rumfart på den anden måde cs banner bloghoved

Fra metalsløjd til 'Rocket Science' - Del 1

Ærede Læsere,

Godt nytår!

Jeg håber, I alle er kommet vel igennem de seneste 6 dage, som jo i dagens overbeskyttede Danmark udgør en af de meget få muligheder for at more sig med raketter i den brede offentlighed. Jeg tænkte derfor, om vi ikke skulle udnytte lidt nytårsraketmomentum til sparke 2015 godt i gang med et indlæg af lidt mere teknisk karakter. Erfaringsmæssigt er raketteknik jo også et af de mere potente midler imod tømmermænd...

Altså benytter vi denne lejlighed til at runde et af mine absolutte yndlingsemner i raketsammenhæng. Vi skal nemlig en anelse dybere ned i raketmotorsuppen, end vi normalt kommer i blogmediet, for at kigge på noget så sindsoprivende som huller!

Ja ja, måske virker emnet ved første øjekast hverken specielt sexet, sindsoprivende eller velegnet til blogindlæg, men lad Jer ikke narre. At forstå et huls geometriske og hydrauliske egenskaber kan være af afgørende betydning i en raketmotors mest kritiske delelement, nemlig injektoren.

Illustration: CS

Figur 1: Injektordesigns af coaxial, impinging og pintletypen. Øverst tv.: EADS Vulcain 2. Nederst tv.: EADS HM-7. Øverst th.: Rocketdyne F-1. Nederst th.: Armadillo Aerospace test motor (Fotos: EADS, Aerojet og Armadillo Aerospace)

Så ja, disse indlæg kommer til at handle om et lille bitte hjørne af det afsindigt spændende felt injektordesign. Det er her raketmotoren går fra at være metalsløjd til at være 'rocket science', det er her, vi bytter performance for pålidelighed og det er her, vi har alt at tabe og intet at vinde.

Den beskrivelse vil givet falde nogen for brystet som værende en anelse højtravende, men det er faktisk den ubekvemme sandhed, som raketmotordesigneren må slå sig til tåls med. Intet andet sted i en raketmotor har vi større risiko for at lave ravage, og selv små, tilsyneladende 'ubetydelige' designændringer kan have ekstreme konsekvenser. Det er derfor bydende nødvendigt, at vi udviser rettidig omhu her og gør vores hjemmearbejde grundigt.

Altså skal vi i de kommende indlæg kigge nærmere på, hvordan vi helt specifikt designer BPM-5's injektor, og hvilke designmæssige kompromisser vi har indgået for at vinde specifikke karakteristika. Dernæst skal vi også regne lidt på resultaterne af de mange flow-tests, som CS anført af Flemming Rasmussen har udført over de sidste måneders tid med henblik på at karakterisere vores fremstillingsproces, inden vi begyndte at skære metal. Så velkommen til første parket: I får her data direkte fra den varme hane, bogstavelig talt.

For at alt det efterfølgende skal give mening, er vi dog nødt til først at kigge lidt på teorien og principperne bag injektorer. Resten at dette indlæg vil derfor primært fokusere på hvilke injektortyper man almindeligvis vælger imellem til et nyt raketmotordesign, og deres respektive styrker og svagheder.

Sorry, ingen arme, ingen småkager. - Jeg skal nok prøve at fatte mig i korthed (ikke at I skal gøre Jer store forhåbninger om, at jeg får held med det).

Injektorer

Som navnet antyder er injektorens formål i en raketmotor at injicere en eller flere af brændstoffets komponenter i brændkammeret. I sagens natur er injektoren altså relevant for alle raketmotortyper undtagen faststofmotoren. Man hører ofte injektoren omtalt som raketmotorens karburator, idet der er visse funktionelle ligheder med karburatoren i en forbrændingsmotor til eksempelvis en bil. Men det er faktisk en unfair sammenligning.

For trods al dens tilsyneladende simplicitet har raketmotorens injektor nemlig langt flere funktionelle facetter og faldgruber end bare indsprøjtning af brændstofkomponenter - hmmm - Jeg smider lige en femmer i 'bare'-bødekassen, for antallet af gange man støder på noget, der er 'bare', når vi snakker rumfart, er omtrent omvendt proportionalt med antallet af sandkorn på Kobæk Strand, og selve det at få indsprøjtningen korrekt er i virkeligheden også halv-tricky.

