PL239545B1 - Configuration of fuel grain of a hybrid rocket motor - Google Patents
Configuration of fuel grain of a hybrid rocket motor Download PDFInfo
- Publication number
- PL239545B1 PL239545B1 PL430159A PL43015919A PL239545B1 PL 239545 B1 PL239545 B1 PL 239545B1 PL 430159 A PL430159 A PL 430159A PL 43015919 A PL43015919 A PL 43015919A PL 239545 B1 PL239545 B1 PL 239545B1
- Authority
- PL
- Poland
- Prior art keywords
- grain
- additives
- configuration
- content
- fuel
- Prior art date
Links
Landscapes
- Solid Fuels And Fuel-Associated Substances (AREA)
- Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)
Description
Przedmiotem wynalazku jest konfiguracja ziarna paliwa hybrydowego silnika rakietowego.The present invention relates to a hybrid rocket engine fuel grain configuration.
Obecnie wykorzystywane silniki rakietowe na hybrydowy materiał zawierają materiał pędny oparty na ciekłym lub gazowym utleniaczu oraz paliwie (np. polimerowym, parafinie lub lepiszczu energetycznym) z dodatkiem proszków metali (glinu, magnezu lub boru). Dodatki metali są stosowane w przypadku wymogu wysokich osiągów oraz konieczności zwiększenia średniej gęstości ziarna paliwa. Metale stanowią wtedy znaczną część paliwa i umożliwiają uzyskanie wyższych temperatur spalania, a co za tym idzie wyższych prędkości wylotowych produktów spalania. Jednak w przypadku silników hybrydowych widoczna jest dużo gorsza sprawność spalania w porównaniu do silników na stały materiał pędny. W szczególności dotyczy to paliw metalizowanych.Currently used hybrid material rocket engines contain a propellant based on a liquid or gaseous oxidant and fuel (e.g. polymer, paraffin or energy binder) with the addition of metal powders (aluminum, magnesium or boron). Metal additives are used when high performance is required and it is necessary to increase the average density of the fuel grain. Metals then constitute a significant part of the fuel and make it possible to obtain higher combustion temperatures, and thus higher exhaust velocities of combustion products. However, in the case of hybrid engines, a much worse combustion efficiency is visible compared to engines using solid propellant. This applies in particular to metallized fuels.
Często stosuje się zabieg polegający na wydłużeniu komory spalania tak, by między ziarnem paliwa a dyszą znajdowała się pusta przestrzeń pozwalająca na tzw. dopalanie paliwa.Often, a procedure is used to extend the combustion chamber so that there is an empty space between the fuel grain and the nozzle, allowing for the so-called fuel afterburning.
Powoduje to wzrost masy własnej silnika i jego wymiarów. Choć stosowane są wydłużone komory, efektywność silników hybrydowych (definiowana jako stosunek uzyskiwanych osiągów do maksymalnych osiągów z obliczeń termochemicznych) jest nadal niższa niż silników na stały materiał pędny. Mimo wyższych teoretycznych osiągów, silniki hybrydowe nie uzyskują osiągów na poziomie nowoczesnych stałych materiałów pędnych stąd, niezależnie od ich zalet, wciąż mają ograniczone zastosowanie. Szczególne wyzwanie stanowią małe silniki rakietowe, gdzie czas przebywania cząstki metalu w komorze spalania jest bardzo krótki i nie wystarcza do realizacji procesu zupełnego spalenia. Tym samym stosowane jest domieszkowanie pyłów metali na niskim poziomie, co obniża maksymalne możliwe osiągi.This increases the weight of the engine and its dimensions. Although elongated chambers are used, the efficiency of hybrid engines (defined as the ratio of the achieved performance to the maximum performance from thermochemical calculations) is still lower than that of solid propellant engines. Despite the higher theoretical performance, hybrid engines do not achieve the performance level of modern solid propellants and therefore, regardless of their advantages, they are still of limited use. A particular challenge is posed by small rocket engines, where the residence time of metal particles in the combustion chamber is very short and is not sufficient to complete the combustion process. Thus, metal dust is doped at a low level, which reduces the maximum possible performance.
Obecnie stosowany proces produkcji ziaren polega na starannym wymieszaniu zawiesiny lepiszcza z danymi proszkami metali lub innymi dodatkami i odlaniu ich przy obniżonym ciśnieniu otrzymując ładunek o niemal jednorodnych właściwościach (mimo heterogenicznego charakteru materiału pędnego). Potencjalnym rozwiązaniem problemu jest zatem, zastosowanie ziarna paliwa silnika hybrydowego, w którym zawartość proszków metali byłaby możliwie wysoka, a ich rozmieszczenie wewnątrz ziarna pozwoliłoby na poprawę sprawności spalania.The presently used grain production process consists in carefully mixing the binder suspension with the given metal powders or other additives and casting them under reduced pressure, obtaining a charge with almost homogeneous properties (despite the heterogeneous nature of the propellant). A potential solution to the problem is therefore the use of hybrid engine fuel grain, in which the content of metal powders would be as high as possible, and their distribution inside the grain would improve combustion efficiency.
Znane są ziarna paliwa o konstrukcji zapewniającej zmienną prędkość spalania w kierunku promieniowym lub osiowym.Fuel grains designed to provide variable combustion speed in the radial or axial direction are known.
