Serge77 - Моя ракетная мастерская - Бессопловый двигатель

БЕССОПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ

немного теории и мои результаты

Бессопловые двигатели используются в промышленности и хорошо описаны в литературе.
Глава "Бессопловые двигатели" из книги "Ракетные двигатели на химическом топливе", И.Тимнат, 1990г.

Цитата из этой главы: "Несколько более низкая эксплуатационная эффективность бессоплового двигателя во многих случаях может быть компенсирована заполнением объёма, ранее занятого сопловым блоком, дополнительным количеством топлива. РДТТ такой конструкции, отличающейся повышенной относительной массой топлива, как правило, позволяет обеспечить такое же приращение скорости полёта ракеты, как и в случае значительно большего по размерам двигателя той же тяги в сопловом исполнении."

Статья "Internal Ballistics Considerations of Nozzleless Rocket Motors", Journal of Propulsion and Power, 1999.

Основная идея, подтверждённая экспериментом и расчётами: скорость горения топлива примерно одинакова по всей длине канала, потому что ускорение горения за счёт эрозии возле сопла компенсируется ускорением горения в головной части за счёт гораздо более высокого, чем возле сопла, давления.

Бессопловики очень подходят для любителей, благодаря простоте изготовления и достаточно высоким характеристикам.
Плюсы бессопловика:
- простота изготовления
- высокое массовое совершенство
- высокая надёжность
- беспроблемное воспламенение и быстрый выход на режим из-за простой формы канала
- немного менее опасные последствия взрыва

Однако ещё 10-15 лет назад практически никто их не делал, пожалуй единственный пример - ракеты калибром 75 и 125 мм на бессопловых перхлоратных двигателях. Более компактные версии видео можно взять здесь: 75 мм, 125 мм. О карамельных бессопловиках не было никакой доступной информации, поэтому я начал их изучать. Карамельное топливо особенно подходит для бессопловиков, потому что оно стабильно горит при любом давлении, в отличие от топлив на полимерной связке. Второй важный нюанс - это топливо очень жёсткое, а значит всё давление в двигателе держит само топливо, прочность корпуса практически не имеет значения, он может быть тонким и лёгким. Поэтому очень важной становится прочность самого топлива. Я измерял прочность разных карамельных топлив, самым прочным оказалось топливо KNO3-сорбит, на нём я и делал большинство двигателей.
Конструкция двигателя может быть двух типов - с инертной заглушкой (верхняя на рисунке) и с заглушкой из топлива (нижняя на рисунке). Я делал оба типа, они работают.

Первые опыты были сделаны в 2004-2005 году, они были неудачными из-за неправильного воспламенения. Я использовал ВВС-1, протянутый по всему каналу, как я делал в сопловых двигателях. Однако здесь этот вкладыш очень быстро выбрасывался из канала своими же газами, из-за чего топливо загоралось только на выходе из канала. При использовании обычного воспламенителя часто происходило то же самое, потому что для сорбитовой карамели требуется достаточно мощный воспламениетль и он тоже вылетал из канала. Первый испытанный двигатель имел калибр 38 мм и длину канала 340 мм, он горел на стенде 90 секунд, не дав конечно никакой тяги. Потом я стал запрессовывать в вершину канала таблетку из состава KNO3-C (80-20) и все проблемы исчезли.

Первое удачное испытание:
http://serge77-rocketry.net/nozzleless/nozzleless.htm
Двигатель с инертной заглушкой, изготовлен методом прессования, который я уже давно использую для изготовления топливных шашек. Этот двигатель имеет небольшое удлинение, L/D=6 (отношение длины канала к наружному диаметру топлива), поэтому УИ невысокий, всего 50 с.

После этого были испытаны другие калибры, топлива и методы изготовления:
http://serge77-rocketry.net/nozzleless2/nozzleless2.htm
http://serge77-rocketry.net/nozzleless3/nozzleless3.htm
http://serge77-rocketry.net/nozzleless4/nozzleless4.htm
http://serge77-rocketry.net/nozzleless5/nozzleless5.htm
http://serge77-rocketry.net/nozzleless6/nozzleless6.htm
Последний метод изготовления получился самый простой и удобный.