Ok, injektorens opgave er faktisk på én gang meget simpel og meget kompleks. Det handler om at forstøve/atomisere fuel og oxidationsmiddel i brændkammeret med det rette blandingsforhold, således at raketmotoren ligger på designarbejdspunktet ved et givet kammertryk. Men desværre er det er ikke gjort med det - ak var det dog bare så nemt. Nej, for at være effektiv skal injektoren nemlig samtidigt sørge for, at der opnås en jævn distribution af de atomiserede komponenter i hele kammertværsnittet for at opnå volumetrisk udnyttelse uden hotspots. Atomiseringen skal tillige være så god, at der opnås opblanding af fuel og oxidizer på nærmest molekylært niveau, og dette skal ske på et stabilitetsmæssigt plateau, der kan absorbere de små latente skift i motorens driftspunkt, uden at injektoren går i svingninger. Stabilitet frem for alt. Vel at mærke også for at opnå en grad af afkobling imellem fødesystem og brændkammer, der mindsker sandsynligheden for propagerende fejl i begge retninger.

Derudover skal man så også lige huske den lille detalje, at injektoren altså udgør en del af et brændkammer fyldt med 3000 K varm gas, og at den derfor skal kunne håndtere en varmeflux på et par Megawatt per kvadratmeter uden at påvirke brændstofkomponenterne negativt, inden de injiceres. Dette aspekt bevirker, at man ofte med fordel kan lade injektoren indgå som en aktiv del af motorens kølesystem, og netop sådan et princip er inkorporeret i BPM-5's injektor, som vi skal kigge på senere. Så alt i alt: Der er rigtigt mange tekniske facetter og ofte modstridende målsætninger, hvilket netop er grunden til, at injektordesign er et af raketmotorudviklingens mere udfordrende emner, og noget folk i branchens professionelle gren bruger hele karriereforløb på at perfektionere/optimere. Seneste skud på den professionelle injektorudviklings stamme er 3D-printerens indtog, som antyder, at der på sigt vil kunne fabrikeres injektorer med rent additive metoder.

Figur 2: 3D printet coaxialinjektor i Inconel til akoustiske skalatests på SLS raketten. Testmotoren kører på LOX/Hydrogen ganske som RS-25 motoren, der søges emuleret. (Fotos: NASA-MSFC).

Det er teknisk set meget spændende og lovende, men der er stadig et stykke vej før teknikker og materialer lader os 3D-printe hele injektorer til store motorer. Jeg er dog ikke i tvivl om, at vi når dertil i løbet af et par år, og det vil gøre gode ting for raketbranchen, hvis de større spillere formår at tage additiv fabrikation til sig.

I CS er vi imidlertid ret ligeglade med injektormæssig perfektion og optimalitet; det er ikke målet. Raketmotoren er heller ikke målet, men KUN et af mange essentielle subsystemer i raketten. Målet er manden over 100 km og sikkert ned igen. Det i sig selv er EKSTREMT ambitiøst, men jo også det, der gør opgaven sjov og interessant.

Der er imidlertid dele af den opgave, CS har sat sig for at løse, som er væsentligt mere kritiske end blot at få motoren til at levere et givet antal Newtonsekunder. Ikke ligeså spektakulære, men langt mere kritiske. Hav altid in mente, at det er perspektivet, når vi snakker CS-raketmotorer. Raketmotoren er muligvis hammeren i vores værktøjskasse, men meget få opgaver kan løses med hammeren alene. 'If the only tool you have is a hammer, every problem looks like a nail'...

Konsekvensen af det perspektiv for injektoren er, som vi helt enkelt har regnet os til i et tidligere indlæg (Link), at vi skal konstruere en injektor, som er latent stabil og leverer robust, reproducerbar og pålidelig performance indenfor en given envelope. Det kan ikke understreges nok. Effektivitet er ikke den primære designdriver, idet vores systemdesign lader os nå målet med kun 80 % totaleffektivitet på motoren. Nej, de primære drivere er - og skal være - pålidelighed og reproducerbarhed. Altså kan vi tillade os at give køb på lidt effektivitet for at vinde tilsvarende på et af de andre områder. Det handler til syvende og sidst om at realisere et praktisk design til BPM-100, der er så konservativt og tolerant overfor parametervariationer, at vi i sidste ende tør vove at sætte et menneske ovenpå.