Opis patentowy GB1095472 ujawnia ładunek o zmiennej prędkości spalania, złożony z dwóch ładunków składowych, wewnętrznego w kształcie stożka i zewnętrznego, o różnej prędkości spalania. Alternatywne rozwiązanie polega na wypełnieniu komory spalania proszkami tworzącymi ładunek przez ich usypywanie w różnych proporcjach w warstwach poziomych.GB1095472 discloses a charge with a variable combustion rate composed of two component charges, an inner cone-shaped and an outer one, with different combustion rates. An alternative solution is to fill the combustion chamber with charge-forming powders by sprinkling them in various proportions in the horizontal layers.
Opis patentowy GB1266266 ujawnia ładunek rakietowy złożony z kolejnych segmentów o różnej prędkości spalania (różnej zawartości dodatku w ziarnie). Podobna konfiguracja segmentów jest opisana w patencie RU2211355. W zgłoszeniu patentowym opublikowanym za numerem WO0138170 opisano segmenty ładunku o zmiennym udziale dodatków wytworzone poprzez zmianę gęstości, składu lub rozmiaru cząstek. W korzystnym przykładzie wykonania profil ciągu zmienia się przez zmianę szybkości spalania samej matrycy materiału pędnego. Zmieniając gęstość, skład chemiczny lub rozmiar cząstek, można zmienić szybkość spalania, a zatem i całkowitą siłę ciągu, który silnik zapewnia w danym momencie.The patent specification GB1266266 discloses a rocket charge composed of successive segments with different burning speed (different content of the additive in the grain). A similar configuration of segments is described in patent RU2211355. The patent application published after the number WO0138170 describes charge segments with a variable proportion of additives produced by changing the density, composition or particle size. In a preferred embodiment, the thrust profile changes by varying the burning rate of the propellant matrix itself. By changing the density, chemical composition, or particle size, you can change the combustion rate and therefore the total thrust that the engine is providing at any given time.
Opis patentowy JPS60216054 ujawnia cylindryczny ładunek rakietowy złożony z cząstek o różnych rozmiarach, malejących w kierunku promieniowym. W opisie patentowym US5386777 opisano ziarno rolowane o malejącym gradientowo udziale proszku. W przykładach wykonania, w których proszek metalu jest nakładany lub wprowadzany do alkoholu poliwinylowego przed nawinięciem arkuszy lub wstęgi wokół pręta rdzeniowego, proporcja proszku metalicznego może być zmieniana w celu uzyskania gradientu radialnego w gotowym ziarnie materiału pędnego. W opisie patentowym GB1172221 opisano możliwość zmiany ciągu poprzez odpowiedni dobór udziału cząstek metalu w kierunku wzdłużnym ładunku rakietowego. Wydatek masowy może być również modulowany przez zmianę stosunku reagujących egzotermicznych składników metalowych w określonych z góry odstępach wzdłuż egzotermicznego drutu bez zmiany wymiarów. Ponieważ zmienność względnych proporcji metalu zmienia intensywność reakcji, a zatem i temperaturę wytwarzaną przez reakcję wzdłuż drutu, może to być wykorzystane do zmiany szybkości spalania wzdłuż drutu.Patent description JPS60216054 discloses a cylindrical missile charge composed of particles of different sizes decreasing in the radial direction. The patent US5386777 describes a rolled grain with a gradient decreasing powder fraction. In embodiments where the metal powder is applied to or incorporated into polyvinyl alcohol prior to winding the sheets or web around the core rod, the proportion of the metallic powder may be varied to provide a radial gradient in the finished propellant grain. The patent specification GB1172221 describes the possibility of changing the thrust by appropriate selection of the proportion of metal particles in the longitudinal direction of the rocket charge. The mass expenditure may also be modulated by changing the ratio of the reacting exothermic metal components at predetermined intervals along the exothermic wire without changing the dimensions. Since varying the relative proportions of the metal changes the intensity of the reaction, and thus the temperature produced by the reaction along the wire, this can be used to change the burning rate along the wire.
Proces ten jest także przedstawiony w zgłoszeniu patentowym opublikowanym za numerem WO0138711.This process is also disclosed in the patent application published under the number WO0138711.
PL 239 545 B1PL 239 545 B1
Typową konfigurację rakietowego silnika hybrydowego znaną ze stanu techniki przedstawiono w sposób uproszczony na fig. 1.A typical prior art hybrid rocket engine configuration is illustrated in a simplified manner in Figure 1.
Konfiguracja ziarna paliwa hybrydowego silnika rakietowego według wynalazku charakteryzuje się tym, że zawiera ono dodatki pozytywnie wpływające na osiągi silnika, których zawartość w ziarnie paliwa jest zmienna w zależności od wielkości i geometrii silnika i jest realizowana w celu poprawy tzw. impulsu właściwego i gęstościowego impulsu właściwego, jak i w zależności od wymaganej zmiennej charakterystyki ciągu w czasie, np. wysoki ciąg przez pierwsze kilka sekund pracy, a potem znacznie niższy do końca czasu działania silnika - uzyskany poprzez niższe wartości regresji ziarna paliwa na określonych głębokościach lub stały ciąg w czasie. Typowy w silnikach hybrydowych spadek ciągu z racji malejącej w czasie prędkości spalania ziarna może być kompensowany poprzez zwiększenie przez dodatki prędkości regresji głębszych warstw paliwa. Chcąc uzyskać spalanie zupełne dodatków, które mają powiększyć osiągi silnika, rozkład dodatków dobierany jest tak, by spalanie odbywało się z wysoką sprawnością, nawet przy braku lub skróconej komorze dopalania.The configuration of the fuel grain of the hybrid rocket engine according to the invention is characterized in that it contains additives positively affecting the engine performance, the content of which in the fuel grain varies depending on the size and geometry of the engine and is implemented in order to improve the so-called specific impulse and density specific impulse, as well as depending on the required variable thrust characteristics in time, e.g. high thrust for the first few seconds of operation, and then much lower until the end of the engine operation time - obtained by lower values of fuel grain regression at specific depths or constant string in time. The drop in thrust, typical in hybrid engines, due to the grain combustion speed decreasing with time, can be compensated for by increasing the regression speed of the deeper layers of the fuel by the additives. In order to achieve complete combustion of additives that are to increase engine performance, the distribution of additives is selected so that combustion takes place with high efficiency, even in the absence or shortened afterburning chamber.
