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276644985 发布于2016-08-02 14:28
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黑火药模型火箭发动机技术

楼层直达
                                                                前言
BP火箭发动机技术,并不适合模仿。文章有待完善,这一篇看看就好。以后有时间精力,会再编写一套合理,完善的BP发动机技术文章。        
第一章   认识模型固体火箭发动机
      说到模型固体火箭发动机,我们首先要简单的了解一下真正的固体火箭发动机。固体火箭发动机属于化学火箭发动机,用固态物质(能源和工质)作为推进剂。固体推进剂点燃后在燃烧室中燃烧,产生高温高压的燃气,即把化学能转化为热能;燃气经喷管膨胀加速,热能转化为动能,以极高的速度从喷管排出从而产生推力推动导弹向前飞行。
       固体火箭发动机主要由壳体、固体推进剂、喷管组件、点火装置等四部分组成,其中固体推进剂配方及成型工艺、喷管设计及采用材料与制造工艺、壳体材料及制造工艺是最为关键的环节,直接影响固体发动机的性能。固体推进剂配方各种组分的混合物可以用压伸成型工艺预制成药柱再装填到壳体内,也可以直接在壳体内进行贴壁浇铸。壳体直接用作燃烧室。喷管用于超音速排出燃气,产生推力;喷管组件还要有推力矢量控制(TVC)系统来控制导弹的飞行姿势。点火装置在点火指令控制下解除安全保险并点燃发火药产生高温高压火焰用于点燃壳体内的推进剂。

图片:4bed2e738bd4b31c03b82fb787d6277f9e2ff832.jpg


      当然了,我们所做的模型发动机很难做到和真正的发动机一样,我们所做的只是一个简化版,但工作原理都是相同的。我们所需要做的部分有推进剂药柱、喷管、壳体以及燃气通道。在文章中我会介绍易做的两种推进剂----黑火药(下文中简称BP)和硝糖,介绍一种喷管以及一些我自己摸索出来的制作工艺。
       下面就是我所设计的简易模型固体火箭发动机,尺寸以及材质已在图纸中表明。在这里,我的设计并不追求发动机的性能有多么的好,我只是为新手提供一个范本和制作思路。(实物制作时与图纸设计略有不同)

图片:IMG_2212.JPG


                                                    第二章  喷管的制造及其运用
       喷管是模型火箭发动机上很重要的一个组成部分。在很大程度上喷管决定了发动机的工作性能。我尝试过很多种材料来制作喷管,比如金属,陶瓷,陶,石墨,水泥,黏土,复合树脂等材料,不同的材料做的喷管各有好处,也各有自己的适用范围。为了方便制作,在文章中还是介绍制作ABC所用的陶瓷喉衬纸制喷管。
第一节   喷管的制作

      这种喷管的材料很容易得到,有纸条和陶瓷管,陶瓷管在网上有卖的,几块钱可以买到很多。但是这种陶瓷管次品率很高,有很多外形不规则的,在使用时一定要挑选外形好的陶瓷管才行。在这里我使用的是3mm内径的普通白色陶瓷管。

图片:IMG_2244.JPG

图片:IMG_2245.JPG


使用固体胶将纸条的一端粘在陶瓷管上,然后慢慢卷大。在卷的时候力度一定要大,要卷紧不要有缝隙。

图片:IMG_2247.JPG


卷好的喷管的外径要大于发动机内径1mm。以便后面可以很牢固的挤进喷管,同时也保证了发动机良好的气密性。

图片:IMG_2248.JPG


接下来用502胶水渗透到纸里去,注意一定要先从陶瓷管旁边一圈从内到外渗透胶水。喷管两面都要渗透胶水。不要节约胶水,要充分渗透。

图片:IMG_2249.JPG


以下就是做好的喷管。

图片:IMG_2250.JPG


这种喷管优点很突出,就是便于制作,材料易得,适用于这种微型发动机,缺点也很明显,发动机工作时的喷出的高温气体会使陶瓷管升温,使陶瓷管旁边的纸碳化,从而失去对陶瓷管的束缚力,陶瓷管就会被喷出去。所以为了避免出现这种问题,发动机装药不要太多,10-15g以内是可以的。

