Модель гибридного ракетного двигателя. Вычисления, проект и испытания

На даний час і у майбутньому ракетні двигуни будуть найголовнішими засобами виводу на орбіту космічних транспортних апаратів. В даний час найважливішою вимогою при проектуванні двигуна ракети є зменшення її вартості і максимальне збільшення енерговіддачі. Проектування ракетних двигунів - довготривалий і трудомісткий процес, метою якого є виробництво дешевого і високоякісного двигуна, що має мінімальний вплив на навколишнє середовище. Слідуючи зазначеним вимогам, Варшавський Технологічний Університет спільно з Варшавським авіаційним Інститутом розпочали програму екологічно безпечного розвитку ракетних двигунів. Експериментальний гібридний двигун ракети був розроблений і виготовлений для перевірки нової формули твердого палива. Дана стаття містить дослідження безпечної роботи двигуна з окислювачем Al/AN/HTPB, використовуючи при цьому лабораторний дослідний стенд перевірки ракетного гібридного двигуна. Основна мета цієї роботи – це проектування простого ракетного двигуна з наступною можливістю його подальшого розвитку і поліпшення.Now and in the foreseeable future rocket engine will be the most basic propulsion of space vehicle. Nowadays the most important condition in design of rocket engine is the cost reduction and increasing thrust to weight ratio as much as possible. The design of rocket engines is exhaustive and difficult process. It must produce low cost and high performance engine with minimal influence on the environment. Following these requirements, Warsaw University of Technology jointly with Institute of Aviation in Warsaw, started their own program on ecologically safe propulsion development. The experimental hybrid rocket motor has been designed and manufactured to test a new formula of solid fuel. The paper explores the performance and safety implications associated with the oxidizer enhanced Al/AN/HTPB grain by using of a laboratory scale hybrid rocket motor test stand. The main objective of this work was to design simple rocket engine that could smoothly be developed and possibly improved in the future.На данный момент и в обозримом будущем ракетные двигатели будут самыми основными двигательными установками космических транспортных средств. В настоящее время самым важным условием при проектировании двигателя ракеты является уменьшение ее стоимости и максимальное увеличение соотношения тяги к весу. Проектирование ракетных двигателей – продолжительный и трудоемкий процесс, целью которого является производство дешевого и высококачественного двигателя с минимальным влиянием на окружающую среду. Следуя указанным требованиям, Варшавский Технологический Университет совместно с Варшавским авиационным институтом начали программу экологически безопасного развития ракетных двигательных установок. Экспериментальный гибридный двигатель ракеты был разработан и изготовлен для проверки новой формулы твердого топлива. Данная статья содержит исследования безопасной работы двигателя с окислителем Al/AN/HTPB, используя при этом лабораторный испытательный стенд проверок ракетного гибридного двигателя. Основная цель этой работы состоит в проектировании простого ракетного двигателя с последующей возможностью его дальнейшего развития и улучшения

