Polskie Towarzystwo Rakietowe - Amatorskie Konstrukcje Rakiet

CD AMATORSKIE SILNIKI HYBRYDOWE.
Wtryski.
Bardzo ważnym elementem silnika jest wtrysk.Ustala on wydatek N2O a od jego średnicy zależy ciąg silnika.Może być
jednocześnie "zaworem" otwierającym przepływ utleniacza.Najczęściej stosowane są wtryski proste/jeden otwór/
umieszczone centrycznie w osi kanału paliwa.Mogą być używane wtryski wielopunktowe.Stosunek przekroju dyszy do przekroju wtrysku D/W decyduje o stabilności pracy silnika.Używane przez nas dysze miały średnice 8-12,5mm wtryski
2-5mm co daje D/W 6,25-16.
Do uruchomienia silnika trzeba najpierw zapalić w KS podpałkę z piromasy przy pomocy zapłonnika.Kiedy jeszcze pali się
piromasa lub ziarno należy otworzyć/lub zrobi to pirozawór/przepływ N2O.
Zapłon silnika można wykonać 3 sposobami:
1.Przez zdalnie sterowany zawór kulowy/nadaje się do dużych silników,jest duży,ciężki i skomplikowany/.Najpierw
uruchamiamy podpałkę a potem zawór,potrzebne są 2 operacje.
2.Przez przepalenie zaślepionej rurki poliamidowej PA otoczonej piromasą.Działa z opóżnieniem od zapłonnika/tylko 1 operacja/.Układ zmontowany z gotowych elementów/króćców na węże PA fi6/4;5/3 i 4/2mm zakończonych gwintem GZ1/4"
lub M5.Daje to średnice wtrysków 3,3;2 i 1,5mm.Ma długość 40-50mm i zajmuje
trochę miejsca w kanale.Można stosować
zaślepki fabryczne/pomarańczowe/lub wykonać samodzielnie przy pomocy palnika co wymaga trochę wprawy.
Do przepalenia zaślepki potrzeba trochę czasu i temperatury.Na LRE X.2019 moja rakieta,ktora miała lecieć na 5km spadła
z wyrzutni/brak zapłonu silnika/a rakieta Przemka z takim samym układem wystartowała normalnie.
3.Przez przepalenie piromasy zamykającej otwór wtryskowy/tzw.pirozawór/działa z opóżnieniem/1 operacja/ od
zapłonnika własnej roboty ośrednicy do 3mm/trzeba zastosować stożek prowadzący do małego kanału zapłonowego 3x10mm.Fabryczne zaplonniki są za duże fi4-5mm.Można stosować korki zaślepiające z GZ1/4" dlugości 15mm ze stali
nierdzewnej jako 2-częściowe lub zrobic z mosiądzu jako 1-częściowe o zawartości ok.1,5g piromasy.Są najmniejsze i najprostsze.Szczegóły na rysunku i na zdjęciach.
Wtryski 2 i 3 można stosować zamiennie używając redukcji.
Rysunek: Zdjęcie: Zdjęcie: Zdjęcie: CDN.

CD AMATORSKIE SILNIKI HYBRYDOWE.

Wtryski.
Na rys.widać linię przerywaną oznaczającą powierzchnię piromasy w momencie otwarcia otworu wtryskowego.Wynika z niej,że piromasa w momencie wtrysku jeszcze się pali i "doenergetyzowuje"ułamek sekundy podtlenek/wydaje się,że N2O
powinno ugasić płomień ale po pracy wtrysk jest pusty,oprócz nagaru/.
Na ostatnim zdjęciu widać wtryski nierdzewne,które mają gwinty fabryczne stożkowe /mogą się płytko wkręcać/dlatego
przerobiłem je na walcowe.Śrubki we wtryskach mosiężnych /M2,5;3 i 4/zabezpieczają otwory przed napełnieniem ich
masą piro.
Wtryski wkręcamy 2 obroty potem smarujemy wystający gwint silikonem i wkręcamy do końca.Resztę silikonu ścieramy.
Ma to na celu ochronę otworu wtryskowego przed silikonem.

