提问

#楼主# 2017-4-30

跳转到指定楼层
在TK-1探空火箭研制的过程中,发动机一直作为项目组的重中之重。燃料方案最早被确定为KPER(俗称RNX),即硝酸钾-环氧树脂燃料。此燃料呈红色,质地极为坚硬,安全性几乎是所有固体火箭燃料中最高的,材料也非常易于获得。缺点便是残差多,能量小,比冲较低。早在2012年,ASR项目组发动机部就对各种可行的燃料进行了长达1年的筛选、测试。我们分别测试了黑火药的压制燃料、KN-碳水化合物系列燃料(KNDX、KNSU、KNSB等硝糖系燃料)、KPER燃料和APER燃料。在2013年5月底,完成了APER发动机测试后,发动机部向总设计师提交了完整的燃料可行性报告,在报告中分析了各种燃料的利弊,并给出总结:

SRM-81-APCP发动机发展自ASR第三代发动机SRM-81-KPER,SRM = Solid Rocket Motor (固体火箭发动机),81代表发动机燃烧室外径,通过堵头和喷口上的转接环,可以适配标准103.6mm内直径的PVC箭体。APER即硝酸钾(KP)-环氧树脂(ER)

SRM-81-APCP发动机,是ASR项目组于2013年研制的第四代探空火箭主发动机,也是第一款使用高氯酸铵(AP)基高能固体推进剂和推力最大的一款。此发动机于2013年8月29日首次点火试车时是当时中国业余火箭界推力最大,比冲最高的发动机之一。由ASR设计,在贵州安顺拉风厂长处制造,借用中航科工南京长峰航天公司整形测试。本系列发动机共制造两枚,分别用于地面试车和TK-1A探空火箭装机,实际点火测试1次,开始时出现喘燃现象,后续工作正常,属于部分成功。



刚刚出厂的SRM-81-APCP发动机
发动机实拍图.jpg


1号发动机和地面试车台



2号发动机,用于TK-1A探空火箭(现封存于广州中山大学实验室)




燃料配方设计

燃料类型:含铝高氯酸铵-端羟基聚丁二烯复合推进剂
燃料加工流程:称量配料
                        真空混合搅拌
                        真空振荡浇筑
                        常温固化
                        锯床锯成3段
                        车床车出接插结构,打中心孔
                        铣床铣出6个小孔
                        对接燃料,用环氧树脂粘接并密封端面
                        使用耐高温铁氟龙胶带缠裹
                     

燃烧方式:全内表面扩张式
燃料密度:1.65-1.67
燃料配比:  AP        70%  (由3种粒度配成)
                   DOA     6%
                   Al         7.8%
                   MDI      2.5%
                   HTPB    12%
                   氧化铜催化剂   1%
                   其它添加剂    0.7% (CA,HX878,蓖麻油等)
燃料的具体配方以及固化计算,请参考此贴:http://bbs.makertime.org/read-991



药柱尺寸设计,三段式,通过环氧树脂封合,前后端面涂刷环氧树脂来阻燃(也就是说只有药柱内孔可燃)



利用Nakka的软件进行喷然比简易估算,软件请从此网站获得:http://www.nakka-rocketry.net/



加工中心的几台数控机床


首先对燃料进行深内孔加工,这里的燃料是KNER,不过APCP同理



再在燃料药柱分段车削接口,方便对接分段



根据图纸进行测量、计算,准备进行铣床加工。加工深内孔必须使用特制的长铣刀(图中左边便是,专门从淘宝上购买的),从药柱的两端同时进刀。



铣床加工。由于力臂比较长,铣刀在进行这个加工步骤的时候很容易断裂,所以要千万注意,水平进刀时不能过快。即便我们购买的是德国进口的特种合金铣刀,一样断了好几根



接下来对加工好的药柱分段进行对接、粘合,利用环氧树脂对端面进行粘接。此步骤需特别注意内孔要对齐!