Газометанный \ газокислородный ракетный двигатель. Проектирование и разработка

Хімічні ракетні двигуни – є і будуть у майбутньому найбільш широко використовуваними рушіями для транспортування на орбіту Землі. Інформаційна потреба технологій, постійно зростаюче число супутників, які необхідно виводити на орбіту змушує виробників ракетної техніки будувати двигуни з більш широким діапазоном тяги і кращою якістю роботи. З іншого боку, для мінімізації впливу на навколишнє середовище в космічній промисловості, передбачається використання екологічнобезпечних видів палива. Одним з видів палива, що є екологічнобезпечним і гарантує якісну роботу, є метан. Це паливо знаходиться в області інтересів всесвітньої ракетної галузі. Однак, на сьогоднішній день, лише кілька двигунів, що використовують метан пройшли повну перевірку, що вказує на широку область можливих удосконалень цієї техніки.Головна мета статті полягає в тому, щоб проаналізувати можливість використання метану як палива для ракетних двигунів. Авторами з використанням методів чисельної газової динаміки (CFD) проведені обчислення експериментального ракетного двигуна. Проведений аналіз є основою для проектування експериментального зразка. Експериментальне дослідження роботи нового двигуна проведено з метою підтвердження правильності обчислень. У майбутньому планується випробовування системи охолодження двигуна, що буде завершенням даного проекту.Chemical rocket engines are still and will be in the foreseeable future the most widely used means of propulsion systems in transportation into the earth's orbit. What is more, information technologies need more and more satellites constellations to be replenished. This forces the rocket industry to build rocket engines with wider range of thrust and better performance. On the other hand, in order to minimize the influence on the environment, ecologically-safe propellants are considered to be used in space industry [1]. One of propellants, which is ecologically-safe and guarantees good overall performance is methane. This fuel is in area of interests of world's rocket industry. However, till today only a few methane rocket engines were tested, so it seems to be a wide area of possible improvements in this field. The main aim of the paper will be to analyze the possibility of using methane as a fuel for the rocket engine. The authors made the computations of a model rocket engine, fueled by methane, using CFD method. The analysis stands as the basis for the design of a model rocket engine. Experimental research to check the calculations’ validity as well as testing of its cooling system will complete the design.Химические ракетные двигатели являются и будут в обозримом будущем, наиболее широко используемыми двигательными установками для транспортирования на орбиту Земли. Информационная потребность технологий, постоянно растущее число спутников, которые необходимо выводить на орбиту, вынуждает производителей ракетной техники строить двигатели с более широким диапазоном тяги и лучшим качеством работы. С другой стороны, для минимизации влияния на окружающую среду в космической промышленности, предполагается использование экологически безопасных видов топлива. Одним из видов топлива, которое является экологически-безопасным и гарантирует качественную работу, является метан. Это топливо находится в области интересов всемирной ракетной отрасли. Однако, на сегодняшний день, лишь несколько двигателей, использующих метан, прошли полную проверку, что указывает на широкую область возможных усовершенствований этой техники. Главная цель статьи состоит в том, чтобы проанализировать возможность использования метана как топлива для ракетных двигателей. Авторами с использованием методов численной газовой динамики (CFD) проведены вычисления экспериментального ракетного двигателя. Проведенный анализ является основой для проектирования экспериментального образца. Экспериментальное исследование работы нового двигателя проведено с целью подтверждения правильности вычислений. В будущем планируется испытание системы охлаждения двигательной установки, которое будет являться завершением данного проекта

A novel synthetic biofuels (II generation) for the JET engines and liquid rocked engines

W artykule zwrócono uwagę na wykorzystanie nowych, syntetycznych biopaliw (II generacji) do zastosowania w turbinowych silnikach lotniczych oraz rakietowych silnikach na paliwo ciekłe. Zaznaczono, że alternatywą dla współczęśnie stosowanych paliw węglowodorowych w lotnictwie oraz technice rakietowej, pochodzących z przeróbki ropy naftowej, są właśnie paliwa syntetyczne opisanego typu. Dowodzi tego choćby zaangażowanie krajów tak wysokorozwiniętych jak Stany Zjednoczone, które zainwestowały znaczne fundusze w programy badawczo-rozwojowe szukania nowych paliw alternatywnych. USA są także pierwszym krajem na świecie, który rozpoczął regularną produkcję biopaliwa drugiej generacji do zastosowania w turbinowych silnikach lotniczych. Paliwo to spełnia wymogi międzynarodowych standardów ASTM (Bio-SPK, Synthetic Paraffinic Kerosene).A novel technology, based on UOP's process (now commercially available, as Synthetic Paraffinic Kerosene - SPK) for green Jet fuel production has been presented. Such biofuels are known as II generation and can be made from sustainable sources of bio-derived oils. Can also be used in commercial jet aircrafts. It has been showed that main parameters of the new kind of biofuels are as high as those for the traditional jet fuel (Jet A or Jet A-1). The general mechanism for the hydrocracking decomposition of a vegetable oil triglyceride has been presented as well as the perspectives for the further development