第二节  喷管的装机以及固定
由于喷管的外径是大于水管的内径的,所以要用铁棒先将水管口扩张一些,刚好可以使喷管卡进去一点点

图片:IMG_2251.JPG


图片:IMG_2252.JPG


接下来用铁棒和锤子将喷管捶入水管,预留5mm。

图片:IMG_2254.JPG


第三节  喷管的固定
      由于发动机工作时在内部会形成很大的压力,喷管如果不固定好很容易就会飞出去,所以固定喷管是很重要的。固定喷管的方法有很多,比如用胶水粘,用螺钉固定。以下我所介绍的是PPR水管热缩口固定法,此方法的有点就是方便,而且牢固。
       我们需要一个锥形的磨具来制作,我所使用的是装羽毛球纸筒上的盖子。用玻璃漏斗或者金属漏斗最好,模具锥形的角度要大一些。不要用不耐热的塑料模具,因为PPR管加热后与这些模具接触,很容易会把两者熔在一起。

图片:IMG_2270.JPG


将预留出的那一端旋转着用酒精灯加热,PPR管会慢慢的膨胀,软化,加热到开始冒烟就可以了。注意,旋转的速度要快一些,使得管口得到均匀的加热。

图片:IMG_2255.JPG


趁热把加热的那一端朝模具上一压

图片:IMG_2258.JPG


图片:IMG_2256.JPG


然后趁热把这一端往一个平面上一压。这一步很关键,压的力度决定了缩口的大小,如果力量太大,PPR则会将整个喷管都包住。最合适的力度所做出的效果,是连陶瓷管都包住,只留下喷出气体的小孔。

图片:IMG_2259.JPG


趁热把多余的塑料用剪刀剪去

图片:IMG_2260.JPG


最终的效果图

图片:IMG_2261.JPG


                                                   第三章  BP的制造及其应用
第一节 BP选材和三料配比
       BP是很多商业模型固体火箭发动机常用的一种推进剂,BP优点有很多,比如材料易得,相对其他模型固体火箭发动机的推进剂而言要易于制作,对于这种微型发动机来说,装药也是一件容易的事情。
       制作BP我们需要三种原材料①硝酸钾②硫磺粉③木炭,关于选材要特别强调一下,①硝酸钾最好用实验用的专业试剂,②硫磺粉不要有肉眼可见杂质、纯度要高,③木炭的选择要求最高,在组成BP的三种成分中,木炭起主要燃烧的作用。改变木炭的含量,性质等就可以改变黑火药的各种性能。在这里我并不做太多关于木炭的分析,要做性能比较好的BP,用麻杆炭,柳木炭,杉木炭比较好,不要用烧烤用的机制木炭或者活性炭。笔者做过很多尝试,最后发现用画画的棉柳炭条做BP效果会很好,虽然价格较高,但是易得,品质稳定,做出的BP性能相当优秀。

图片:IMG_2216.JPG


下面是制作BP常用的三料标准比例(质量比):
硝酸钾(KNO3)___75%          
硫磺(S)___10.3%
木炭(C6H2O)___14.7%
按照此比例,一公斤BP燃烧后可产生56%的固体产物和44%的气体产物。由于我们是微量制作,所以三料的比例可以定为:
硝酸钾(KNO3)___75%
硫磺(S)___10%
木炭(C6H2O)___15%


第二节 BP的制造工艺
       制造BP通常有干法生产和湿法生产两种。粉状BP大都是用干法进行生产的。本章主要介绍用干法制造BP。配料混合包括两步,第一步是硫磺与木炭两种原料的二料混合,第二部是二料粉和硝酸钾的混合,称为三料混合。
       配料混合是在球磨机内进行的。当滚筒转动时,物料借滚筒内所装的球(铜球或木球)与球之间的撞击与物料之间的研磨作用,达到粉碎和混合的目的。下图为我所使用的打粉机和球磨机。(我使用的球磨机是首饰抛光机)