CDN.

CD AMATORSKIE SILNIKI HYBRYDOWE.
Ziarna.
Na zdjęciu przedstawione są różne ziarna wykonane przeze mnie. Od lewej:
1.Fi38x200 klej na gorąco EVA+parafina 80/20%;
2.Fi25x200 rurka PP wewn.może być nawiercona 60 otworami fi2,5 sklejone palnikiem;
3.Fi22/10x100 wiskoza/poliester +soudal+parafina;
4.Fi30/10x120 taśma PU/poliester + soudal 52/48%/CL62/;
5.Fi37x151 drewno bukowe bez dodatków;
6.Fi26/10x150 żółte wiskoza/PP + soudal 14,6/85,4%;
7.Fi30/15x200 jasnożółte włóknina poliestrowa + soudal 24/76%;
8.Fi38/15x150 pomarańczowe wiskoza/poliester + Ż358 + parafina;
9.Fi21/8x100 białe LDPE + parafina 54,5/45,5%;
10.Fi20/11x100 popielate PP klejone palnikem;
11.Fi337,5/12x110 ciemnobrązowe papier malarski + parafina 55/45%;
12.Fi27/10x100 białe żywica L285 + parafina 40/60%;
13.Fi37/10x110 drewno bukowe + parafina 75/25%;
14.Fi31/8x100 żywica L285 +parafina 40/60%.

CDN.

CD AMATORSKIE SILNIKI HYBRYDOWE.
Ziarna.
Stosunek utleniacza do paliwa U/P(O/F) zależy od rodzaju paliwa /wg Kermita str.6 Hybrydy by Pomorze/:

węglowodory,parafiny,paki,smoły - 88,7/11,3%;
węgiel czysty - 84,6/15,4%;
węglowodany,celuloza - 69,8/30,2%.
Podobnie różnią się impulsy właściwe Iw /wg str.2 Hybrydy by Ksard/:
guma - 166 PCV - 180 papier/celuloza - 183 PE - 195 PMM - 196 PB - 205 HTPB - 210
Ziarna mogą być jednorodne: PE,PP,parafina,wosk PE/WPE/,PE/PP + parafina/WPE,EVA +parafina,PA,PB,PCV,HTPB itp. lub
niejednorodne dwu/wieloskładnikowe: drewno + parafina;ŻEpox. + parafina;papier + parafina;wiskoza/poliester + ŻEpox.
+ parafina.Część paliw /ziaren/jest topliwa:parafina,WPE,termoplasty.Inne paliwa nie topią się a tylko spalają:drewno,
żywica epoksydowa,papier,PB,HTPB.Przekonałem się,że niektóre materiały nie nadają się na ziarna bo nie chcą się palić
np.węże do paliw i olejów z Fagumitu /i słusznie/oraz rury papierowo-fenolowe/chociaż pasują do KS.
Nie zawsze można znależć gotowy materiał na ziarno o wymaganych wymiarach i składzie dlatego istnieje potrzeba
wytoczyć je z litego materiału albo odlać ziarno ze składników płynnych/topliwych/oraz rozdrobnionych/trociny,granulki,
proszek,włókna/.Można też zwinąć i skleić ziarno z takich materiałów jak papier,włóknina.
Ja preferuję ziarna mieszane z materiałów nietopliwych jak drewno,wiskoza,papier jako szkielet nasączonych stopioną parafiną/WPE albo mieszaniną sypkiej parafiny/WPE z żywicą epoksydową gdzie każde ziarenko otoczone jest cienką
warstwą nietopliwej żywicy.Takie mieszaniny dają mniejszą lub większą prędkość spalania i pozwalają zbliżyć się do
stechiometrii z utleniaczem.Nie można robić ziaren z parafiny i cienkiej włókniny wiskozowo-poliestrowej zwiniętej w rulon
bo po stpieniu parafiny stają się miękkie a strumień gazów może je wcisnąć jak tłok w dyszę,zatkać kanał i spowodować
przepalenie KS czyli CATO.Wtakim wypadku należy włókninę zwijać nasączając ją rzadką żywicą epoksydową żeby
włóknina + żywica stanowiła do 50% masy ziarna.Dodatkowo czoła rulonu trzeba nasączyć gęstą żywicą dla wzmocnienia
termicznego.
Trzeba też zwrócić uwagę,że ziarno musi mieć odpowiednią masę i wielkość żeby wystarczyło z zapasem do końca pracy silnika.Nie mogą to być pianki ani słabo związane materiały rozdrobnione.Ziarna o średnicy mniejszej od KS można owinąć
papierem nasączonym parafiną.
Dla paliw polimerowych prędkość spalania nie zależy od ciśnienia w KS.Można stosować dodatki do paliwa w celu
zwiększenia prędkości spalania/utleniacz do kilkunastu%,proszek glinu/magnezu/ale powoduje to zależność prędkości
spalania od ciśnienia.Dodatek 3% sadzy zwiększa prędkość spalania ale nie zależy ona od ciśnienia.
Można stosować też katalizatory,plastyfikatory i stabilizatory.