Opgaven med at designe en stabil og velfungerende injektor til raketmotorer er igennem tiden blevet løst på et utal af interessante måder, og det brugbare løsningsrum er faktisk meget stort. For at få en fornemmelse af, hvad vi taler om, kan jeg her anbefale en kort ekskursion til jeres hjems helt private injektorsystem, nemlig det helt almindelige bruserhoved på badeværelset. Prøv en gang at gå ud og betragt strålerne fra bruserhovedet mens I skruer op og ned for vandflowet. Vi slipper pausefisken løs og venter på at I kommer tilbage.... dadum dadum dadej..... tralalalalej.... bum bum bum beddibum...

Figur 3: Bruserpause, hvis tømmermændene stadig plager, så benyt endelig muligheden til at få vandet de genstridige hjerneceller!

Tilbage igen? Godt. Bruserhovedet er faktisk en rimeligt præcis gengivelse af, hvordan injektorer til flydende brændstof tog sig ud i rumfartens spæde barndom, og især i 1930'erne var princippet udbredt. I dag bruges bruserhovedprincippet stort set aldrig alene, da det er meget ineffektivt mht. at opnå god opblanding af fuel og oxidizer. Forestil jer at have to nær-parallelle stråler af fuel og oxidizer umiddelbart ved siden af hinanden. Den eneste mekanisme, der sikrer at de to blandes, vil være friktion (forskydningsspænding) internt i selve strålerne samt strålerne imellem i takt med, at flowet bryder gradvist op desto længere væk, det kommer fra injektoren. Det må nødvendigvis kræve et brændkammer med betydelig specifik længde at opnå bare nogenlunde opblanding på den vis, og omend man vinder lidt på det termiske design med fysisk store brændkamre, så ønsker man dem egentlig ikke af mange andre årsager. Nu kan man så med rette spørge hvilke injektorprincipper, der så er på spil i dagens moderne raketmotorer?

Svaret er MANGE, men der er naturligvis nogle, der får mere spilletid end andre. Blandt de mere populære typer finder vi: Coaxials , Swirlers, Impinging, Pintle, Radials og Spray plates. Vi kigger lige et par af dem igennem, for at danne os et hurtigt overblik over de forskellige koncepter, og for at se, hvordan de hver især formår at opblande og atomisere brændstofkomponenterne. Specifikt vil vi kigge lidt på det, der i fagtermer kaldes for injektorens 'spray fan', der er et udtryk for den form flowet får rent geometrisk, når det har forladt injektoren.

Hvordan selve opblandingen foregår i spray fan'en er et emne, hvorom der kan skrives og er skrevet digre værker, og det at forstå samt modellere præcist, hvordan opblanding og atomisering sker for en given injektorgeometri, er bestemt et Ph.d.-projekt værdigt. Vi vil ikke i denne omgang dykke dybere i den rimeligt tunge fluid-dynamik, der ligger til grund, men blot nøjes med at konstatere, at spray fan'en udgør den zone i brændkammeret, hvor den reelle atomisering og opblanding fra den enkelte injektor pågår. Det, vi vil fokusere på i det følgende, er nærmere, hvilke geometriske former spray fan'en antager for de enkelte injektortyper, og hvad det betyder for motoren som helhed.

Coaxials:

Coaxialinjektoren fungerer, som navnet antyder, ved at indsprøjte brændstofkomponenterne omkring en fælles akse, og har i de senere år været den måske mest populære type til nyudvikling af motorer i professionelt regi; især nu hvor 3D-printede injektorer nærmer sig en realitet. Typisk vil geometrien ligne den principskitse der er vist herunder:

Figur 4: Funktionsskitse af en coaxial injektorkonfiguration vist som snittegning med dertilhørende spray fan. Bemærk hvordan spray fan'en forbliver stort set axial i hele opblandingszonen. (Illustration: CS, ETH, M. Gloor).