图片:IMG_2217.JPG


图片:IMG_2214.JPG


 1.粉碎木炭条,粉碎的越细越好,木炭的颗粒大小直接影响BP的燃烧性能。先用打粉机将炭条打成粉末,然后用球磨机进行精磨,制得的木炭非常的细腻。
      2.把木炭和硫磺两种原料放入球磨机内进行研磨。

   3.把三料放入球磨机内一起研磨,40克BP球磨机研磨时间建议为30分钟。将钢珠和BP分离开得到成品BP。粉状BP的外观为均一的灰黑色或黑色粉末,无光泽,无肉眼可见杂质。

图片:QQ截图20150728061532.png


图片:QQ截图20150727200235.png



第三节 BP的装填      
       说到装填BP,我们首先要了解一下BP的燃烧特性。当BP的密度比较小时,燃速较快,同时燃烧无规律性。这是因为密度小时,药粒(或装药)的内部具有较多的空隙,燃烧时火焰容易钻入空隙内燃烧,此时生成的气体不易排出,由于燃烧面积扩大,空隙内压力很快增大,以至药粒活装药破碎,燃烧面积进一步扩大,使燃烧速度加快,同时燃烧的规律性也遭到破坏。粉状BP和散装BP的密度较小,故燃速较快,燃烧可很快完成,形成较大的压力和较强的火焰。
       当BP的密度增大时,燃烧速度明显减慢。当密度达到1.9g/CM^3以上时,BP的燃烧速度几乎保持不变,在一个大气压下大约为7~10mm/S。即使在较大的压力下,也能有规律地逐层燃烧,这是BP的一大特点。其原因是当密度大时,装药内部的空隙很少,火焰不易传入内部,而燃烧面积也得不到扩大,燃烧也只能又表及里的逐层燃烧。
根据上述的BP燃烧特点,我们可以得到装填BP的思路,为了避免BP在发动机内燃速太快导致发动机爆炸,第一,可以用增大装药密度的方法,用液压机来装药,第二,如果没有液压机,可以在BP内添加粘合剂,填充因压药密度不足而导致的空隙。以下介绍的就是上述的第二种方法装填BP。
       关于粘合剂,我建议用花生油,玉米油 任意一种。为了使粘合剂与BP充分混合,我建议每一克BP加3~4滴油,然后用研钵手动进行研磨混合,这个过程用力要大,时间要长。(下图我以混油研磨12克BP为例,我所使用的滴管用注射器代替)

图片:IMG_2220.JPG


与油充分混合后的BP看起来有油腻感

图片:IMG_2222.JPG


与油充分混合后的BP自然堆积体积会比没有混油的BP体积小四分之一以上。下图是与油混合后的BP,自然堆积体积大约为28cm^3,没有混合之前的体积大约为40cm^3。

