别。

Screenshot_2024-08-03-02-53-10-238_com.lemon.lv-edit.jpg

消息:补燃了。

坏消息:中间体烧蚀严重,开始喷溅钢屑

Screenshot_2024-08-03-02-53-49-254_com.lemon.lv-edit.jpg

余药燃烧,收工~


VID_20240802_195111.mp4 点击下载

烧的通红……

由于点火药使用了含有氧化铜的粉末rap,导致颜色偏紫。


  测试结果:发动机实际测试推力296N,接近理论值;发动机工作状态除中间体烧蚀外,其它良好;明确了实际工作状态,与仿真结果相近。

  反思:注意设计时要考虑严重烧蚀,应考虑更换更好的材料或设计优化;喷管固定方式差,需要更换;注意设计喷燃比、燃通比,谨防喘燃和侵蚀燃烧;密封措施必须做好,不要嫌装配费力就投机取巧;试车前一定带齐工具,提前预估可能的事故并准备好相应处理方式,试车必须规范。


最后,放张试车完毕拆解图片做结尾

IMG_20240802_233716.jpg

希望各位提出建议,谢谢!

后期可能会再设计一款膨胀偏转喷管进行更详细的测试。

[修改于 2个月3天前 - 2024/08/03 14:47:46]

来自:航空航天 / 喷气推进动手实践:实验报导
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~~空空如也
信仰は儚き人間の為に
2个月3天前 修改于 2个月3天前 IP:广东
934987

仿真应该有张推力对大气压曲线

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Plug作者
2个月3天前 IP:山东
934993
引用信仰は儚き人間の為に发表于1楼的内容
仿真应该有张推力对大气压曲线

请教一下🙏

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某科学的超级屑
2个月3天前 IP:贵州
934994

端面阻燃没?设计压强,喷燃比,中孔直径,推力曲线好像都没有,想看(居然有296N的推力)


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粥粥
2个月3天前 IP:湖北
934995

自适应喷管居然还有这种类型,好玩

lz能把数据再完善一下吗


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Plug作者
2个月3天前 IP:山东
934998
引用某科学的超级屑发表于3楼的内容
端面阻燃没?设计压强,喷燃比,中孔直径,推力曲线好像都没有,想看(居然有296N的推力)

端面未阻燃,已经考虑了端面推移问题。压强4MPa,喷燃比为153~279,

中孔12mm。推力曲线被扔到一大坨电子废物里面了,还在找,稍后发

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Space航天
2个月3天前 IP:河南
935001

厉害,北域喷气推进协会 ,我记上了

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就是氧化铁喽
2个月3天前 IP:山东
935008


lv_0_20240803104737.mp4 点击下载 ‎补一个慢放视频


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Plug作者
2个月2天前 IP:山东
935016

补充一下,膨胀偏转在不同大气压下工作情况  这里就用速度展示了

retouch_2024080317305678.jpg retouch_2024080317314492.jpg retouch_2024080317322192.jpg

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小叮当0312
2个月2天前 IP:河南
935026

支持支持,要是数据能再多点就好了,比如推力曲线和比冲总冲


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小恒ovo
1个月29天前 IP:山东
935203

在现场帮忙,试车很震撼



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Plug作者
1个月28天前 IP:河北
935252
引用小恒ovo发表于10楼的内容
在现场帮忙,试车很震撼

感谢小恒同学的帮助UwU  你气尖引擎不错,什么时候出一帖?

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沐雨
1个月25天前 IP:山东
935443

同为北域喷气推进协会成员前来祝贺!很荣幸能为作者提供燃料帮助!大赞!

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