完成组合的药柱


在对接完成所有药柱后前后端面要用环氧树脂涂抹一层环氧树脂阻燃,这样使燃烧面仅仅为内孔内壁。并不是说一定要这样设计,而是设计成只有内孔燃烧的发动机内弹道模拟计算上相对来说方便一些




发动机燃烧室与喷管设计
全长:813mm
有效燃烧室长度:690mm
最大宽度:103.6mm
燃烧室直径:76mm
燃烧室外径:81mm
喷喉直径:24.7mm
扩张比:5.7
理论喷燃比范围:220-313
扩张角:30度
收敛段为R弧,以减小流动阻力
壁厚:2.5mm
药柱质量:3.7kg
发动机全重:10.1kg
理论耐压:(以最薄弱点计算)32.7MPa
安全系数:5.0
壳体材料:热处理40Cr
堵头材料:45#钢
喷口材料:30CrMnSiNi2A高强度合金钢
壳体隔热材料:内层PVC管,外层环氧树脂+高温铁氟龙
喷口堵头隔热材料:内层XZ-T001耐高温涂料,外层高温防护漆
喷口堵头与壳体连接方式:螺纹
壳体密封:不完全密封
与箭体连接方式:螺钉(堵头12颗M6,喷口8颗M6)
点火方式:外部点火
点火药:低燃速黑火药
最大推力:1556N
推力持续时间:约5.8s
发动机工作噪音:距喷口10米处持续工作声强等级130.7分贝 (A加权)
总冲:7687.8NS
比冲:212s
燃烧室温度:2600摄氏度
壳体工作结束温度:小于90摄氏度



发动机装箭图纸



手绘喷管图纸



利用车床对发动机外壁进行加工


在喷口内侧和发动机前堵头内侧涂抹1-2mm厚的金属氧化物耐高温涂料(淘宝可以买到耐温超过2200K的),以保护喷口和堵头

试车

2013年8月29日在南京东郊,进行了第一次也是唯一一次的发动机试车
试车完整视频

http://player.youku.com/player.php/sid/XMjczNjU3MzA1Ng==/v.swf


试车的测量设备,保护试车台架、配重、相机、上位机电脑、噪音检测仪等



一直螳螂从相机前爬过。 在这张图中可以明显地看到装载着岩石的麻袋,这是为了给整个试车台增加重量,避免试车台因为发动机的强大推力而发生侧翻导致数据测量失败。此外围绕这发动机壳体的重物还可以起到很好的安全保护作用。如果发动机发生爆炸,可以在第一时间吸收爆炸的能量,尽可能地减小金属破片的飞溅。


地面试车台架数据
全重: 98kg
压力传感器:无
推力传感器:中航电测 L6G-C3 750kg
中心架型号:沈阳机床厂 CA6250
推力量程:0-7500N
压力量程:0-16MPa

近机位1 Gopro Hero 3相机拍摄



近机位2 卡片相机拍摄的



远机位拍摄的


推力传感器记录的推力-时间数据


工作完毕后约30分钟,完全冷却后的发动机,可以见到喷口的耐高温漆已被冲刷为白色




总结与故障分析
在本次发动机试车中,发动机的可靠性、燃料的性能得到了充分的验证,也证明业余制造APCP发动机是完全可行的。APCP也被证明是一种相当安全的燃料,虽然能量很高,但是富有弹性,几乎不可能在高压下发生碎裂并导致因喷燃比暴增导致的爆炸,而这类爆炸在硝糖类燃料发动机中是极为常见的。但在成功的同时,我们也看到了此发动机设计的严重问题——点火装置。


事实上,SRM-81-APCP的首次发动机试车应该发生在一天前,但当时并没有进行成功的点火。最初我们采用的是高燃速的含有铝粉的黑火药,包裹着点火头的药包从发动机尾喷管处伸入药室一定距离。但在试车中出现了完全无法点燃发动机的故障。