Ziarno paliwa według wynalazku ma postać pierścienia przyległego do wewnętrznej warstwy izolacji termicznej, która pokrywa wewnętrzną ścianę komory spalania, przy czym zawartość dodatków zmienia się wzdłuż osi podłużnej komory spalania i/lub promieniowo w funkcji odległości od wewnętrznej powierzchni pierścienia ziarna paliwa do warstwy izolacji termicznej komory spalania.The fuel grain according to the invention is in the form of a ring adjacent to the inner layer of thermal insulation that covers the inner wall of the combustion chamber, the content of additives varying along the longitudinal axis of the combustion chamber and / or radially as a function of the distance from the inner surface of the fuel grain ring to the thermal insulation layer of the chamber. combustion.
Korzystnie konfiguracja ziarna paliwowego zmienia się w taki sposób, że zawartość dodatków wzrasta w kierunku od dyszy do zbiornika z utleniaczem.Preferably, the fuel grain configuration is changed such that the additive content increases from the nozzle to the oxidant tank.
Jednocześnie korzystnie konfiguracja ziarna paliwowego zmienia się w taki sposób, że zawartość dodatków wzrasta promieniowo w kierunku od wewnętrznej powierzchni pierścienia ziarna paliwa do warstwy izolacji termicznej komory spalania lub inaczej w zależności od wymagań dotyczących charakterystyki ciągu w czasie.At the same time, it is preferred that the configuration of the fuel grain changes such that the additive content increases radially from the inner surface of the fuel grain ring to the thermal insulation layer of the combustion chamber or otherwise depending on the thrust characteristics over time.
Jednocześnie, jeśli są to dodatki zmieniające lokalnie prędkość spalania lub własności mechaniczne paliwa, to możliwe jest inne „ukierunkowanie” zawartości, które korzystnie wpłynie na osiągi konstrukcji wykorzystującej opisany napęd, w zależności od realizowanej misji, inaczej mówiąc, alternatywna konfiguracja jeśli niezbędna jest nietypowa charakterystyka ciągu w czasie.At the same time, if these are additives that locally change the combustion speed or the mechanical properties of the fuel, then it is possible to "direct" the contents in a different way, which will positively affect the performance of the structure using the described drive, depending on the mission, in other words, an alternative configuration if unusual characteristics are necessary within time.
Zawartość dodatków w ziarnie zmienia się w granicach od 0 do 50%, korzystnie od 10 do 40%.The content of additives in the grain varies from 0 to 50%, preferably from 10 to 40%.
Korzystnie konfiguracja ziarna paliwa charakteryzuje się tym, że zmienność zawartości dodatków ma charakter ciągły.Preferably, the fuel grain configuration is characterized in that the variation in the additive content is continuous.
Korzystnie konfiguracja ziarna paliwa charakteryzuje się tym, że zmienność zawartości dodatków ma charakter skokowy.Preferably, the fuel grain configuration is characterized in that the variation in the additive content is stepwise.
Konfiguracja ziarna paliwa według wynalazku zawiera dodatki wybrane z grupy obejmującej związki wysokoenergetyczne, proszki metali, wodorki metali, utleniacze, substancje zmieniające lokalnie własności mechaniczne, balistyczne lub cieplne ziarna.The fuel grain configuration according to the invention contains additives selected from the group consisting of high energy compounds, metal powders, metal hydrides, oxidants, substances that change the mechanical, ballistic or thermal properties of the grain locally.