Typen er især velegnet til brændstofkomponenter, hvor den ene injiceres på gasform og den anden på flydende form. Derfor ser man også coaxiale injektorer få betragtelig spilletid i mange af de store, højtydende motorer baseret O2 og H2, hvor O2 kan introduceres på flydende form som LOX ved ~20m/s og H2 på gasform ved ~200m/s. Coaxialinjektorens store styrke er netop, at denne hastighedsforskel fremmer såvel atomisering som opblanding. Gassen injiceres omkring væsken, og den store hastighedsforskel bevirker ganske enkelt, at gassen 'flår' væsken fra hinanden og derved forcerer opblandingen. Som illustreret ovenfor sker alt aksialt i brændkammeret, hvilket gør det nemmere at styre såvel friktionsbaserede som termiske tab i kammervæggen. Tillige er de påkrævede, mekaniske tolerancer for at opnå rimelig performance ikke voldsomme. Alt i alt en teknisk set meget elegant og ekstremt funktionel injektortype.

Eneste rigtige 'aber dabei' (som dog også er et nok så væsentligt ét af slagsen) er, at metoden fungerer suboptimalt, når både fuel og oxidizer er på flydende form. Her er det sværere at opnå stor hastighedsforskel, hvis det korrekte blandingsforhold skal opretholdes, og man må derfor som oftest ty til andre party tricks fra raketmotordesignerens injektor-ABC, hvis man udelukkende vil lege med flydende brændstofkomponenter.

Swirlers:

Swirleren er et sådan 'trick' (omend et af de ældste tricks i bogen) og udgør reelt en funktionel undertype af Coaxialinjektoren, hvor man påtrykker en eller flere af brændstofkomponenterne en tangentiel hastighed i tilgift til den aksiale hastighed allerede inden, de når brændkammeret. Fordelen ved den tilgang er, at spray fan'en herved antager en konisk form, som jeg har forsøgt at illustrere herunder. Det, der forlader swirleren bliver nemlig en tyndvægget, kontinuert film af opblandet fuel og oxidizer, men udformet som en keglestub med et hult indre.

Figur 5: Funktionsskitse af en swirl injektorkonfiguration vist som snittegning med dertilhørende spray fan. Spray fan'en går gradvist fra en kontinuert, konisk film til dråbe/atomiseret form i takt med, at filmen bryder op. (Illustration: CS).

På keglestubbens overflade ser man både langsgående og tværgående bølger. Disse kendes fra fluid-dynamikken som Kelvin-Helmholtz-instabiliteter og vidner om, at der i spray fan'en er væske/gas i bevægelse med forskellige hastigheder og retninger. Disse forskelligheder ansporer turbulent flow og deraf følgende opbrud/atomisering af spray fan'en; ganske som man ønsker det i en god injektor.

Selve keglestubbens åbningsvinkel β er proportional med injektorens fødetryk, og jo højere tryk der benyttes, desto kortere bliver keglestubbens længde før den overgår til atomiseret/dråbe form. Det er lidt et tveægget sværd, idet man ønsker denne længde kort, fordi det giver hurtigere atomisering og muligheden for at operere med et kortere brændkammer, men samtidig ønsker man ikke åbningsvinklen så stor, at man kommer i termiske problemer på injektorens overflade eller på kammervæggen.

Figur 6: Spray fans for swirl injektion af fluid, med stigende injektionstryk gående fra venstre mod højre. Helt til venstre er injektionstrykket 0.6 Bar ved et masseflow på 1.77 gram/sekund, i midten 1.5 Bar ved 2.7 gram/sekund og helt til højre 2.86 Bar ved 3.5 gram/sekund. Billedet til højre taler sit tydelige sprog. Når hardwaren er i orden, så virker swirlere altså blændende godt. (Fotos: A. Maiorova et. al).

Når man sammenligner med den coaxiale injektor, er det første man bemærker naturligvis, at flowet ikke er rent aksialt, hvorfor det resulterende momentum fra de to strømme heller ikke vil være det. Umiddelbart kunne det lyde som en betydelig ulempe, men lige for swirleren er det faktisk en af de helt store fordele.

Den tangentielle hastighedskomponent bevirker ganske enkelt, at flowet tilbagelægger en længere fysisk distance på dets rejse igennem brændkammeret end hvis bevægelsen havde været rent aksial. Flowet spirallerer simpelthen ned gennem kammeret. For de samme kammerdimensioner betyder det, at swirlinjektoren kan give en større såkaldt 'stay time' og derved mere fuldendt forbrænding end de andre gængse injektortyper. Det er faktisk et MEGET stærkt karakteristikum ved swirlinjektion, idet vi kan opnå et mindre og lettere brændkammer uden nødvendigvis at gå på kompromis med performance.