CDN.

CD AMATORSKIE SILNIKI HYBRYDOWE.
Ziarno drewniane.
Na FM2017 wystrzeliłem rakietę fi62x1380g z silnikiem H340Ns/opisywanym w projekcie/na ziarnie sosnowym i z eksperymentalną dyszą porcelitową.Rakieta wystartowała dynamicznie ale na skutek erozji dyszy zaczęła kręcić ciasną
spiralę do zakończenia pracy silnika a potem prosto.Mimo spirali Arecorder pokazał wysokość z ciśnienia 907m a z przyśpieszenia 1229m.Bardzo możliwe,że bez młynka osiągnełaby tą większą wysokość czyli ziarno sosnowe sprawiło się bardzo dobrze.Druga rakieta/LRE IV.2019/ z silnikiem H1000Ns na ziarnie bukowym z parafiną 17% wystartowała wolno jak
kobra ale silnik pracował 2 razy dłużej niż przewidywałem/najprawdopodobniej wtrysk nie otworzył się całkowicie/.
Niestety GPS tracker nie odezwał się i utraciłem model więc trudno powiedzieć co bylo przyczyną anemii.
Usiłowałem nasączyć parafiną ziarno sosnowe ale się nie dało.Natomiast ziarna bukowe/jeżeli nie są nasączone pokostem/
można nasączać nawet do 30% zawartości parafiny.Na łażni wodnej w pojemniku PP po wkładzie znicza stopiłem parafinę
ze znicza zaolejoną do ok.6%/lepiej dać bezolejową bo ziarno się póżniej nie poci/i wsadziłem wałek bukowy fi37/10x110mm
przyciskając go drutem/bo pływał/zanurzyłem go całkowicie.Wałek zaczął intensywnie gazować/dużo drobnych pęcherzyków/.Tempertura parafiny wahała się od 88 do 93st.C.Po jakimś czasie wałek osiadł na dnie i nie trzeba go było
dociskać.Po 1h wyłączyłem kuchenkę a wałek pozostawiłem w parafinie do zastygnięcia.Gdyby wałek wyjąć na gorąco po 1h
to zawierałby tylko ok.połowy parafiny.Wyższa temperatura 110st.C/łażnia olejowa/pozwoliłaby jeszcze odparować
wilgoć z drewna.Ziarno po łażni wodnej wsadzone z pojemnikiem do pompy próżniowej przy obniżaniu ciśnienia zaczyna intensywnie gazować i trzeba cyklicznie wyłączać pompę żeby parafina nie wykipiała.Kiedy ziarno odgazuje wyłączany
podciśnienie i pozostawiamy wałek w parafinie do ostygnięcia.
Przy tej samej objętości wałka jego masa wzrasta czyli rośnie też jego gęstość od 0,73 do 0,97g/cm3/więcej paliwa w KS.Wałek można też nasączyć wodnym roztworem soli /150gH2O+75gAN/ przez 1h co jednak powoduje pęcznienie
wałka i pozostaje po wyschnięciu.Dodatkowo po wysuszeniu wałka nasączyłem go jeszcze parafiną.Ale taki wałek
chłonie wilgoć czego nie powoduje sama parafina.W wałku o masie końcowej 106,3g dało się "umieścić" 12,51gAN tj.11,76%
i 18,4g parafiny tj.17,3%.Razem daje to 30,91g czyli 29,06%.
Tabelki:
CDN.