The phenomenon of upper explosion limit of fuels in air and oxygen at elevated temperature and pressure

Przedstawiona paca doświadczalna została wykonana w laboratoriach Instytutu Techniki Cieplnej PW. Artykuł zawiera wyniki serii pomiarów, których celem było ustalenie wpływu wybranych parametrów fizycznych na wartość ciśnienia wybuchu dla mieszanin gazowych alkanów z tlenem. Dane takie, łącznie z wyznaczoną wartością górnej granicy wybuchowości (GGW) dla poszczególnych mieszanin, mają podstawowe znaczenie dla ustalania odpowiednich norm bezpieczeństwa w przemyśle chemicznym. Badaniom poddano gazowe alkany, a więc metan, etan, propan oraz n-butan. Wyniki, prezentowane w postaci sumarycznych danych (tabel), zostały uzyskane w wyniku przeprowadzenia pomiarów w stalowym naczyniu kulistym o objętości 2,3 dm3. Jako źródło zapłonu użyto tzw. eksplodujący drucik (exploding wire), który uwalniał około 0,1 J energii za każdym razem. Przebieg zmian ciśnienia w czasie rejestrowano przy użyciu szybkiego czujnika piezoelektrycznego. Zbadano wpływ temperatury początkowej mieszanin testowych, w zakresie od 20°C do 200°C. Przeprowadzono również pomiary w zakresie wzrastającego ciśnienia początkowego mieszanin. Na ich podstawie autor wyznaczył wyraźne zależności GGW od początkowej wartości T oraz p badanych mieszanin.The presented research work has been done in the Institute of Heat Engineering laboratories at Warsaw University of Technology. The explosive range of chosen gases is determined by specific conditions of temperature and pressure. These values also depend on different factors, such as the shape of the explosion vessel, ignition energy or the presence of other substances which may, for instance, have catalytic properties. The obtained results relate the influence of chosen physical parameters on the value of the Upper Explosive Limit (UEL). Other research data is also presented in the paper. This was obtained from specially designed spherical explosion chamber of a volume of 2.3 dm3. Exploding wire was used as the ignition source. It released about 0.1 J energy each time. The influence of the increased initial temperatures of those mixtures on their value of UEL was also investigated in the range of 20°C up to 200°C. Further experiments on the influence of elevated conditions, as well as the position of ignition source and residence time, were carried out as well. A number of higher alkanes were examined (up to n-butane), both in air and oxygen mixtures. These experiments allowed the author to find distinct dependencies in the values of UEL under the investigation conditions. The results have been compared and validated with literature data and numerical code, according to the experimental conditions, methodology and adopted criteria of UEL determination. Some of the effects found were possible to explain only by acceptance of such phenomenon as cool flames appearing in the regions close to UEL. This seems to be particularly important when safety parameters or numerical modelling standards for UEL are sought

Innovative technology of NOx removal from coal-fired heat and power-plants fumes with HTP