8月28日的试车,首次发动机点火瞬间,点火失败,发动机未能被点燃



8月28日的第二次试车尝试,加大了3倍药量,点火瞬间猛烈喷出火焰和烟气。仍然失败,发动机未能成功点火



8月29日的试车,更换点火药后,成功点燃发动机。图为点火完毕后发动机进入初始燃烧阶段


一天后,我们将高燃速的含铝黑火药,换成了很慢燃速的黑火药,再次进行了试车实验,结果成功点燃发动机。然而紧接着便发生喘燃,共产生了6个推力峰,然后发动机才进入正常工作状态。喘燃是一种非常危险的现象,在推力图上可以看出,第5、6个推力峰值其实都已经超过了火箭的自重,这样的推力峰值,可能可以给予箭体足够的动量飞出发射导轨并掉落,如果发动机此时再进入正常工作,那么后果不堪设想。除了喘燃之外,发动机还存在点火到建立工作推力时间间隔过长的问题。


故障导致的可能原因是点火药以及点火药装填的位置不对,一般的SRM点火药包都装在堵头那一侧,而且采用高温点燃,周边药柱引燃后产生的气体和火焰同时膨胀经过整个燃烧面然后从喷口射出去。当时试车的时候因为技术原因把药包放在了尾部,这样点燃的气体就会同时向内和向喷口处膨胀,向内扩散的气体温度压力均不足以点燃药柱,点燃的燃烧面部分来回在发动机里摆动,于是就会发生喘燃,直到发动机全部的燃烧面被点燃,建立正常推力。从未公开的视频中以及推力计的测量结果来看,每一次喘燃造成的波峰数值呈线性增加(第一个描点应该是向上偏移最大的,因为包含了点火药产生的推力), 如果用线性模型简单拟合,y 轴截距应该约等于0, 实际值为33.991,考虑到第一个点的偏高这个数值可以接受。这是支持我猜想的一个论据,另一个论据是视频中可以看到很明显尾部部分药柱点燃的情况。但是SRM燃烧模型极为复杂,在没有精确内弹道数据的情况下无法进行严谨的数值模拟,实际情况要试车才能解决。 装在快被魔改成BOSS的TK-1A上的是这枚发动机的完全相同版,通过那枚发动机的测试可以得出结论。事实上在后来我们在那次被中途取消的发射中是把点火药包安装在头部的,但很遗憾没有进行实测。也许可能还有别的原因导致喘燃,我觉得还是要点火过那枚发动机后在做结论。


对于APCP发动机的改进意见和发展建议
想必大家也能看到,APCP发动机确实能量较大,比冲也首次超过了210(略高于Qu8k所使用的燃料),虽然在诸多APCP中这种燃料比冲算是垫底,但也算是一个阶段性的成果吧。有人跟我说要再大量添加金属粉或者能才来增加比冲,我觉得完全可以作为研究项目,但实际来说可能需要其它保障,如热防护,防爆等,成本或加工难度也有可能增加,总之对于整体设计而言,找到一个平衡点是非常重要的。下面的改进我觉得到不一定是死抠比冲,可以进一步降低成本,提升安全度以及减轻结构质量,这样可能对于广大高级爱好者来说更有实际意义。


这次试车以及相关一系列实验其中一个最重要的目的就是为了验证发动机的热防护性能,因为APCP的燃烧温度是出了名的高。实验中,在经过超过5s的高温火焰冲刷后,喷口甚至几乎没有出现红热,2层防护材料很好地起到了隔热作用,这样的设计完全可以取代石墨喷喉,简单,廉价而且避免了过于复杂的结构。在燃烧室内部,PVC+特氟龙的组合也成功地进行了隔热,再加上燃料的这种燃烧方式使燃料本身变成了隔热层,综合防护性能非常好。这样一来便有以下的改进意见:首先,铝粉的含量可以继续增加,因为铝粉的量对比冲影响非常大且铝粉比HTPB要便宜的多,目前根据燃料的粘稠度来看,应该可以加到15%或更高,由此带来的高燃温问题发动机应该完全能扛得住。其次,发动机的诸多部位材料厚度可以削减,减重至少25%以上,以提高推重比。这样一来可以在几乎不影响可靠性的基础上使发动机效率大幅提高,成本略为降低。