Korzystnie domieszkowanie ziarna paliwa hybrydowego silnika rakietowego odbywa się poprzez nierównomierne domieszkowanie między innymi związków wysokoenergetycznych takich jak GAP (azydek glicydu), BAMO (3,3-Bis(3-azidometylo)-oksetan, HMX (oktogen), RDX (heksogen), PETN (pentryt), CL-20 (2,4,6,8,10,12-heksanitro-2,4,6,8,10,12-heksaazaizowurtzitan), fOx-7 (1,1-diamino-2,2-dinitroeten). FOX-7 - 1,1-diamino-2,2-dinitroeten, proszków metali jak proszki aluminium, magnezu, litu, berylu, cyrkonu lub boru, wodorków metali jak wodorki boru, litu, aluminium, magnezu, berylu, sodu, tytanu oraz substancji zmieniających lokalnie własności mechaniczne, balistyczne lub cieplne ziarna (np. w celu polepszenia przewodności cieplnej w wybranym fragmencie ziarna, by uzyskać wyższą lub niższą prędkość regresji paliwa) jak np. sadza. Wśród dodatków korzystnie znajdują się utleniacze jak sól amonowa dinitroaminy, nadchloran amonu, nadchloran potasu, azotan hydroksyloamonu, azotan amonu, azotan potasu, azotan sodu, związki litu jak glinowodorek i borowodorek litu, krzemowodory, związki boru jak borek magnezu, dekaboran, NBH3.Preferably, the doping of the grain of the hybrid rocket engine fuel is carried out by non-uniform doping of, inter alia, high-energy compounds such as GAP (glycide azide), BAMO (3,3-Bis (3-azidomethyl) -oxetane, HMX (octogen), RDX (hexogen), PETN (pentrite), CL-20 (2,4,6,8,10,12-hexanitro-2,4,6,8,10,12-hexaaza-azovurtzitan), fOx-7 (1,1-diamino-2,2 - dinitroethene). FOX-7 - 1,1-diamino-2,2-dinitroethene, metal powders such as aluminum, magnesium, lithium, beryllium, zirconium or boron powders, metal hydrides such as boron, lithium, aluminum, magnesium, beryllium hydrides, sodium, titanium and substances that change the mechanical, ballistic or thermal properties of the grain locally (e.g. to improve the thermal conductivity in a selected part of the grain, to obtain a higher or lower rate of fuel regression), e.g. carbon black. dinitramines, ammonium perchlorate, potassium perchlorate, hydroxylammonium nitrate, ammonium nitrate, potassium nitrate, nitrogen sodium an, lithium compounds such as lithium aluminum hydride and borohydride, silicanes, boron compounds such as magnesium boride, decaborane, NBH3.
Rozwiązanie według wynalazku zaprezentowano w przykładach wykonania i na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia typowy hybrydowy silnik rakietowy znany ze stanu techniki, który składa się z dyszy 1, wypełnionej ziarnem paliwa 3 komory spalania 5 z wewnętrzną izolacją termiczną 4, ewentualnie z komorą dopalania 2 oraz zbiornika 6 z utleniaczem.The solution according to the invention is presented in the examples and in the drawing, in which Fig. 1 shows a typical hybrid rocket engine known from the prior art, which consists of a nozzle 1, filled with fuel grain 3, combustion chamber 5 with internal thermal insulation 4, possibly with an afterburning chamber 2 and the tank 6 with the oxidant.
Figury 2-8 przedstawiają hybrydowy silnik rakietowy według wynalazku, przy czym fig. 2 - przedstawia konfigurację ziarna paliwa rakietowego silnika hybrydowego o zawartości dodatków zmieniającej się w sposób ciągły wzdłuż osi podłużnej komory spalania, fig. 3 - konfigurację ziarna paliwa rakietowego silnika hybrydowego o zawartości dodatków zmieniającej się w sposób skokowy wzdłuż osi poFigures 2-8 show a hybrid rocket engine according to the invention, wherein Figure 2 - shows a continuously varying additive content hybrid rocket fuel grain configuration along the longitudinal axis of the combustion chamber, Figure 3 shows a hybrid rocket fuel grain configuration with an additive content. additives changing in a stepwise manner along the axis po
PL 239 545 B1 dłużnej komory spalania, fig. 4 - konfigurację ziarna paliwa rakietowego silnika hybrydowego o zawartości dodatków zmieniającej się promieniowo w sposób ciągły w funkcji odległości od wewnętrznej powierzchni pierścienia ziarna paliwa, fig. 5 - konfigurację ziarna paliwa rakietowego silnika hybrydowego o zawartości dodatków zmieniającej się promieniowo w sposób skokowy w funkcji odległości od wewnętrznej powierzchni pierścienia ziarna paliwa, fig. 6 - konfigurację ziarna paliwa rakietowego silnika hybrydowego o zawartości dodatków zmieniającej się promieniowo w sposób ciągły w funkcji odległości od osi podłużnej ziarna paliwa w zakresie od 10 do 40%, fig. 7 - konfigurację ziarna paliwa rakietowego silnika hybrydowego o zmiennej zawartości dodatków w lewym fragmencie ziarna w zakresie od 0 do 50% poprzez zmiany zarówno w kierunku osi podłużnej, jak i wzdłuż promienia, podczas gdy w prawej części zawartość dodatków jest stała na poziomie 50%; fig. 8 - konfigurację ziarna paliwa rakietowego silnika hybrydowego o zmiennej koncentracji w całej objętości ziarna od 0 do 50% - zarówno poprzez zmianę w kierunku osi komory spalania, jak i w poprzek (promieniowo).Fig. 4 - configuration of the rocket fuel grain of the hybrid engine with an additive content that changes radially continuously as a function of the distance from the inner surface of the fuel grain ring, Fig. 5 - configuration of the rocket fuel grain of the hybrid engine with the additive content changing radially in a stepwise manner as a function of the distance from the inner surface of the fuel grain ring, Fig. 6 - configuration of the rocket fuel grain of a hybrid engine with the additive content radially changing continuously as a function of the distance from the longitudinal axis of the fuel grain in the range from 10 to 40% Fig. 7 shows the configuration of the grain of the rocket fuel of the hybrid engine with a variable content of additives in the left part of the grain in the range from 0 to 50% by changes both in the direction of the longitudinal axis and along the radius, while in the right part the content of additives is constant at the level 50%; Fig. 8 shows the configuration of the rocket fuel grain of the hybrid engine with a variable concentration in the total grain volume from 0 to 50% - both by changing the direction of the combustion chamber axis and transversely (radially).
