去年我开始进行小型挤压式液体火箭发动机的研究,并在去年 8 月进行了试车。研发过程中我发现,圈内对乙醇这类常规燃料的高压储罐,常见做法是用大直径铝管再加工。这个方法对大部分爱好者来说,既没必要,性价比也不高。因此本文讨论一种基于成品灭火器罐的超低成本、可复用高压储罐制作思路。
安全声明:压力容器危险,必须远程操作、做好防护,模仿风险自负。
罐体使用成品灭火器罐。常见灭火器罐标注耐压约 5.5 MPa,并且有多种容量可选,价格普遍在 20~40 元。需要注意:铭牌上的“5.5 MPa”通常是水压试验压力,不等于允许工作压力。常见的干粉灭火器耐压范围通常在 1.2~4.2MPa之间;因此本文讨论的设计工作压力上限不超过4.5 MPa,但实际能不能用到 5 MPa,必须看原罐类型、壁厚、焊接质量和测试结果。对普通灭火器罐改装件,建议显著降额使用。
储罐容积和挤压流量按发动机需求选择,本文不展开。对多数小型挤压式爱好者试验,选择合适容量并配合减压阀、泄压阀即可。实际试车中,储罐从加压到完成点火、关机,通常不需要长时间保压;0.5~2 小时的保压余量已足够大部分爱好者使用。
挤压气源推荐氮气。氮气惰性、常温不易液化、压力稳定。我这次使用的是二氧化碳,效果并不好:CO₂ 在高压下易液化、溶解,减压后压力随温度波动,挤压流量不稳定,还可能影响推进剂,因此不推荐作为长期挤压气源。
成品灭火器罐:购物平台上有专门售卖的,直接下单即可。
顶部气口:可用成品灭火器转接头,若和挤压管路的接口不同,需要再加转接头转成合适接口。
上部压力表接口:一个孔焊接合适的转接头并安装压力表。
下部液口:一个孔焊接对丝接头来连接燃料输出管路,测试时可用帽堵暂时封住。
压力表:量程建议为工作压力的 1.5~2 倍,精度按需求选。
安全附件:建议加泄压阀或爆破片,并加单向阀防回流。
密封材料:液体生料带可用于压力表等后期不拆卸的金属螺纹;若压力表需要校准,最好保持可拆卸。所有密封件必须与介质兼容。
内防腐:灭火器罐内壁为铁制,容易生锈。所以进行水压测试时要先在内部喷漆或镀膜
开孔。 用手电钻配合阶梯钻或开孔器,在罐体上部开压力表孔,下部开液口。孔径比要安装的转接头略大一点即可。
焊接转接头。 顶部气口、压力表口、液口转接头与罐体焊接。薄壁罐焊接容易烧穿、变形、产生裂纹,建议氩弧焊、小电流、分段焊,并加补强座。焊后检查焊缝,必要时做检漏。
内防腐。 焊接完成后清洗、干燥,再按介质做内壁喷漆或镀膜。不建议先水压后防腐,并且试压后必须立即排水、干燥。防腐层不能影响密封,也不能被推进剂溶解。
安装附件。 安装压力表、顶部气源转接头,下部液口先用帽堵封住。转接头应提前和全系统准备使用的管路、压力表对好接口,尽量统一规格,减少转接。
附一张整体图
注满水,排净空气,远程加压至设计需求对应的试验压力。试验压力根据实际设计确定,通常取设计压力的 1.5 倍,且不得超过原罐水压试验压力。保压时间可按 0.5~2 小时选取,观察焊缝、接口、罐体有无泄漏或变形。若压力表无明显掉压,或掉压速度可接受并排除温度变化影响,即可认为合格。温度变化会明显影响压力表读数,判断时要考虑。水压试验比气压试验安全,强度测试禁止用气体代替水。
气密合格后彻底干燥。若介质怕水或怕氧,按需惰化。每次复用前都应复查腐蚀、密封和焊缝。
我在试车前先后进行了5次保压测试(三次0.5h,2.8MPA保压,两次1h,2.5MPA保压)
在三次0.5h,2.8MPA保压中,储罐在前10分钟掉压幅度较大,2.5MPA后掉压幅度较小,最终测试结束时定格在2.3MPA
在两次1h,2.5MPA保压中,储罐整体掉压幅度都较小,最终测试结束时定格在2.0MPA
由于所有测试均来自1年前,并且当时没有及时处理每段测试时录制的延时素材,所以现在只找得到最后一次在酒店里的0.5h,2.8MPA保压测试视频。大家可以参考一下
注:实际保压效果受多重因素影响,包括但不限于温度、焊接质量、生料带密封质量
mmexport1754229165737.mp4 点击下载
五千克灭火器钢瓶 34.60
四分堵帽 1.50
灭火器30MM-4分转接头 9.41
对丝接头 3.45
压力表转接头 7.7
油漆 8.10
压力表 25
焊接费用 60
共计:149.76
挤压气源优先氮气,经减压阀、泄压阀、单向阀进入储罐。
CO₂ 不推荐:易液化、溶解,压力随温度波动,挤压不稳定。
氧化剂必须单独做材料相容性验证,不能因为罐体能装燃料就认为能装氧化剂。
可复用的前提是:每次使用后清洗、干燥、检查,更换易损密封,定期复测。出现锈蚀、变形、焊缝异常应立即停用。
灭火器罐改装方案成本低、容量选择多,对小型挤压式液体火箭发动机爱好者有吸引力。但它最大的短板是安全余量、焊接质量和内防腐。设计工作压力上限虽然可讨论到 5 MPa,但普通灭火器罐改装后往往需要大幅降额。推荐使用氮气挤压,不推荐 CO₂。
附一些图片