Tilsvarende kan man også gå den anden vej, og bringe en raketmotor med selv det mest usle injektordesign til at fungere ved at groft overdimensionere kammerets specifikke længde, og derved opnå en større stay time. Det er bare ikke en farbar vej i raketsammenhæng, hvor man altid er udfordret på TTWR (Thrust-To-Weight-Ratio) og hvor motoren udgør en betragtelig andel af fartøjets samlede masse.

Så kan man jo passende spørge sig selv, hvorfor alle, der kører med flydende brændstofkomponenter, dog ikke bruger swirlinjektorer, men I kan være ganske rolige. Det er ikke fordi, vi har fundet den hellige raketmotorgral eller noget i den dur. Når vi taler injektorer vindes fordele ved tilføjelse af kompleksitet/omkostninger, og enhver, der påstår anderledes eller mener at have opfundet den ideelle raketmotor, har glemt at konsultere sine grundbøger i fysik/kemi/termodynamik og fluiddynamik.

Bagsiden af swirlermedaljen (medaljer har som bekendt bagsider) er, at de, ganske som coaxialinjektoren, generelt er ringe til at håndtere throttling uden at blive ustabile. Derudover er der interaktionen imellem spray fan's fra de individuelle swirlinjektorer, som man også skal have styr på, idet der i større motorer naturligt er behov for en del individuelle swirlers for at få tykkelsen af den koniske film ned på et niveau, hvor opbruddet/atomiseringen sker hurtigt og effektivt. Man kan simpelthen ikke presse en tilstrækkeligt stor masse-flux af brændstof igennem en enkelt swirler, ligesom man heller ikke kan i en coaxialinjektor. Sidst, men ikke mindst, så har swirleren også en tendens til asymmetri i spray fan'en hvis ikke de mekaniske produktionstolerancer er i top.

Swirlers er dog oplagte CNC-emner, så sidstnævnte problem kan håndteres med moderne produktionsteknikker. Proportionaliteten imellem injektorens fødetryk og dens evne til at atomisere flowet giver desuden nogle udfordringer ifht. køling af motorens kammervæg, hvis swirlerne bruges i dennes nærhed. Typisk vil man derfor opleve, at swirlerinjektion skal ledsages af andre metoder, men den tager vi i lidt dybere detaljer en anden gang; måske når vi skal til at snakke BPM-100 i løbet af sommeren.

Pintles:

Pintleinjektoren bidrager med en meget elegant løsning på et af de evigt tilbagevendende problemer i raketmotorer: injektions-ustabilitet. Det er nemlig en af de få metoder, som tillader endog meget dyb throttling uden at anspore svingningsfænomener, hvilket i sig selv er et værdifuldt karakteristikum, der gør pintleinjektoren til en uomgåelig løsning i visse situationer. Hvis I eksempelvis tænker tilbage på Apollo LEM månelandingsmodulet, så var det her bydende nødvendigt at kunne både grov og finregulere på thrustniveauet under selve landingen på Månen. Derfor udviklede man LMDE-motoren, som brugte pintleinjektion for netop at kunne udnytte throttlestabiliteten, og motoren kunne faktisk throttles trinløst mellem 500 kg og 5 ton trykkraft. Det er altså et throttle-forhold på 1:10, hvilket ville være uhørt med enhver anden form for injektor for en biprop i den skala. Ganske enkelt fabelagtigt!!!

Pintlen har gjort et flot comeback i løbet af det seneste årti med SpaceX's brug af princippet i deres Merlin-motorer. Dette hænger naturligt sammen med det langt større performance span, SpaceX håber at få fra deres boostere i fremtiden, hvor return-to-pad og genflyvning af boostertrin vil have stor gavn af et motordesign, der kan throttles relativt dybt. Tilsvarende kan man med rimelighed antage, at det har været årsagen til, at pintlen har levet en pauver tilværelse i raketmotor-ABC'ens appendix siden Apollo-dagene. Der har simpelthen været en for stor udviklingsbyrde associeret med pintle-baserede motorer til at retfærdiggøre investeringen, hvis ikke man decideret har haft behovet for dyb throttling. Nice-to-have versus need-to-have.

