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莫斯科的黄斯基 发布于2018-11-29 06:38
9/186

硝酸——混胺50发动机测试

楼层直达
首先,铃仙镇楼

图片:Reisen.Udongein.Inaba.full.1994120.jpg

Ангельские ритмы!
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莫斯科的黄斯基 发布于2018-11-29 06:39
沙发F
首先,这个项目是从2015年开始的,刚开始想着是国内爱好者没有人涉足用硝酸来作为火箭发动机的推进剂;当时主要是以下两个原因:
1.硝酸对设备的腐蚀性很大
2.跟硝酸搭配的燃料,特别是自燃性质的燃料毒性比较大
然而我觉得,这个坑得填。毕竟国内雪狼,ehco前辈制作了以过氧化氢的发动机,猎鹰、神の左手设计制造了液氧的发动机,然而硝酸发动机是个空白,爱好者除了搞能才的很少有人碰这个。
我觉得硝酸(硝酸,氮氧化合物)的优势有一下几点:
1.比冲,海平面和真空比冲,有些时候不比煤油差,就以RD-275M这款发动机为例子,照样能把海平面比冲提到300s以上;
2.点火方便,大多数燃料跟硝酸接触就可以自燃;
3.容易保存,硝酸用大的细口玻璃瓶保存即可,对设备不挑剔;毕竟学过化学都知道,浓硝酸对钢,铁,铝合金,在常温下会将他们钝化;其次氟橡胶也能避免硝酸的腐蚀和氧化,在发烟硝酸中仍然可以保持良好的弹性
4.好买,本地由厂家生产
所以在2015年的10月左右,与猎鹰和他朋友在一起,和航天局主席罗澍(加工了喷注器),进行了一次燃料测试,测试结果非常成功,硝酸没有必要使用无水肼这类的燃料,使用常见的胺都可以达到效果
此外,在测试中得到结论:
1.硝酸——胺可以作为推进剂使用,也有学者文献支持
2.304,316不锈钢;6061铝合金;氟橡胶完全可以在硝酸机上面使用;其中304不锈钢作为喷注器是可以采用的
3.黄铜件和硅橡胶不能用在硝酸的设备上,会被腐蚀

图片:QQ截图20181129013937.png


值得一提的是,如果这个地方没有被拆的话,那个墙上的烧蚀痕迹到现在都清晰可见
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莫斯科的黄斯基 发布于2018-11-29 06:46
板凳F
此次发动机立项在2017年8月立项,在9月时设计出初稿,后验算发现设计有缺陷;然后在同年10月份设计出第二个版本的发动机,优化了喷管设计:采用全石墨喷管和弧线过渡的使用。并在同年12月完成全部设计及其建模。在2018年1月完成了喷管的CFD仿真,用来再次优化喷管的设计

图片:psb.png



此次试验的发动机剖面图:结构极其简单,是第一代发动机的改进型,极大部分继承了第一代的设计:如平板喷注器,酚醛隔热层

此次喷注器面板添加了螺纹,用来增加密封性,以及加工精度问题

图片:psb (3).jpg


这是第一代

图片:psb (2).jpg


ANSYS有限元分析 室压在5Mpa 温度在3185K的情况下的模拟结果 初步看出有点欠膨胀
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莫斯科的黄斯基 发布于2018-11-29 06:48
地板F
发动机数据
1.特征数据论坛内有
详细数据见:小型液体发动机的型面设计
2.燃料数据:
氧化剂:发烟硝酸,密度在1.4g/cm3
原计划打算用硝酸—27,但是四氧化二氮的问题给否决掉了,毕竟能用白烟硝酸为何还要折腾麻烦的东西呢?
燃料:冬卡-250 也叫 混胺-50  三乙胺和二甲基苯胺的混合物 密度在0.843g/cm3左右
呈无色,在空气中冒白烟,有氨味儿(三乙胺的味道)和煤焦油味道(二甲基苯胺的味道)。有些时候呈黄色(二甲基苯胺分解就是黄色)
在燃料测试中跟硝酸反应极其剧烈
氧燃比4.5
原因见:四氧化二氮的制备和性质
3.此次首次采用了汽蚀文氏管作为推进剂流量的控制设备,汽蚀文氏管结构简单,而且在此次实验中表现出色。在火箭发动机中有广泛应用,适合爱好者的使用;不比在去设计和制造节流阀等设备
教程:汽蚀文氏管设计教程
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莫斯科的黄斯基 发布于2018-11-29 06:54
4楼F
控制方面采用气瓶挤压:
挤压压强:7.5Mpa
喷注压强:6Mpa
燃烧室压强:5Mpa
原来的减压器压强范围不够,后来找SM大哥帮忙买了个减压器用

