Modelarskie silniki na paliwo ciekłe

[DGTF]

Cześć wszystkim!
Od dosyć dawna kierują niedużą, lokalną grupą naukowo-techniczną. Naszą działalność zaczynaliśmy jeszcze w ostatnich klasach szkoły podstawowej, a obecnie jesteśmy studentami i maturzystami z licznymi stypendiami. Od samego praktycznie początku naszą największą pasją były silniki rakietowe na paliwo ciekłe na których skupialiśmy naszą działalność. Niedawno postanowiliśmy, że nie chcemy się rozstawać z tym tematem i chcielibyśmy związać z nim naszą przyszłość. Oczywiście budowa dużych konstrukcji tego typu wyposażonych we własne pompy czy umożliwiających wykorzystywanie kriogenicznych materiałów pędnych to raczej jest "nie najlepszy" pomysł na rozpoczęcie działalności przez niedużą firmę z ograniczonym budżetem. Nie chcemy jednak całkowicie porzucać swoich dużych ambicji i planujemy zacząć swoje działania od sektora modelarskiego, stąd nasze pytanie:

Czy wśród modelarzy byłoby jakiekolwiek zainteresowanie małymi, komercyjnymi silnikami rakietowymi na paliwo ciekłe?

Zdajemy sobie sprawę, że montaż takiego silnika w rakiecie wiąże się z zabraniem zbiorników na paliwo oraz utleniacz w formie płynnej co sprawia, że taki pojazd jest cięższy, ale chcieliśmy się zorientować czy może ktoś siedzący w temacie rakiet dużej mocy albo bardziej skomplikowanych konstrukcji byłby może zainteresowany użyciem takiego napędu.

Szczególnie interesują nas propozycje trzech rzeczy od osób, które byłyby zainteresowane takimi silnikami - maksymalna waga takiego napędu, generowany ciąg i cena jaka nie byłaby dla pojedynczego rakietowca lub zespołu zbyt duża. Dzięki temu może udałoby się zaprojektować i zbudować najbardziej możliwie uniwersalny i optymalny napęd.

Z chęcią przeczytamy też od przeciwników takiego rozwiązania o wadach takich silników w sektorze amatorskim.

Na koniec chciałbym tylko dodać, że ten post nie jest absolutnie żadną ofertą sprzedaży ani niczym takim tylko luźnym zapytaniem by poznać opinię osób, których ten temat najbardziej dotyczy.

[placydo]

Hej!
Z tego co piszesz działacie już od dłuższego czasu. Mógłbyś się pochwalić jakimiś efektami Waszej współpracy (skupialiście się na silnikach na paliwo ciekłe)?

[DGTF]

Pewnie! Silnikami na paliwo ciekłe zajmowaliśmy od początku praktycznie, jednak na wcześniejszych etapach prowadziliśmy głównie prace teoretyczne (zbieraliśmy wiedzę, projektowaliśmy wszystko "na kartkach" itd). Jako grupa robiliśmy głównie takie szkolne projekty jak ogniwo paliwowe własnej roboty czy reaktor pirolityczny do pirolizy tworzyw sztucznych więc nasza działalność nie była związana tylko z silnikami. W między czasie bawiliśmy się również w silniki na paliwo stałe, jednak to bardziej już nie jako grupa a indywidualne osoby. Jeśli chodzi o napędy ciekłe to takie już typowo praktyczne pracę rozpoczęliśmy ok. 2 lata temu. Chyba pierwszym krokiem jaki podjęliśmy wtedy było wymodelowanie i wydrukowanie wtrysku materiałów pędnych typu coaxial swirl injector (w tle jeszcze jest wirnik do pompy etanolu ale ten projekt porzuciliśmy).

348356278_1660852761108813_665855913946585347_n.jpg (115.37 KiB) Przejrzano 3941 razy

Celem jego wydrukowania było zrobienie testów z wodą i potwierdzenie słuszności naszych wcześniejszych obliczeń. Z biegiem czasu zmieniliśmy go jednak na wtrysk typu pintle injector, między sobą używamy po prostu spolszczonej nazwy wtrysk czopowy. Powodem tego było to, że robienie takiego wtrysku z metalu było dużo mniej problematyczne niż tych pierwszych. Pierwszym prototypem który kiedykolwiek poczuł w swoim wnętrzu płomień było takie trochę dziwadło które nazwaliśmy EP-1. Działał on na gazowy tlen i alkohol etylowy. Jego celem nie było generować jakiegoś większego ciągu, a tylko doprowadzić do pierwszego udanego zapłonu i podtrzymania stabilnego spalania przez parę sekund (udało się to na 3,2 sekundy z czego może uda mi się wygrzebać jeszcze filmik, jak tak to wrzucę go tu za niedługo). Był on bardzo duży i ciężki, a spowodowane było to tym że jak widać na zdjęciu nasz budżet wtedy jako młodych osób był bardzo ograniczony i przewody którymi doprowadzane były materiały pędne to były zwykle węże do wody więc nie mogliśmy sobie pozwolić na żadne wysokie ciśnienia gdziekolwiek. EP-1:

348356498_953664279240648_4655043801351162785_n.jpg (68.51 KiB) Przejrzano 3941 razy

Przez następny rok zajmowaliśmy się głównie zrobieniem wtrysku czopowego który pozwoli na idealne zmieszanie i rozpylenie materiałów pędnych. Doprowadziło nas to do zrobienia kolejnego prototypu malutkiego silnika który miał generować już większy ciąg, jednak w trakcie produkcji popełniliśmy fatalny błąd bo prototyp nie był skręcany tylko spawany. Problemem było tutaj to, że korpus wtrysku został wykonany ze stali nierdzewnej natomiast silnik ze zwykłej co ostatecznie skończyło się popękaniem spoin. W pewnym momencie udało nam się naszą pracą zyskać trochę uznania i pozdobywaliśmy różne stypendia a także bardzo duży grant Fundacji Nauka. To Lubię. Tak duże wsparcie z wielu stron umożliwiło nam ok. rok temu podjęcia się budowy naszego najnowszego silnika na paliwo ciekłe, którym chcemy pobić rekord silnika Zawisza z AGH pod względem generowanego ciągu (i zdecydowanie nie nadaje się do zastosowań modelarskich bo jak na warunki amatorskie jest gigantyczny). Do jego budowy wykorzystaliśmy wtrysk czopowy bo mieliśmy już duże doświadczenie z projektowaniem takich. Tutaj zdjęcie takiego wtrysku w trakcie obróbki (nie był on tu jeszcze skończony, końcówka czopu została na koniec zaokrąglona):

348356573_1044967996471652_8020904369505668370_n.jpg (217.79 KiB) Przejrzano 3941 razy

348354734_898998541169246_3456142480473510232_n.jpg (435.97 KiB) Przejrzano 3941 razy

Natomiast całe to monstrum prezentuje się tak:

348355285_1621213301693981_5707065426491977997_n.jpg (290.38 KiB) Przejrzano 3941 razy

Docelowo ma generować 2,3kN ciągu, zasilany jest etanolem o stężeniu 85% i podtlenkiem azotu. Ich przepływ sterowany jest elektrozaworami. Cała konstrukcja wykonana jest ze stali i ostatecznie przygotowywana jest na test statyczny mający trwać 3 sekundy, a ciśnienie w komorze spalania ma wynieść 10 bar. Pierwsza próba jego zapłonu odbyła się w ostatni poniedziałek, jednak zapalnik nie zaskoczył i silnik oprócz zrobienia przed sobą kałuży z etanolu nic efektownego nie zrobił. Następną próbę planujemy w następny poniedziałek bo chcemy uzupełnić nasz zapas podtlenku. Dla zainteresowanych wtedy wrzucę tutaj filmik bo przygotowaliśmy na ten test aż dwie kamery i dwa telefony którymi chcemy udokumentować zapłon.
Oczywiście to tak trochę poza tematem bo takie dostępne komercyjnie silniczki modelarskie jakie chcielibyśmy robić raczej nie miałyby za dużo wspólnego z tym szczególnie pod względem używanych materiałów, wielkości i wyglądu.

[AdrianOZW]

Robi wrażenie. Ciekawe ile jeszcze takich diamentów się w Polsce ukrywa.
Pamiętajcie, że "chciejstwo" grona modelarzy to jedno, a ograniczenia prawne to drugie

[DGTF]

Orientowaliśmy się właśnie mniej więcej jak wyglądałoby to od strony prawnej, jednak sytuacja wydaje się znacznie, znacznie prostsza niż w przypadku silników na paliwo stałe, głównie przez to, że ciekłe nie zawierają w sobie żadnych materiałów pirotechnicznych. "Problemem" napędów na materiały ciekłe w przypadku zastosowań modelarskich byłoby to, że razem z nimi musimy zabrać większą masę, a co za tym idzie takie silniczki musiałby oferować większy ciąg. Oczywiście im większa moc silnika tym zazwyczaj gorsze skutki jego awarii, więc szczególną wagę należałoby tutaj przyłożyć do bezpieczeństwa takich konstrukcji podczas projektowania i produkcji.

[Bdabrowski]

Docelowo ma generować 2,3kN ciągu, zasilany jest etanolem o stężeniu 85% i podtlenkiem azotu. Ich przepływ sterowany jest elektrozaworami. Cała konstrukcja wykonana jest ze stali

Zajrzyjcie na stronę https://www.halfcatrocketry.com/, tam są opisane podobne konstrukcje i sposoby jak uniknąć dużej ilości sprzętu chociażby poprzez użycie N2O jako środka dającego ciśnienie do zbiornika paliwa. Tak samo komora w tak małym silniku może być zwykłym blokiem miedzi który pochłonie ciepło spalania przez te 3 sekundy. Dodatkowo w takim systemie można by się pokusić o tzw. monorurę co ułatwiłoby obsługę i upodobniło taki silnik do "hybryd" z którymi sporo osób tutaj ma doświadczenie. Chyba kiedyś amerykański Aercon robił takie liquidy do zastosowań amatorskich. I teraz jeszcze pytanie, czy podjęliście odpowiednie kroki w związku z pracą z podtlenkiem azotu? Wbrew pozorom nie jest on taki bezpieczny i przy nieodpowiednim obchodzeniu się z nim może nawet zdetonować.