Artykuł sygnalizuje nowatorskie podejście do problemu usuwania tlenków azotu oraz innych, uciążliwych zanieczyszczeń, z gazów odlotowych elektrowni oraz elektrociepłowni węglowych, za pomocą roztworów nadtlenku wodoru klasy HTP (jednoskładnikowego, rakietowego materiału pędnego oraz uniwersalnego utleniacza zarazem). Znane są już od dwóch dekad technologie bazujące na wykorzystaniu mniej stężonych roztworów H2O2 (rzędu 0,1 – 5%) usuwania NOx w fazie wodnej (wykorzystujące reakcje H2O2 z rozpuszczonymi NOx). Omawiana jednak, eksperymentalna technika, opracowana m.in. przy udziale NASA, opiera się o wykorzystanie niezwykle reaktywnych form rodnikowych tlenu, jakie powstają w procesie rozkładu (np. katalitycznego lub też termicznego) HTP, a które mogą wydajnie i szybko utleniać NO już w fazie gazowej.Innovative technology for NOx removal from coal-fired heat and power-plants developed by Phoenix Systems International and NASA is briefly presented. This is low temperature multipollutant control system. NASA jointly developed a gas-phase oxidizer system that effectively (~100%) converts nitric oxide (NO), the primary NOx component from fossil-fuel combustion, to NO2. Initial laboratory work found that some of the catalysts can effectively decompose hydrogen peroxide and produce oxidative species that quickly oxidizes NO to NO2. It was found that the NO oxidizer system also oxidizes elemental Mercury in the gas phase, which ultimately led to a system that captures >95 percent of the total Mercury emissions. Capture of SOx (primarily SO2) was necessary in order to efficiently oxidize NO to NO2

The hypergolic ignition of stabilized hydrogen peroxide and catalitically promoted hydrocarbons

W artykule zwrócono uwagę na możliwość wykorzystania sężonych, stabilizowanych roztworów nadtlenku wodoru (H2O2) w celu wypracowania jak najprostszej oraz skutecznej metody zapłonu węglowodorów ciekłych. Zastosowanie odpowiednio stężonego, stabilizowanego fosforanami, nadtlenku wodoru jako utleniacza (o stężeniu 85% i powyżej) oraz stałego katalizatora jego rozkładu (np. w postaci jego zawiesiny w paliwie) pozwala na uzyskanie samozapłonu spełniającego cechy tzw. zapłonu hipergolicznego (ang. hypergolic). Rzeczywiste układy hipergolowe (np. dwuskładnikowy układ ciekłego paliwa rakietowego oraz utleniacza) ulegają samoczynnemu zapłonowi w chwili, gdy ich składniki ulegną wymieszaniu. Są one jednak dość kłopotliwe w przechowywaniu i transporcie, ale raczej niezawodne w użytkowaniu w silniku rakietowym - gdyż nie wymagają dodatkowych systemów zapłonowych. W określonych warunkach stężony nadtlenek wodoru również może stanowić ciekły utleniacz, który posiada jednocześnie cechy hipergolika w stosunku do odpowiednio spreparowanych paliw weglowodorowych. Jedną z metod wykorzystywaną w tym celu może być dodatek katalizatora do paliwa węglowodorowego w postaci jego drobnokrystalicznej soli. Dalsze prace badawcze wymagane sa w kierunku określenia różnic w zachowaniu się układu przy zastosowaniu HTP (zamiast silnie stabilizowanego H2O2) czy też w warunkach odpowiadających pracy prawdziwego silnika rakietowego.The paper presents a simple and effective approach towards receiving the hypergolic ignition of a potential environmentally friendly liquid propellant consisting of stabilized hydrogen peroxide as a oxidizer (with a concentration of 85% or higher) and hydrocarbon fuels for use in rocket engines. Simple tests conducted up to now prove positive effect of relatively small amount of metal salt catalyst in fuels for elicitation of the hypergolic ignition. Such bipropellant formulation may be utilized in a real rocket engine environment - for instance in a pressure-fed liquid propellant rocket engine. However, to establish such technology more tests are needed to perform to find what kind of effects exerts the amount of catalyst and the initial temperature of the fuel on the ignition delay of such hypergolic bipropellants. An experimental program aimed at determining the effects of initial ambient pressure, initial ambient gas properties, and hydrogen peroxide concentration on ignition delay. Results show that ignition delay can be reduced by increasing the hydrogen peroxide concentration. The applicability of traditional vaporization and ignition theories to the ignition of a catalytically promoted fuel with rocket grade hydrogen peroxide are shortly discussed as well. However, the paper emphasizes that there are also many other important issues that must be taken into account, such as the level of stabilizers in the H202 or the difference between the ignition delay times from open cup tests and those from rocket engine static firings