CD AMATORSKIE SILNIKI HYBRYDOWE.
Ziarno.
Nie udało mi się zebrać informacji na temat palności różnych gatunków drewna/może jeszcze coś znajdę/.
Ogrzewanie drewna do 105st.C powoduje usuwanie wilgoci.W temp.ok.275st.C rozpoczyna się rozkład drewna z wydzielaniem znacznych ilości ciepła.Zapalenie drewna może nastąpić w temp.210-350st.C a samozapłon w temp.310-450st.C.Drewno o gęstości do 0,65g/cm3 zaliczane jest do materiałów łatwo zapalnych /czyli zależy od gatunku/ a jego
zapalność zależy również od wilgotności.Przy wilgotności powyżej 30% drewno uważane jest za niepalne.
Do określenia palności różnych materiałów stosuje się tzw.wskażnik tlenowy/OI,LOI/,który oznacza procentową zawartość tlenu w mieszaninie z azotem,przy której podtrzymywane jest palenie.LOI-Limiting Oxygen Index.
Materiały łatwopalne mają LOI<21 /21 to zawartość tlenu w powietrzu/.
Materiały palne mają LOI=21-28. Materiały trudnopalne/samogasnące/ mają LOI>28.
Parafina:Tt 45-60st.C Tw 370st.C Tzapł. 180-216st.C d-0,9g/cm3
Wosk polietylenowy/WPE/: Tt 94-100st.C
Polietylen/PE/:LDPE d-0,91-0,93g/cm3 Tt~110st.C Tzapł.337st.C LOI 17,4
HDPE d-0,94-0,96g/cm3 Tt~132st.C
Polipropylen/PP/: d-0,9g/cm3 Tt-165st.C LOI-17,4
Poliamid,nylon/PA/: PA11 Tt-194st.C PA6.10 Tt-210st.C PA6 Tt-215st.C PA6.6 Tt255st.C Tzapł.-386st.C
Żywica Epox.utwardzona: LOI-19,8 Tzapł.-399st.C
Laminat poliestrowy: d-1,5g/cm3 LOI-20,5
Polietylenu teraftalan/PET/: Tt-225st.C
Polichlorek winylu/PCV/: Tzapł.-384st.C LOI-45/samogasnący/
Teflon/PTFE/: Tt-327st.C LOI-95
A tu jeszcze wskażnik tlenowy różnych materiałów: drewno 22,4-24,6; bawełna 18-19; włókno wiskozowe 19-20;
włókna PA 23; włókna poliestrowe 21; tektura 24,7.
CDN.

CD AMATORSKIE SILNIKI HYBRYDOWE.
Uszczelnienia.
Stałe uszczelnienia to takie,których nie musimy zmieniać w trakcie eksploatacji jak oring wtyku szybkozłącza do tankowania.Uszczelnienia jednorazowe wymieniamy po każdym starcie:uszczelnienie wtrysku/silikon/;uszczelnienie
połączenia zbiornika i KS/silikon/;uszczelnienie ziarna z góry i z dołu/silikon/;uszczelnienie połączeń gwintowanych w
silnikach z wewnętrzną KS/oringi i silikon/.Oringi też mogą się zdeformować od temperatury.Silikon potrzebuje czasu zanim
się utwardzi/ok.48h/.Łoże silnika uszczelnione jest żywicą/klejem i wentylowane przy pomocy otworów żeby ulatniający
się N2O nie spowodował rozdzielenia rakiety lub zniszczeń przy odpaleniu spadochronu.Szczelność pirozaworu sprawdzamy przed wkręceniem go do silnika/zbiornika a po wkręceniu szczelność silnika /zbiornika.Po uszczelnieniu,skręceniu
silnika i utwardzeniu silikonu sprawdzamy:wtyk szybkozłącza,odpowietrznik i przedmuch ze zbiornika do KS.Do kontroli
używamy kompresora i wody z ludwikiem zwilżając nią kontrolowane miejsca.Przedmuch ze zbiornika do KS sprawdzamy
stawiając silnik dyszą na zwilżonej płaskiej powierzchni.Nie powinno być żadnych pęcherzyków.Można też napompować
zbiornik powietrzem i pozostawic na kilka dni a potem zobaczyć czy nie uleciało powietrze.Nieszczelności należy usunąć.
Wyniki kontroli zapisać w notatniku i na taśmie naklejonej na silniku z datą.
CDN.