图片:IMG_2223.JPG


最后一步就是装药,用锤子和铁棒将发动机内的BP锤实,压药密度越大越好,如果压药密度小,很容易导致发动机工作时爆炸。

图片:IMG_2262.JPG


第四节    关于制造BP的问题和注意事项
问题1:在球磨机内用钢珠磨会导致BP燃烧或爆炸吗?
答:我做过大量实验,按照以上我所述的制造方法是不会的。
第一:BP的热感度还是比较低的。研磨时间越长,桶内温度越高,再考虑到散热,即使磨很长时间,BP也不会因为温度太高而自燃。
第二:我们来分析一下BP的静电感度,有实验证明,BP不发火的最高电压为48000伏,电流为70微安,放电时间为2秒,着火能力为6.72焦耳。在BP的制造过程中能够产生静电的工序有很多,特别是三料一起研磨的这道工序,实验证明,三料混合时,桶内所产生静电的大小随混合时间的增长而增大,有实验数据证明,球磨混合4小时,也才只测得滚筒内有2480伏的电压,况且我们只研磨半个小时就够了,光靠这一点静电是不足以使BP燃烧的。
第三:最为关键的是BP的火焰感度,用我所述的球磨工艺制得的BP火焰感度是很高的。在球磨机工作时,滚筒内会产生大量BP的粉尘,这些粉尘的火焰感度更高。由于钢珠在一定的力量下碰撞会产生火花,所以在球磨BP时最好要用铜珠。虽然理论上是这样,但是我认为,实际上在这种小号球磨机内使用钢珠是可以的,因为钢珠碰撞出火花需要的力量比较大,而这种小球磨机的球磨力度不足以使它们碰撞出火花。我做了很多次BP也没有因为用钢珠而出现事故。当然了,这也不是绝对的,为了安全,我还是会在球磨机工作时罩上一个大铁桶,这样安全得到了一定的保障,而且还降低了球磨机工作时所传出的噪音。
问题2:装药时BP会因捶的力量太大而捶爆吗?
答:我做过几十个这样的发动机也没有捶爆过一个。况且我们做的BP也达不到工业生产出的水平,冲击感度是很低的。
注意事项1:球磨机内最好装两种不同大小的钢珠,我用的是6MM钢柱和2MM钢柱,因为大的钢珠球磨精细程度有限,而小的钢珠球磨力度有限,所以两者混在一起用最好。
注意事项2:球磨机的球磨物料大小和球磨物料颗粒大小是有限的,有地方购买的硝酸钾可能已经吸潮了,粉末状的硝酸钾会结块,这种块状硝酸钾球磨机是无法研磨的,需要先手动研磨。
注意事项3:混油研磨BP时一定要混合充分,混油的BP会粘在研钵内壁上,所以需要用药勺挂下来再研磨。
注意事项4:有很多人看过ABC前辈的教程,ABC前辈在把油与BP混合这道工时只是做了简单的搅拌。ABC前辈用简易方法做的BP和我这样做的BP完全不是一个档次的,球磨工艺生产的BP性能要比ABC前辈的做的要好的多,所以一定要尽心尽力去完成油与BP混合的这道工序。
                                       第四章  发动机的密封以及燃气通道
第一节  发动机的密封
在发动机装好燃料后,需要做堵头。用锤子和铁棒,压上一层约3mm后的铝箔纸,要压实。

图片:IMG_2263.JPG


然后再压入一层厚厚的餐巾纸,预留出的PPR管要有7mm。

图片:IMG_2264.JPG


重复第二章的热缩口工艺,在第二章已经说明过了,加热过的一端向平面上压的力度决定了缩口的大小。因为是全热缩口,所以压的力度要大,使受热软化的PPR管充分包住最后的堵头。

图片:IMG_2265.JPG


第二节 燃气通道      
      到以上步骤为止,可以说发动机已经基本做好了。为了使发动机工作的推力更大,效率更高,所以要在药柱内部做一个燃气通道,这样做是为了增大药柱的燃烧面积,使燃速更快,在短时间内爆发出的能量更多,所以我只介绍一种燃气通道,如第一章设计图所示。制作方法很简单,将一个合适的螺丝刀插入陶瓷管,然后用锤子锤到底就做好了。

图片:IMG_2266.JPG


[276644985于2016-10-15 16:21编辑了帖子]
评分2条评分,MT币+55
  • 红盟大使50MT币2016-08-02 16:07

    哈哈,见到了ABC前辈的热缩口技术!一般来说,没有能力的爱好者可以使用塑料瓶+钢珠的方法来充当球磨,如果怕爆炸,可以使用镀铜或者铜珠!