P r z y k ł a d 1. Opisuje konfigurację ziarna paliwa 3 hybrydowego silnika rakietowego, w którym zawartość dodatków zmienia się wzdłuż osi podłużnej komory spalania 5 w sposób ciągły od komory dopalania 2 do zbiornika 6 z utleniaczem, w zakresie od 0 do 50%. Wytworzenie ziarna realizowane jest metodą wytłaczania wykorzystując prasę hydrauliczną. Jako dodatki do lepiszcza stanowiącego osnowę ziarna zastosowane są proszek aluminium i sadza.Example 1. Describes the fuel grain configuration 3 of a hybrid rocket engine in which the content of additives varies along the longitudinal axis of the combustion chamber 5 continuously from the afterburner 2 to the oxidant tank 6, ranging from 0 to 50%. The grain is produced by the extrusion method with the use of a hydraulic press. Aluminum powder and carbon black are used as additives to the grain matrix binder.
P r z y k ł a d 2. Opisuje konfigurację ziarna paliwa 3 hybrydowego silnika rakietowego, w którym zawartość dodatków zmienia się wzdłuż osi podłużnej komory spalania skokowo od komory dopalania 2 do zbiornika 6 z utleniaczem i w poszczególnych segmentach wynosi odpowiednio 0, 10, 20, 30, 40 i 50. Wytworzenie ziarna realizowane jest proces kilkuetapowego odlewania zawiesiny lepiszcza z dodatkami technologicznymi z proszkami metali lub innymi dodatkami poprawiającymi osiągi napędu. Jako dodatki stosowany jest wodorek aluminium.Example 2 describes the configuration of fuel grain 3 of a hybrid rocket engine, in which the content of additives changes along the longitudinal axis of the combustion chamber stepwise from the afterburner chamber 2 to the tank 6 with the oxidant, and in the individual segments is 0, 10, 20, 30, 40, respectively. and 50. Grain production is a process of multi-stage casting of binder suspension with technological additives with metal powders or other additives improving the performance of the drive. Aluminum hydride is used as additives.
P r z y k ł a d 3. Opisuje konfigurację ziarna paliwa 3 hybrydowego silnika rakietowego, w którym zawartość dodatków zmienia się promieniowo w funkcji odległości od wewnętrznej powierzchni pierścienia 7 ziarna paliwa do warstwy izolacji termicznej 4 komory spalania 5 w sposób ciągły, w zakresie od 0 przy wewnętrznej powierzchni pierścienia 7 ziarna paliwa do 50% przy ściance komory spalania. Wytworzenie ziarna realizowane jest za pomocą śrubowego mechanizmu mieszania składników materiału pędnego i formowania ziarna (ang. Twin-Screw Extrusion method). Dozowanie dodatku jest oparte na układzie sterowanym za pomocą silników elektrycznych. Jako dodatki stosowane są proszki magnezu oraz aluminium.Example 3 describes the configuration of fuel grain 3 of a hybrid rocket engine, in which the content of additives changes radially as a function of the distance from the inner surface of the fuel grain ring 7 to the thermal insulation layer 4 of the combustion chamber 5 continuously, ranging from 0 at the inner the area of the ring 7 of the fuel grain up to 50% at the wall of the combustion chamber. The grain is produced by means of the Twin-Screw Extrusion method. The dosing of the additive is based on a system controlled by electric motors. Magnesium and aluminum powders are used as additives.
P r z y k ł a d 4. Opisuje konfigurację ziarna paliwa 3 hybrydowego silnika rakietowego, w którym zawartość dodatków zmienia się promieniowo w funkcji odległości od wewnętrznej powierzchni pierścienia 7 ziarna paliwa do warstwy izolacji termicznej 4 komory spalania 5 skokowo i w poszczególnych segmentach wynosi odpowiednio 0, 10, 20, 30, 40 i 50%. Wytworzenie ziarna realizowane jest za pomocą śrubowego mechanizmu mieszania składników materiału pędnego i formowania ziarna (ang. Twin-Screw Extrusion method). Dozowanie dodatku jest oparte na układzie sterowanym za pomocą silników elektrycznych. Jako dodatki stosowane są bor z sadzą.Example 4 describes the configuration of fuel grain 3 of a hybrid rocket engine, in which the content of additives changes radially as a function of the distance from the inner surface of the fuel grain ring 7 to the thermal insulation layer 4 of the combustion chamber 5 in steps and amounts to 0, 10, respectively, in individual segments, 20, 30, 40 and 50%. The grain is produced by means of the Twin-Screw Extrusion method. The dosing of the additive is based on a system controlled by electric motors. Boron and carbon black are used as additives.