此外,APCP燃料本身是一种极为优秀的燃料,它在兼顾高能的同时比很多低端燃料都要安全。最重要的原因是它有着极为优秀的力学性质,它很难在外力的作用下发生碎裂,取而代之的则是形变,而且本身极难被起爆(含有能才的除外)。但之所以在业余火箭圈子里很不普及是因为其高昂的价格,很难搞的原料,已经看似复杂的制作过程。这些是我们要尽力去克服的。对于燃料的后期处理,我们也采用了和以前广局一样的方法,用车+铣的方式分段组装,费时费力还浪费燃料,下一步是尝试使用模具,一次浇筑成型,这样来减少工作量,提高效率。


当然,纵使APCP有着诸多优点,新手要想尝试依然非常困难,困扰众人的问题我认为首先是原料的问题,理论上说,未经允许储存、购买AP到达一定量是违法行为,另外HTPB,HX878等高昂的价格也让大家望而却步,这些都是硬杠杠,已我们的力量难以解决,所以说目前客观条件不甚成熟,不适合普及,但强烈建议有条件的个人或集体进行尝试,合理规避法律风险即可。


喷燃比和压力指数的问题,喷燃比的话APCP一般在200-360之间,这次我们取得比较保守,后面可以稍微增加一点。压力指数有很多方法测量,发动机装机测量法就是其中的一种,也就是说可以根据发动机试车数据倒推出压力指数,且发动机越大,推测出的越精确,有兴趣的坛友可以试一下。之所以我这样说是因为制作专门的燃速测量仪很费事,而且精度成问题,不如直接用发动机估。正如我在此楼的回复上说的,http://bbs.makertime.org/read-991-1#read_5408,要想真正完全掌握APCP燃料,必须进行严格的定量测试才行,光是通过教材、文献上看来得理论对发动机进行设计然后测试,却无法将测试成果拿来合理修正理论或者是给出经验数值,制造固体火箭发动机从本质上说还是凭感觉再走,而不是严谨的研究。
转播转播 分享淘帖
回复

使用道具

0

主题

0

帖子

2

积分

列兵

积分
2
莫斯科的 发表于 2017-4-30 03:09:02
关于点火药我觉得有一点很重要的就是燃烧温度高,燃烧后残渣多,燃速慢,这样才能较为成功的点燃发动机
回复

使用道具 举报

HCN

0

主题

33

帖子

1994

积分

军官学校学员

积分
1994
HCN 发表于 2017-4-30 10:06:32
喘燃可能是由于燃料与燃料之间端面结合不够紧密造成的。ps:图中的不是螳螂,是蝗虫,螳螂头小触角较长。身体细长,前肢发达,后腿不发达。蝗虫头大触角短,后腿发达,肋骨有刺。由此判定图中的昆虫为蝗虫,不是螳螂。
01.png



螳螂

螳螂
回复

使用道具 举报

86

主题

255

帖子

5万

积分

管理员

Rank: 9Rank: 9Rank: 9

积分
52749
罗恩格林 发表于 2017-4-30 10:18:12
[quote=莫斯科的黄斯基,5417]关于点火药我觉得有一点很重要的就是燃烧温度高,燃烧后残渣多,燃速慢,这样才能较为成功的点燃发动机[/quote] 燃速其实不应该慢,参考军用点火,点火到建立推力可能就几毫秒,燃温可能是重点
回复

使用道具 举报

86

主题

255

帖子

5万

积分

管理员

Rank: 9Rank: 9Rank: 9

积分
52749
罗恩格林 发表于 2017-4-30 10:19:49
[quote=HCN,5419]喘燃可能是由于燃料与燃料之间端面结合不够紧密造成的。ps:图中的不是螳螂,是蝗虫,螳螂头小触角较长。身体细长,前肢发达,后腿不发达。蝗虫头大触角短,后腿发达,肋骨有刺。由此判定图中的昆虫为蝗虫,不是螳螂。[/quote] 不可能,前面KNER燃料也是这样测试的,完全正常,且如果真要是端面问题,应该一直喘燃下去,不会喘几下就进入正常工作,所以我还是倾向是点火问题。