CD AMATORSKIE SILNIKI HYBRYDOWE.
Tankowanie.
Do tankowania używamy:trójnóg h-ok.1m;butla na 7kg N2O;pierścień gwintowany z przyspawanymi 2 nakrętkami M16 do
wkręcenia 2 śrub M16,które stanowią oś do obracania butli do góry dnem;manometr 100bar;wąż PA 8/6 dł.1,5m z szybkozłaczami i zaworem;waga wędkarska;waga kuchenna 5kg/1g;sznurek do zawieszania silnika.
Jak było.Wieszaliśmy zbiornik/silnik na wadze wędkarskiej 40kg/5g na sznurku połączony wężem z butlą;napełnialiśmy wąż
ciekłym podtlenkiem;włączaliśmy wagę wędkarską i tarowaliśmy ją;otwieraliśmy zawór węża i obserwowaliśmy wagę,która
czasem się wyłączała lub zerowała;trzeba było uważać na silnik żeby się nie zsunął ze sznurka; obserwować i korygować
wskazania wagi;po napełnieniu zamknąć odpowietrznik i zawór węża;odłączyć zbiornik/silnik od węża przez rozłączenie
szybkozłącza;ponowne zważenie na wadze kuchennej 5kg/1g.Czasem wskazania wagi były dokładne czasem nie.
Zrezygnowaliśmy z szybkozłączy DN7,2 bo trzeba je było rozłączać przy pomocy dzwigni i trzymać końcówkę węża żeby nie zrobiła krzywdy.Tankowanie zbiorników/nawet małych/ bez odpowietrznik

ów z szbkozłączami DN2,7 trwało ok.1h.Po
wprowadzeniu odpowietrzników tankowanie skróciło się do minut.Szybkozłącza DN2,7 są delikatne i podatne na uszkodzenia.Na ostatnim LRE Robert podpowiedział nam jak uprościć procedurę tankowania bez ważenia silnika. 2 zbiorniki
0,9 i1,0kg tankowaliśmy na ziemi bardzo krótko.Oba silniki miały ponad 1m długości.Przemek tankował swój silnik przez
mini zawór kulowy a ja przez szybkozłącze DN5 dwustronnie odcinające bardziej solidne i można je rozłączać ręcznie.
Po napełnieniu ważenie pokazało faktyczną masę podtlenku.Oba silniki miały odpowietrzniki otwarte podczas tankowania
a w razie potrzeby można nimi spuścić nadmiar podtlenku.Odpowietrznik może być z rurką lub bez.
Manometr pokazuje ciśnienie w zbiorniku,na podstawie którego można określić temperaturę i gęstość N2O.
Na zdjęciu pokazane jest wyposażenie do tankowania;do sprawdzenia szczelności wtrysków oraz złącza przejściowe. Na rysunku pokazany jest sposób tankowania przy ukośnym ustawieniu silnika. Taki sposób tankowania daje gwarancję,że objętościowo podtlenku nie będzie za mało ani za dużo ale masa podtlenku
może być różna w zależności od temperatury dlatego po tankowaniu trzeba zważyć silnik.Dla przykładu butla po nocy
ma 10st.C gęstość N2O 0,8535g/cm3 a w temp.20st.C 0,7866g/cm co daje różnicę mas 8,5%.
CDN.