P r z y k ł a d 5. Opisuje konfigurację ziarna paliwa 3 hybrydowego silnika rakietowego, w którym zawartość dodatków zmienia się w funkcji odległości od wewnętrznej powierzchni pierścienia 7 ziarna paliwa do warstwy izolacji termicznej 4 komory spalania 5 w sposób ciągły, w zakresie od 10% przy osi podłużnej ziarna paliwa do 40% przy ściance komory spalania. Wytworzenie ziarna realizowane jest za pomocą śrubowego mechanizmu mieszania składników materiału pędnego i formowania ziarna (ang. Twin-Screw Extrusion method). Dozowanie dodatku jest oparte na układzie sterowanym za pomocą silników elektrycznych. Jako dodatki stosowane są wodorki boru.Example 5. Describes the configuration of fuel grain 3 of a hybrid rocket engine, in which the content of additives changes as a function of the distance from the inner surface of the fuel grain ring 7 to the thermal insulation layer 4 of the combustion chamber 5 continuously, in the range of 10% at the axis longitudinal grain of fuel up to 40% at the wall of the combustion chamber. The grain is produced by means of the Twin-Screw Extrusion method. The dosing of the additive is based on a system controlled by electric motors. Boron hydrides are used as additives.
P r z y k ł a d 6. Opisuje konfigurację ziarna paliwa 3 hybrydowego silnika rakietowego, w którym zawartość dodatków w lewym fragmencie ziarna zmienia się w zakresie od 0 do 50% poprzez zmiany zarówno w kierunku osi podłużnej, jak i wzdłuż promienia, natomiast w prawej części, ponad górną kreskowaną linią, zawartość dodatków jest stała na poziomie 50%. Wytworzenie ziarna realizowane jest metodą kilkuetapowego wytłaczania wykorzystując prasę hydrauliczną. Jako dodatki do lepiszcza stanowiącego osnowę ziarna zastosowane są azydek glicydu i 2,4,6,8,10,12-heksanitro-2,4,6,8,10,12-heksaazaizowurtzitan.Example 6 describes the configuration of the fuel grain 3 of a hybrid rocket engine, in which the content of additives in the left part of the grain changes in the range from 0 to 50% by changes both in the direction of the longitudinal axis and along the radius, while in the right part, above the upper dashed line, the content of additives is constant at 50%. The grain is produced by the method of multi-stage extrusion using a hydraulic press. Glycide azide and 2,4,6,8,10,12-hexanitro-2,4,6,8,10,12-hexaaza-azovurtzitan are used as additives to the binder constituting the grain matrix.
P r z y k ł a d 7. Opisuje konfigurację ziarna paliwa 3 hybrydowego silnika rakietowego, w którym zawartość dodatków zmienia się w całej objętości ziarna od 0 do 50% - zarówno poprzez zmianę w kierunku osi komory spalania, jak i w poprzek (promieniowo). Wytworzenie ziarna realizowane jest za pomocą śrubowego mechanizmu mieszania składników materiału pędnego i formowania ziarna (ang.Example 7. Describes the configuration of the fuel grain 3 of a hybrid rocket engine, in which the content of additives varies in the whole grain volume from 0 to 50% - both by changing the direction of the combustion chamber axis and transversely (radially). The production of the grain is carried out by means of a screw mechanism for mixing propellant components and grain forming (ang.
PL 239 545 B1PL 239 545 B1
Twin-Screw Extrusion method). Dozowanie dodatku jest oparte na układzie sterowanym za pomocą silników elektrycznych. Jako dodatki stosowane są azotan amonu i magnez.Twin-Screw Extrusion method). The dosing of the additive is based on a system controlled by electric motors. Ammonium nitrate and magnesium are used as additives.
Przedstawione w powyższych przykładach rozwiązania obejmują również przypadki (nie pokazane na rysunku), w których komora spalania nie posiada komory dopalania i ziarno wypełnia komorę spalania od jej początku.The solutions presented in the above examples also include cases (not shown in the figure) where the combustion chamber does not have an afterburning chamber and grain fills the combustion chamber from its beginning.
Relatywnie łatwe wytworzenie ziarna zaprezentowanego typu może zostać zrealizowane przy zastosowaniu metody wytłaczania materiału pędnego w sposób ciągły za pomocą podwójnej śruby (ang. Twin-Screw Extrusion method). Dozowanie dodatku, np. aluminium, odbywałoby się np. grawitacyjnie, z wykorzystaniem prostego układu sterowanego za pomocą silników elektrycznych. Możliwe jest także wykorzystanie ziaren ze skokowo zmiennymi zawartościami dodatków.The relatively easy production of a grain of the type presented can be achieved using the Twin-Screw Extrusion method. The dosing of the additive, e.g. aluminum, would take place e.g. by gravity, using a simple system controlled by electric motors. It is also possible to use grains with abruptly variable additive contents.
Wytworzenie ziarna może być zrealizowane także poprzez proces odlewania zawiesiny lepiszcza z proszkami metali lub innymi dodatkami.The production of grain can also be carried out by casting the binder suspension with metal powders or other additives.
Rozwiązanie według wynalazku, poza zastosowaniem w silnikach rakiet nośnych oraz satelitów, ma bardzo wysoki potencjał aplikacyjny w silnikach rakiet wojskowych oraz innych rakiet suborbitalnych. Pozwala na poprawę osiągów przy zachowaniu elastyczności w sprawie projektowania i optymalizacji przebiegu ciągu w czasie.The solution according to the invention, apart from being used in launcher and satellite engines, has a very high application potential in the engines of military rockets and other suborbital rockets. It allows you to improve performance while maintaining flexibility in design and optimizing the course of the thrust over time.
Wymienione wyżej dwa sposoby mogą być realizowane równolegle lub niezależnie od siebie.The above-mentioned two methods can be realized in parallel or independently of each other.