图片:psb (1).jpg


控制方面使用高压电磁阀,阀体是316不锈钢制作,耐压在0-15Mpa之间;使用24V直流电驱动,此次实验中表现优异,没有出现泄漏等现象;管道采用卡扣接头,在保证强度的同时保证设备的可重复使用性;前面两个不锈钢圆柱就是汽蚀文氏管,用来控制流量,在实验中表现出精确的流量控制;发动机和加压管道使用油压管连接,保证灵活度。

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莫斯科的黄斯基 发布于2018-11-29 07:01
5楼F
实验阶段:
分为两次实验,第一次为点火实验,于2018年8月26日在四川省都江堰市胥家镇进行

图片:psb (4).jpg


加注燃料中(乡下的蚊子是真的多,还好有防化服保护)


图片:QQ截图20181129015754.png



陈科帝的星火团队制造的推力台和数据处理端;再次感谢陈科帝同学和其公司的大力支持

图片:QQ截图20181129020007.png



我们最不缺的就是红砖hhh以至于为了节约经费,储罐的固定是铁架台和冷凝管夹以及红砖来固定的
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莫斯科的黄斯基 发布于2018-11-29 07:10
6楼F
时隔三年,2018年8月26日20:16分,以硝酸为氧化剂的液体火箭发动机再次在都江堰这片富饶的土地上响起她的吼声

图片:psb (6).jpg



图片:psb (7).jpg


由于附近很窄,导致声音异常的大,受到了周围的投诉,所以说第二天的实验我们得换地方


工作时间刚好5s(因为我按照计算结果,加了只工作5S的推进剂,用来检验汽蚀文氏管对流量的精准控制度,效果极其满意)
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莫斯科的黄斯基 发布于2018-11-29 07:15
7楼F
第二次实验在2018年8月27日,19时40分左右,在四川省都江堰市进行了第二次试车实验,这次成功采集到了数据。

图片:psb.jpg



kk作为此次实验助理帮了不少忙,图为调整储罐位置中

图片:psb (9).jpg


第二次试车的图片

图片:QQ截图20181129021311.png



F-t图像,可看出还是工作了5S,横坐标是时间,单位是S;纵坐标是推力,单位是kg;

其中初步计算出硝酸—混胺50在室压5Mpa,扩张比6.5的海平面比冲在250S左右(教材上只给了真空比冲,发动机扩张比在70,室压在10Mpa的时候,319s左右)
此次实验过后,国内业余火箭爱好者在硝酸液体火箭方面的坑总算被填了
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8楼F
第一次试车完毕的时候,隔热层工作完美,外层无温度

图片:QQ截图20181129021445.png


第二次试车后的隔热层,无损坏迹象,还能继续使用

图片:QQ截图20181129021413.png


喷注器,无损坏迹象,黄色为二甲基苯胺蒸汽分解造成

图片:QQ截图20181129021501.png


喷管,扩张端是手滑磕坏了,喉部的话有烧坏的迹象,整个发动机只需要换个喷管就还能继续使用

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9楼F

结论:
1.硝酸—混胺50是可以作为主推进剂使用的
2.汽蚀文氏管在流量控制方面有着优异的性能
3.整块石墨作为喷管主体是可以的,只要有恰当的固定方式
4.初步测算出该推进剂组元的海平面比冲,为以后的设计提供便利
谢谢各位阅览
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