[DGTF]

Ten silnik, który wcześniej wspomnieliśmy to taki trochę nasz "emerytalny" projekt bo chcemy nim zakończyć naszą działalność jako grupy młodzieżowej i zająć się już bardziej profesjonalną działalnością, z którą moglibyśmy wiązać naszą przyszłość. Wiemy, że nie jest on nawet zbliżony do ideału, ale na obecnym etapie już nic nie opłaca się w nim zmieniać. Jeśli chodzi o chłodzenie to jest on zbudowany z dosyć grubej blachy jak na stal, a w dodatku jego spalanie celowo jest bogate w paliwo co ogranicza temperaturę. Co do ciekłopaliwowców dostępnych do kupna to oczywiście zdajemy sobie sprawę, że istnieją jednak mają obecnie kilka problemów. Po pierwsze z dostępnością obecnie jest niezwykle ciężko, po drugie cena raczej często przekracza możliwości zwykłego modelarza, a po trzecie wszystkie tego typu napędy jakie osobiście widziałem były dosyć duże. My mamy nieco inną wizję takiego silniczka do zastosowań amatorskich i zaraz po bezpieczeństwie największy nacisk chcielibyśmy położyć na jak największą minimalizacje i ograniczenie wagi. W temacie podtlenku jak najbardziej zdajemy sobie sprawę z jakiego typu substancją mamy do czynienia i bez odpowiednich środków bezpieczeństwa nawet byśmy nie próbowali bawić się tak dużymi ilościami podtlenku jakie potrzebne są do pracy naszego silnika. W dodatku w ogóle myśląc o chęci projektowania jakiegoś modelarskiego silniczka podstawą raczej według nas jest jak największa wiedza na temat N2O, bo co łatwo wywnioskować po dłuższym obserwowaniu forum i poczynań rakietowców podtlenek jest zdecydowanym królem utleniaczy w formie nie stałej jeśli chodzi o PTR. Z tego też względu jeśli zabralibyśmy się za projektowanie napędu z myślą o polskich modelarzach to najrozsądniejszym rozwiązaniem byłoby oprzeć jego działanie o substancje, z którą mają oni już większe doświadczenie.

[DGTF]

I tak w ogóle dzięki za linka. Chyba nawet już wcześniej się otarliśmy o tą stronę bo jakoś kojarzy mi się sposób na wykorzystanie ciśnienia podtlenku do wtłaczania paliwa, i w mojej osobistej opinii jest on genialny, szczególnie jeśli chodzi o mniejsze konstrukcje.

[DGTF]

Cześć wszystkim! Po dłuższej przerwie uznaliśmy, że w celu doskonalenia własnych umiejętności zaprojektujemy i przygotujemy silniczek na paliwo ciekłe, który mógłby mieć sensowne zastosowanie w modelarstwie rakietowym. Skończyliśmy wstępny projekt i właśnie frezowane są pierwsze elementy na naszej małej frezarce cnc (z chęcią będziemy dzielić się materiałami z produkcji jeśli kogoś by to interesowało).

To teraz kilka informacji o naszym napędzie (może ktoś zaproponuje jakieś zmiany, by silnik mógł być jeszcze lepszy, na co liczymy):

Silniczek wykonany będzie w pełni z aluminium (komora spalania, dysza, elementy do montażu wtrysku) oraz mosiądzu (demontowalny wtrysk materiałów pędnych).

Docelowo produkować ma maksymalnie do 450N ciągu.

Jego wysokość to 16cm zaś średnica zewnętrzna 6cm. Wagę na obecnym etapie ciężko podać, jednak na pewno nie przekroczy ona 1kg. (Tak, jest duży, ale w rakietach dużej mocy myślimy, że sprawdzi się dobrze).

Generując ciąg 400N silnik będzie mógł pracować bez najmniejszego problemu przez trzy sekundy. Chłodzony jest poprzez nadmiar paliwa wtryskiwany na ścianki oraz zabezpieczany przed stopieniem przez warstwę krzemionki, którą pokryty jest wewnątrz.

Ciśnienie panujące w komorze spalania przy generowanym ciągu 400N to 10 bar.

Napęd będzie działać na etanol o stężeniu 75% oraz podtlenek azotu. Do doprowadzania podtlenku azotu służyć będzie wmontowany w silnik nypel ¼”, zaś etanolu nypel 1/8”.

W najbliższych dniach postaramy się udostępnić jak najdokładniejsze materiały z produkcji, a pierwszy w pełni gotowy silnik powinien być zrobiony już do września.

[AdrianOZW]

Jak będzie wyglądać dystrybucja?