Zaproponowane rozwiązanie według wynalazku dotyczące konfiguracji ziarna cechuje się następującymi zaletami:The proposed solution according to the invention regarding the grain configuration is characterized by the following advantages:
- Możliwość zwiększenia średniej zawartości proszków metali nawet w małych silnikach rakietowych i poprawa impulsu właściwego.- Possibility to increase the average content of metal powders even in small rocket engines and improve the specific impulse.
- Możliwość skrócenia komory spalania przy zachowaniu zadanej sprawności spalania paliwa.- Possibility to shorten the combustion chamber while maintaining the desired fuel combustion efficiency.
- Zwiększenie zawartości proszków metali, co powoduje obniżenie optymalnego stosunku utleniacz-paliwo w silniku, a tym samym pozwala zmniejszyć masę suchą systemu.- Increasing the content of metal powders, which lowers the optimal oxidant-fuel ratio in the engine, thus reducing the dry weight of the system.
- Możliwość uzyskania niemal zupełnego spalenia proszków metali zawartych w ziarnie paliwa i zwiększenie uwalnianego ciepła w komorze spalania poprzez wzrost średniego czasu przebywania cząstek w silniku, z których większe cząstki są uwalniane z powierzchni ziarna w rejonie mniejszych prędkości przepływu w silniku, a mniejsze w rejonie wyższych prędkości przepływu.- Possibility of almost complete combustion of metal powders contained in the fuel grain and increasing the heat released in the combustion chamber by increasing the average residence time of particles in the engine, from which larger particles are released from the grain surface in the area of lower flow velocities in the engine, and smaller ones in the area of higher flow velocity.
- Zmniejszenie strat osiągów wynikających z faktu, iż cząstki stałe nie mogą się rozprężyć w dyszy.- Reduction of performance losses due to the fact that the solid particles cannot expand in the nozzle.
- Zmniejszenie strat osiągów wynikających z faktu, iż część energii cieplnej jest tracona ze względu na temperaturę cząstek stałych opuszczających silnik (bezwładność cieplna).- Reduction of performance losses due to the fact that some thermal energy is lost due to the temperature of the solid particles leaving the engine (thermal inertia).
- Zmniejszenie strat osiągów wynikających z kolizji cząstek stałych w przepływie.- Reduction of performance losses due to particulate collisions in the flow.
- Zmniejszenie erozyjności dyszy.- Reduction of nozzle erosivity.
- Zwiększenie średniej gęstości materiału pędnego i tym samym poprawa gęstościowego impulsu właściwego silnika.- Increasing the average density of the propellant and thus improving the density specific impulse of the engine.
- Wyższa gęstość paliwa od strony przeciwnej do dyszy, co powoduje przesunięcie środka masy rakiety bliżej głowicy, upraszcza budowę statecznej rakiety, i jest pożądane, np. w przypadku rakiet niekierowanych.- The higher density of the fuel on the side opposite to the nozzle, which causes the center of mass of the rocket to move closer to the warhead, simplifies the construction of a stable rocket, and is desirable, for example in the case of unguided rockets.
- Relatywnie niska zawartość domieszek proszków metali w ziarnie od strony dyszy, co powoduje zwiększenie jego wytrzymałości w tym rejonie, co jest korzystne ze względu na występowanie największego obciążenia ziarna w tej części.- Relatively low content of metal powders admixtures in the grain from the nozzle side, which increases its strength in this region, which is advantageous due to the occurrence of the highest grain load in this part.
- Dzięki niejednorodnemu rozłożeniu składników paliwa w ziarnie istnieje dodatkowa możliwość sterowania (na etapie projektowania) charakterystyką ciągu.- Due to the heterogeneous distribution of fuel components in the grain, there is an additional possibility to control (at the design stage) the thrust characteristics.
- Zawartość składników paliwa może być tak dopasowana, by wydatek masowy z jednostki powierzchni ziarna był tej samej wielkości w niemal każdej sekcji ładunku, tym samym możliwe byłoby zaprojektowanie ziarna, w którym kanał poszerzałby się równomiernie wzdłuż osi podłużnej silnika.- The content of fuel components can be adjusted so that the mass output per unit of grain surface is the same size in almost every section of the load, thus it would be possible to design a grain in which the channel would widen evenly along the longitudinal axis of the engine.
- Możliwość zachowania stałego stosunku wydatku masowego paliwa do utleniacza (tzw. O/F) poprzez konfigurację dodatków w paliwie w ten sposób, by prędkość regresji paliwa spadała w funkcji odległości danej warstwy paliwa od osi podłużnej silnika (w typowym silniku hybrydowym wraz z powiększaniem kanału w ziarnie podczas spalania następuje wzrost wydatku paliwa, a tym samym spadek O/F poniżej początkowej wartości zamiast operowania silnika na stałym, zoptymalizowanym poziomie).- Possibility of maintaining a constant ratio of the mass expenditure of fuel to the oxidant (the so-called O / F) by configuring the additives in the fuel in such a way that the fuel regression speed decreases as a function of the distance of a given fuel layer from the longitudinal axis of the engine (in a typical hybrid engine with the expansion of the fuel channel) in the grain, the fuel flow increases during combustion and thus the O / F drops below the initial value instead of operating the engine at a constant, optimized level).