    红盟大使
  • 铭记i+5MT币2016-08-02 14:38

    仔细阅读中

    铭记i
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276644985 发布于2016-08-02 14:28
沙发F
关于这篇文章,我自己的评价
1.这篇文章,最初的名字为“模型固体火箭发动机技术【为初学者编写】”,现在改为“BP火箭发动机技术”是因为这套技术并不适合于初学者,相反,我认为黑火药用作于火箭发动机,并不是一件容易的事情。所以并不推荐按照这套方法做。
2.本文章本来有五个大章节,原来第四个章节讲的是“KNSU的制作”,在这里我删掉这一个章节,因为写的并不好,而且我现在写过更好的关于硝糖的文章。这里附上链接【http://bbs.makertime.org/read-280】,关于硝糖,还是推荐去做KNSB。
3.这篇文章有些年头了,我认为很多地方写的不够理论化,不严谨,毕竟写这个的时候我还是刚刚接触模型火箭。但其中的一些制作技巧,我相信还是值得后人去参考模仿的。文章存在一定的价值。

4.人总是在不断学习。以我现在的水平而言,我认为这套技术非常落后。以后有时间,有精力会把BP发动机研究好,再来发一个完善的帖子。
[276644985于2016-08-04 00:45编辑了帖子]
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3.14 发布于2016-08-02 14:57
板凳F
嗯,谢谢楼主的分享,但是楼主您能讲一下像这样的发动机如何点火吗?(电子点火头不好放进去,放进去后又怕喷不出来)
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276644985 发布于2016-08-02 15:00
地板F
3.14:嗯,谢谢楼主的分享,但是楼主您能讲一下像这样的发动机如何点火吗?(电子点火头不好放进去,放进去后又怕喷不出来)回到原帖
这个发动机喷管直径3mm,成品电子点火头放不进去,我用的是导火索。
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3.14 发布于2016-08-02 15:03
4楼F
276644985:这个发动机喷管直径3mm,成品电子点火头放不进去,我用的是导火索。回到原帖
哦,谢谢。
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红盟大使 发布于2016-08-02 16:07
5楼F
哈哈,见到了ABC前辈的热缩口技术!一般来说,没有能力的爱好者可以使用塑料瓶+钢珠的方法来充当球磨,如果怕爆炸,可以使用镀铜或者铜珠!
水可载舟亦可赛艇!
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谁叫小明 发布于2016-08-02 17:40
6楼F
kc搬贴
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276644985 发布于2016-08-02 17:41
7楼F
谁叫小明:kc搬贴回到原帖
这是我的帖子
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谁叫小明 发布于2016-08-02 17:48
8楼F
276644985:这是我的帖子回到原帖
知道哇要不哪来这么大胆子
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KFWJ 发布于2016-08-03 23:47
9楼F
谁叫小明:知道哇要不哪来这么大胆子回到原帖
你只要知道 中国业余届 有个2766的同学就行,他无论在什么地方  都是66的
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276644985 发布于2016-08-04 00:40
10楼F
KFWJ:你只要知道 中国业余届 有个2766的同学就行,他无论在什么地方  都是66的回到原帖
你这太抬举我了。我就是个业余不能再业余的业余班子,有时间就做几个烟花听听响。
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七皇东 发布于2020-07-22 12:53
11楼F
冒昧的问一下大佬们,用升华硫可以不?萌新弱弱的举下小手..2020.
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yeon6658 发布于2020-09-21 10:47
12楼F
都是人才啊
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Fruankmo117 发布于2020-09-21 13:16
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the reputedly frustrated groom-to-be published his tale on reddit’s
voipphone
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兰若,公主魂 发布于2020-10-02 11:37
14楼F
  进来看看,不错不错,贼六。
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兰若,公主魂 发布于2020-10-17 13:12
15楼F
  看看。
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小皮蛋 发布于2020-11-04 15:26
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moonlight9 发布于2020-11-10 10:48
17楼F
哇塞!要是能看到成品发射的视频就好了!
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