CD AMATORSKIE SILNIKI HYBRYDOWE.
Awarie silników.
Mieliśmy 3 awarie silników hybrydowych:
1.Test 019/szczegóły str.4 Silniki hybrydowe by Poznań/.Ziarno rura fenolowo-papierowa fi32/16x200.Przegroda krzyżowa
ze stalowych prętów fi3mm za wtryskiem W-5.Dysza Al D-12,5 osłonięta krążkiem fenolowo-papierowym f32/11x1,7mm.
D/W-4,84.Ciśnienie w zbiorniku 58bar.Zapłon dobry,pochodnia,czarny dym z dyszy i zaraz zbiornik stalowy wylądował na
drzewie.Wąż gumowy doprowadzający N2O do KS stał się ziarnem i po przepaleniu odleciał ze zbiornikiem.Przypuszczałem,
że winna była stalowa przegroda ale teraz dochodzę do wniosku,że to także wina krążka fenolowego i mały stosunek D/W.
2.Test 037/str.4 Silniki hybryd.../.Ziarno rulon z włókniny wiskozowo-poliestrowej nasączonej parafiną 68,5%
fi32/15x250x134,9g.D-12,5;W-5.Zapłon dobry ciąg max.650N.Po 0,65s zmiękczone ziarno zepchnięte na dół zatkało dyszę.
Ogień przeniósł się do gumowego węża a w KS wypalona dziura o średnicy ok.20mm.Włóknina nie była nasączona/sklejona/
żywicą.
3.Test 048/str.5..../Próba wtrysku wielopunktowego 6xfi1,5mm z mosiądzu.Ziarno PP fi 32/20x200 x84,11g.Wszystkie
kanały otworów spotykały się w jednym miejscu.Zapłon przez 2 otwory fi1,5mm/cienki lont silikonowy/.W trakcie
palenia się piromasy otwory wtryskowe zarastają nagarem a płomień dostał się do zbiornika N2O i nastąpiło jego
rozerwanie.Było to największe CATO silnika.Zniszczony został także tensometr.
4.Test 050/str.5 jw./Ziarno tapeta szklana/zażywicowane czoła/fi32/18x200x34,56g+70,59g /tj.67,13%/parafiny.
D-10;W-4 D/W-6,25.W 3 klatce/filmu/od startu widać jak zbiornik puchnie 25mm od dna.Przyczyna za mały stosunek
D/W dla parafiny,powinno być 16.

CDN.

CD AMATORSKIE SILNIKI HYBRYDOWE.
Zapłon.
Bez dobrego zapłonu żaden silnik nie poleci.Do tego celu można wykorzystać fabryczne zapłonniki o oporności ok.2omów
o średnicy główki 4,5-5,5mm,które powinny działać już od napięcia 1,2V ale wymagają dysz/otworów fi4,5-5,5mm.
Silniki hybrydowe wymagają rozgrzania/zapalenia ziarna przed startem.Same zapłonniki do tego nie wystarczą,potrzebna
jest dodatkowa masa podpałkowa na rurce PA lub w pirozaworze.Czasem potrzebna jest dodatkowa masa/pcz bo zapłonniki
fabryczne działają
b.szybko/trzask/ i nie dają ognia zwłaszcza przy wyższym napięciu może nie dojść do zapłonu.Energia inicjacji
zapłonników fabrycznych do celów przemysłowych wynosi ok.3mWs.Jest to energia kondensatora 47uF przy 12V.
Ec=UxUxC/2 napięcie w [V];pojemność w [F];energia kondensatora w [Ws].
Zapłonnik musi mieć trochę luzu w otworze zapłonowym żeby go nie wyrzuciło i nie można go oblepiać szczelnie piromasą.
Od początku prób z silnikami hybrydowymi używałem własnych zapłonników ze skręconych przewodów CuSn 0,5 o średnicy
główki do 3mm.Trudno było trafić w otwór pirozaworu z kanału 15mm. Po trafieniu pirozawór dawał zwłokę ok.2s/po
włożeniu w otwór lontu silikonowego w kształcie litery alfa zwłoka rosła do 5s/.Problem trafiania w 3mm otwór rozwiąże
drewniany/PU stożek naprowadzający zaraz za wtryskiem.
CDN.