Investigation on the catalytic decomposition of 98% hydrogen peroxide with the use of Al2O3/MnxOy catalysts, promoted by transition metal oxides

Nadtlenek wodoru w różnych stężeniach był i jest stosowany chemicznych w napędach rakietowych. Im wyższe stężenie wodnego roztworu, tym wyższe, możliwe do uzyskania, osiągi silnika. Jednak stosowanie nadtlenku wodoru o wysokim stężeniu (powyżej 90%) wymaga użycia specjalnych katalizatorów rozkładu, odpornych na udar termiczny i mechaniczny (wiele cykli szybkiego nagrzewania i chłodzenia) a także na długotrwałe przebywanie w temperaturze ponad 900°C w środowisku bogatym w tlen. Prezentowana praca ma na celu zbadanie grupy katalizatorów na nośnikach ceramicznych (różne odmiany polimorficzne tlenku glinu), z fazą aktywną w postaci tlenków manganu, domieszkowanych tlenkami: żelaza, chromu, kobaltu oraz promowanych samarem lub lantanem. Badania będą realizowane wspecjalnie do tego celu zaprojektowanych komorach katalitycznych, w warunkach zbliżonych do tych, jakie panują w silnikach rakietowych. Wyniki badań pozwolą na ocenę przydatności zastosowania różnych katalizatorów do rozkładu nadtlenku wodoru klasy HTP w silniach rakietowych na jedno- i dwuskładnikowy materiał pędny.Hydrogen Peroxide in various concentrations has been and still is used in chemical rocket propulsion. The higher concentration of HP water solution the higher, possible to obtain, performance of an engine. However, the use of highly concentrated hydrogen peroxide (above 90%) requires to use special catalysts for its decomposition. These catalysts should withstand thermal and mechanical stress for a lot of cycles as well as long stay-time in very hot – above 900°C – oxygen-rich environment. The project, presented in this paper, is to investigate a specific group of catalyst, consisted of ceramic aluminum oxide pellets, acting as support, with the active phase, containing manganese oxides. The active phase is doped with iron, chromium and cobalt oxides and promoted with samarium and lanthanum oxides. The investigation will be made using special catalyst chambers. Internal chamber conditions – flow, pressure, temperature – will be similar to those, which are in rocket engines. The result of this work will serve as a reference to assess the usefulness of various catalysts for HTP decomposition and its utilization in rocket propulsion

Novel liquid compounds as hypergolic propellants with HTP

The paper presents both an experimental investigation and an up-to-date literature review over the hypergolicity of highly concentrated hydrogen peroxide with various liquid mixtures or novel chemical compounds that may be a potential candidate for rocket applications. Moreover, the coverage contains both, a historical and modern approach to hydrogen peroxide based hypergolic propulsion systems. In addition, the advantages of the oxidizer, especially in the form of 98% solution of hydrogen peroxide, are profiled in detail against the toxic ones that are currently utilized. Equally, the potential replacements for hydrazine, monomethyl hydrazine, unsymmetrical dimethyl hydrazine, dinitrogen tetroxide or their combinations, as propellants in rocket applications, are collected and discussed thoroughly in terms of their propulsive performance, availability on the market, storability, handling and general safety conditions for the technical staff as well as environmental compatibility. The ignition mechanism of the two main fuel groups, catalytically and energetically promoted, that reveal fast, spontaneous ignition with the highly concentrated hydrogen peroxide , is described too. Furthermore, the example that results from the simple drop tests are shown with special focus laid on the comparison of the minimum ignition delay time as the key parameter for the discussed fuel compositions. Lastly, the most prospective fuel combinations are discussed as desirable alternatives for the near-future bipropellant propulsion systems for the rocket or satellite applications, or other that demand high energy density