PL 239 545 B1PL 239 545 B1
- Możliwość uzyskania węższego zakresu O/F (a zatem bardziej równomiernego O/F w objętości) wzdłuż kanału ziarna. Zaproponowane rozwiązanie pozwala stosować dodatki tak, by paliwo o wyższej regresji było bliżej wtryskiwacza, gdzie ilość utleniacza jest największa, a paliwo o niższej regresji bliżej dyszy silnika, tam gdzie dostępna jest mniejsza ilość utleniacza.- Possibility to obtain a narrower O / F range (and therefore more uniform O / F in volume) along the grain channel. The proposed solution allows the use of additives so that the fuel with higher regression is closer to the injector, where the amount of oxidant is greatest, and the fuel with lower regression closer to the engine nozzle, where there is less oxidant available.
- Możliwość minimalizacji ilości i wielkości gorących cząstek stałych na wylocie dyszy, przez co występuje niższy stopień dopalania za dyszą, mniejsza widzialność wypływu z dyszy, szczególnie korzystna dla rakiet wojskowych.- Possibility of minimizing the amount and size of hot solids at the nozzle outlet, which results in a lower degree of afterburning downstream of the nozzle, lower visibility of the nozzle outflow, especially beneficial for military missiles.
- Możliwość zmienności dodatków do ziarna wzdłuż jego promienia tak, by w pierwszym etapie pracy silnika uzyskać wyższy ciąg lub uzyskać możliwie niewykrywalny strumień wylotowy produktów spalania, co byłoby wskazane dla wielu typów silników przeznaczonych do zastosowań wojskowych.- Possibility of variation of grain additives along its radius, so as to obtain a higher thrust in the first stage of engine operation or obtain the most undetectable exhaust stream of combustion products, which would be advisable for many types of engines intended for military applications.
- Mniejsze cząstki metalizowanych dodatków do paliwa w przepływie w rejonie dyszy zmniejszają ilość ciekłych metali i tlenków metali redukując aglomerację ciekłych i stałych substancji w dyszy, co jest pożądane w przypadku rakiet wystrzeliwanych spod śmigłowców, samolotów oraz z przenośnych zestawów rakietowych ze względu na bezpieczeństwo ich operatorów.- Smaller particles of metallized fuel additives in the flow in the area of the nozzle reduce the amount of liquid metals and metal oxides, reducing agglomeration of liquid and solid substances in the nozzle, which is desirable in the case of rockets launched from helicopters, airplanes and portable missile sets for the safety of their operators .
- Redukcja aglomeracji ciekłych i stałych substancji w dyszy pożądana ze względu na możliwość redukcji ilości dużych cząstek na wylocie z dyszy, które stanowią zagrożenie dla satelitów, stanowiąc tzw. śmieci kosmiczne.- Reduction of agglomeration of liquid and solid substances in the nozzle, desirable due to the possibility of reducing the amount of large particles at the nozzle outlet, which pose a threat to satellites, constituting the so-called space junk.
Zastrzeżenia patentowePatent claims
Claims (12)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL430159A PL239545B1 (en) | 2019-06-06 | 2019-06-06 | Configuration of fuel grain of a hybrid rocket motor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL430159A PL239545B1 (en) | 2019-06-06 | 2019-06-06 | Configuration of fuel grain of a hybrid rocket motor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| PL430159A1 PL430159A1 (en) | 2020-12-14 |
| PL239545B1 true PL239545B1 (en) | 2021-12-13 |
Family
ID=73727747
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PL430159A PL239545B1 (en) | 2019-06-06 | 2019-06-06 | Configuration of fuel grain of a hybrid rocket motor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| PL (1) | PL239545B1 (en) |
-
2019
- 2019-06-06 PL PL430159A patent/PL239545B1/en unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| PL430159A1 (en) | 2020-12-14 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8443731B1 (en) | Reactive material enhanced projectiles, devices for generating reactive material enhanced projectiles and related methods | |
| US11787752B2 (en) | High density hybrid rocket motor | |
| Talawar et al. | Emerging trends in advanced high energy materials | |
| US6846372B1 (en) | Reactively induced fragmentating explosives | |
| KR102451244B1 (en) | propellant filling or grain | |
| US6647888B1 (en) | Oxidizer package for propellant system for rockets | |
| US5567912A (en) | Insensitive energetic compositions, and related articles and systems and processes | |
| US2974596A (en) | Propellant grain igniter | |
| CN103254026A (en) | Compact aluminum-containing explosive and preparation method thereof | |
| US10415938B2 (en) | Propellant | |
| AU666466B2 (en) | The initiation of propellants | |
| DeLuca | Innovative solid formulations for rocket propulsion | |
| US3507719A (en) | Extrudable solid propellant composition containing metallic fuel particles and oxidizer particles dispersed in a waxy binder | |
| US4379007A (en) | Catalysts for nitramine propellants | |
| US3158993A (en) | Solid fuels and formulations | |
| PL239545B1 (en) | Configuration of fuel grain of a hybrid rocket motor | |
| Sil’vestrov et al. | Investigation of low detonation velocity emulsion explosives | |
| Doriath | Energetic insensitive propellants for solid and ducted rockets | |
| US3429265A (en) | Solid propellant system for rockets | |
| US3742859A (en) | Explosive charge | |
| Osmont et al. | Overview of energetic materials | |
| Kumar et al. | Nanotechnology-Driven Explosives and Propellants | |
| US3158992A (en) | Propulsion process using phosphorus and metallic fuel | |
| CHEVULA | Design and Testing of Rocket Motors with Composite Propellants | |
| US3331203A (en) | Hydrazine propulsive method using lithium and ammonium perchlorate with metal |