哈哈,昆虫专家啊....我查了一下,看来果然是蝗虫,感谢指正!
回复

使用道具 举报

0

主题

0

帖子

2

积分

列兵

积分
2
莫斯科的 发表于 2017-4-30 10:25:25
[quote=罗恩格林,5420]燃速其实不应该慢,参考军用点火,点火到建立推力可能就几毫秒,燃温可能是重点[/quote] 比如说少量的铝热剂,我基本是使用糖和高氯酸钾研磨后,混少量铝粉。我用这种点火药点火没有一次失败过。这种药其实燃烧主要通过糖来燃烧和产生燃气,铝粉提温,高温燃气从药柱内孔喷出从而点燃药柱
回复

使用道具 举报

86

主题

255

帖子

5万

积分

管理员

Rank: 9Rank: 9Rank: 9

积分
52749
罗恩格林 发表于 2017-4-30 10:36:58
[quote=莫斯科的黄斯基,5422]比如说少量的铝热剂,我基本是使用糖和高氯酸钾研磨后,混少量铝粉。我用这种点火药点火没有一次失败过。这种药其实燃烧主要通过糖来燃烧和产生燃气,铝粉提温,高温燃气从药柱内孔喷出从而点燃药柱[/quote] 以前KC航天局提出过使用APCP燃料的碎屑进行点火,其实也有道理,但是实际操作中APCP极其难搞成碎屑,物理性质就跟个较硬的橡皮似的,很有韧性,很难搞.....
回复

使用道具 举报

20

主题

219

帖子

7919

积分

中尉

积分
7919
xian333c 发表于 2017-4-30 10:43:22
[quote=罗恩格林,5421]不可能,前面KNER燃料也是这样测试的,完全正常,且如果真要是端面问题,应该一直喘燃下去,不会喘几下就进入正常工作,所以我还是倾向是点火问题。

哈哈,昆虫专家啊....我查了一下,看来果然是蝗虫,感谢指正![/quote] 其实这种振动还可以为是气相向固相反馈的热量不足造成的燃烧中断。这种喘振本来就也被称呼为断续燃焼
回复

使用道具 举报

86

主题

255

帖子

5万

积分

管理员

Rank: 9Rank: 9Rank: 9

积分
52749
罗恩格林 发表于 2017-4-30 10:51:46
[quote=xian333c,5426]其实这种振动还可以为是气相向固相反馈的热量不足造成的燃烧中断。这种喘振本来就也被称呼为断续燃焼[/quote] 对,我的意思就是点火药包插入得不够深,如果可以从堵头处点火,一次可以瞬间点燃整个可燃端面,而在尾部点火,尾部的装药产生的气体填充回药柱前部,反而阻隔了燃烧,导致中断。随着几次喘燃后,终于整个药柱被点燃,故恢复正常。其实检验我这个猜想的方法很简单,就是去用头部点火法再试一次车,可惜不再有这个机会了。
回复

使用道具 举报

0

主题

0

帖子

2

积分

列兵

积分
2
莫斯科的 发表于 2017-4-30 11:22:48
[quote=罗恩格林,5425]以前KC航天局提出过使用APCP燃料的碎屑进行点火,其实也有道理,但是实际操作中APCP极其难搞成碎屑,物理性质就跟个较硬的橡皮似的,很有韧性,很难搞.....[/quote] 加工药柱的车削屑可以收集起来啊
回复

使用道具 举报

12下一页
B Color Link Quote Code Smilies
Archiver|手机版|小黑屋|MakerTime 创客时代  
Powered by Discuz! X3.3  © 2001-2017 Comsenz Inc.