NOVEL LIQUID COMPOUNDS AS HYPERGOLIC PROPELLANTS WITH HTP

The paper presents both an experimental investigation and an up-to-date literature review over the hypergolicity of highly concentrated hydrogen peroxide with various liquid mixtures or novel chemical compounds that may be a potential candidate for rocket applications. Moreover, the coverage contains both, a historical and modern approach to hydrogen peroxide based hypergolic propulsion systems. In addition, the advantages of the oxidizer, especially in the form of 98% solution of hydrogen peroxide, are profiled in detail against the toxic ones that are currently utilized. Equally, the potential replacements for hydrazine, monomethyl hydrazine, unsymmetrical dimethyl hydrazine, dinitrogen tetroxide or their combinations, as propellants in rocket applications, are collected and discussed thoroughly in terms of their propulsive performance, availability on the market, storability, handling and general safety conditions for the technical staff as well as environmental compatibility. The ignition mechanism of the two main fuel groups, catalytically and energetically promoted, that reveal fast, spontaneous ignition with the highly concentrated hydrogen peroxide , is described too. Furthermore, the example that results from the simple drop tests are shown with special focus laid on the comparison of the minimum ignition delay time as the key parameter for the discussed fuel compositions. Lastly, the most prospective fuel combinations are discussed as desirable alternatives for the near-future bipropellant propulsion systems for the rocket or satellite applications, or other that demand high energy density

Hydrogen peroxide HTP class as a universal medium for propulsion and oxidiser

Aktualnie wdziedzinie napędów, zresztą nie tylko kosmicznych, trwają intensywne poszukiwania nietoksycznych, bezpiecznych, tanich, dających się magazynować oraz posiadających dużą gęstość energii, jednoskładnikowych materiałów pędnych oraz utleniaczy. Takim związkiem chemicznym, będącym jednocześnie jednoskładnikowym materiałem pędnym oraz wydajnym utleniaczem jest znany już od blisko 200 lat nadtlenek wodoru. Pomimo faktu, że na przestrzeni ostatnich trzech dekad rozwoju napędów rakietowych pojawiło się wiele innych napędowych układów chemicznych, oferujących znaczne osiągi (stałe kompozytowe materiały pędne znalazły zastosowanie zarówno wpociskach, jak iwcywilnej eksploatacji przestrzeni kosmicznej, pojawiła się też kolejna generacja wysokoenergetycznych materiałów pędnych oraz wydajne katalizatory rozkładu hydrazyny oraz zaawansowane konstrukcje silników na ciekłe materiały pędne) to zainteresowanie nadtlenkiem wodoru oraz prace nad jego aplikacjami w technice rakietowej uległy obecnie wręcz gwałtownej eskalacji. Wpływ na to bez wątpienia mają też popularniejsze ostatnio ogólnoświatowe trendy poszukiwania „ekologicznych” czy też „zielonych” paliw. Inżynierowie od napędów, i nie tylko, ponownie zwracają uwagę na ten nietoksyczny, bezpieczny, tani, dający się magazynować oraz po siadający dużą gęstość energii, jednoskładnikowy materiał pędny i wydajny utleniacz zarazem.Nowadays space propulsion technologies are urgent for less toxic, storable and environmentally friendly propellants and oxidizers – to replace nitrogen tetroxide (NTO) and hydrazine in certain applications. Hydrogen peroxide is a very attractive replacement oxidizer and monopropellant as well. The history of its use proves that H2O2 has high specific impulse, is cheap, safe and possesses desirable storage properties. It is commonly misunderstood that hydrogen peroxide cannot be stored for long periods of time. But it can, and It also can be utilized with success as a hypergolic fuel oxidizer combination and in such systems it would be highly desirable for virtually any high energydensity applications such as small but powerful gas generating systems, attitude control motors (hybrid ones for example), or main propulsion systems. These systems would be implemented on platforms ranging from guided bombs to replacement of environmentally unfriendly existing systems to manned space vehicles. Besides, hydrogen peroxide is a currently used as a storable, acceptable propellant which is finding use in various emerging systems, not only in propulsion technologies