Новые испытания двигателей калибра 33 и 56 мм:
https://www.facebook.com/serge.pipko.5/posts/440478766695674
https://www.facebook.com/serge.pipko.5/posts/450824292327788
https://www.facebook.com/serge.pipko.5/posts/480370956039788

После моих опытов бессопловики стали широко и успешно использоваться, например наша Киевская ракетная группа почти все свои ракеты запускает на таких двигателях.
Полученные данные позволяют сравнить эффективность бессопловых и сопловых двигателей.
Бумажные и пластиковые сопловые двигатели, работающие на низком давлении, дают тот же УИ, но имеют больший вес и сложнее в изготовлении, поэтому полностью проигрывают бессопловикам.
Металлические сопловые двигатели имеют больший УИ, но при равном весе дают тот же или только немного больший суммарный импульс за счёт тяжёлого корпуса, т.е. выигрыша нет или он совсем небольшой.
Только высокотехнологические стекло/углепластиковые или алюминиевые двигатели с правильным соплом, работающие на высоком давлении, заметно выигрывают.
Поэтому советую всем начинающим, и не только - используйте бессопловики!))

Анализ стендовых данных

Типичный профиль тяги бессоплового двигателя выглядит так:

Видно, что при правильном воспламенении двигатель быстро выходит на режим и быстро сходит с режима, профиль тяги прогрессивный.
В этой таблице собраны данные большинства испытанных двигателей:

Здесь есть разные топлива, но скорость их горения примерно одинакова. Есть и разные конструкции - с инертной заглушкой и заглушкой из топлива. Но всё равно хорошо видно, что зависимость начальной тяги от длины канала хорошо укладывается в квадратичную зависимость, как и должно быть. По уравнению на графике можно расчитать тягу вновь проектируемого двигателя.

Также хорошо видна зависимость удельного импульса от удлинения двигателя:

На основе полученных данных разработана программа для проектирования бессопловых двигателей: nozzleless.xls
Она позволяет расчитать начальную и конечную тягу, время работы, суммарный и удельный импульс двигателя. Расчётные данные хорошо совпадают с практически измеренными параметрами.

Рекомендации

1. Карамельное топливо очень жёсткое, а значит всё давление в двигателе держит само топливо, прочность корпуса практически не имеет значения, он может быть тонким и лёгким. Поэтому очень важной становится прочность самого топлива. Я измерял прочность разных карамельных топлив, самым прочным оказалось топливо KNO3-сорбит, на нём я и рекомендую делать двигатели.

2. Предпочтительным является двигатель не с инертной заглушкой, а с заглушкой из топлива. Длина заглушки должна быть равна или больше наружного диаметра топливной шашки:

3. Диаметр канала равен 1/3 от наружного диаметра топливной шашки или немного больше, d = D/3

4. Длина канала составляет от 10 до 12 наружных диаметров топливной шашки L/D = 10...12. Чем длиннее канал (при неизменных других размерах), тем больше давление в двигателе, а значит есть предел удлинения, за которым двигатель не выдержит давления. В моих тестах один двигатель с удлинением 14 отработал успешно, а другой лопнул. Видимо L/D=14 можно считать пределом, к которому не нужно приближаться.

5. Обычный воспламенитель не обеспечивает надёжное воспламенение бессоплового двигателя. Под действием своих газов воспламенитель вылетает из канала, часто поджигая топливо в середине или в конце канала. Если вы получили профиль тяги, отличающийся от показанного выше, значит у вас проблемы с воспламенением. Поэтому в вершину канала необходимо запрессовывать вторичный воспламенительный состав, длина состава равна диаметру канала. Я использую состав KNO3-C 80-20, изготовленный методом упаривания водного раствора.

6. Бессопловые двигатели просты в изготовлении, надёжны в использовании и более безопасны, чем сопловые двигатели. Рекомендую!

Обсуждение на форуме.

18.11.2007 - 24.10.2017 - 16.10.2020 Serge77