Princippet bag pintlen og den tilhørende spray fan er forsøgt illustreret herunder, og den opmærksomme læser vil hurtigt bemærke, at der er en vis lighed med swirlerens spray fan:

Figur 7: : Funktionsskitse af en pintle-baseret injektorkonfiguration vist som snittegning med dertilhørende spray fan. Spray fan'en er konisk som for swirlinjektoren, men mere stratificeret pga. det indre flows kollision med pintlen. (Illustration: CS, N. Ashgriz).

Funktionelt er pintleinjektoren faktisk uhyre simpel. To brændstofkomponenter injiceres igen coaxialt, men hvor den ydre komponent lades passere uhindret, oplever den indre komponent at få sin hastighedsvektor ændret markant. Flowet kolliderer simpelthen med pintlen og divergeres derved kraftigt ud radialt i brændkammeret. Altså bliver flowhastigheden af det indre flow ikke bare sænket; flowets hastighed er nu også nærmest tangent til det ydre flow. Resultatet er ikke til at tage fejl af: Der, hvor det indre flow forlader pintlen og møder det ydre flow, dannes nu en konisk spray fan med kraftig opblanding af komponenterne. Throttlefunktionaliteten og blandingsforholdet kan nu trimmes ikke kun ved at ændre på flowrater af oxidizer og fuel, men også ved rent mekanisk at flytte lidt frem og tilbage, mens motoren kører. Meget effektivt og på papiret simpelt.

Men som sædvanlig får vi intet foræret af moder natur. Det sære med pintles er nemlig, at det der giver dem deres største styrke også er deres største svaghed. Det momentum, som den koniske spray fan bærer med sig, er rettet ud imod kammervæggen frem for aksialt eller tangent i brændkammeret, som man kunne have ønsket. Selv i en meget fuel-rich kombination giver det anledning til en heftig varmeflux præcis i den region, hvor spray fan'en interagerer med kammervæggen. Man sætter nærmest brændkammervæggen under kontinuert artilleribeskydning med hvid fosfor i et par minutter. Det er faktisk lidt træls ...

Metoden til at håndtere dette har traditionelt været at justere på det indre flows (som typisk er fuel) injektionshastighed, således at man får et gennemslag af fuel i spray fan-konussen, der kan agere filmkøling på kammervæggen.

Det betyder et performancetab, idet fuelandelen brugt til dette ikke indgår fuldt i reaktionen. Derudover er der en betydelig udfordring i at tune fuelinjektionen til at opnå den rette køleeffekt. Dette er mestendels en halvtung trial-and-error process, der historisk set har taget livet af en del brændkamre.

Ofte er det også nødvendigt at tilpasse kølekappens tværsnit i interaktionsområdet, når man kører regenerativt, eller forstærke kammeret i dette område, hvis man kører ablativt, ganske enkelt fordi filmkølingen ikke kan gøres tilstrækkelig alene. Men når man har disse aspekter på plads, har man basis for en meget velperformende motor, der kan køres sikkert under næsten alle driftsforhold.

Pintleinjektoren har dog et sidste stort es i ærmet: I modsætning til alle de andre injektorkonfigurationer, man normalt beskæftiger sig med i raketmotorsammenhæng, hvor man har mange injektorelementer i parallel, så performer en pintle kun godt, hvis den står alene, og dens spray fan får lov at antage sin karakteristiske form til at udnytte brændkammervolumenet. Altså skal man kun bruge ét injektorelement per motor. For en stor motor med ditto masseflow bliver det altså en stor, fabrikationsvenlig injektorkonfiguration!

Man græder jo nærmest glædestårer af LOX ved tanken om at kunne CNC'e en fuld injektor på størrelse med en Big Mac til en 100 kN motor på bare et par timer.

Impinging:

Impinging-typerne er en bred familie af konfigurationer, der beror på at bringe strømme af oxidizer, fuel eller oxidizer og fuel til at mødes i brændkammeret umiddelbart foran injektoren. Her er en hastighedsforskel i flowet af de enkelte brændstofkomponenter faktisk ikke en fordel, men nærmere en hæmsko. Man er ofte nødt til at optimere den vinkel, hvormed komponenterne mødes, således at det samlede momentum bliver aksialt i brændkammeret. Det er bøvlet og tricky at lave ordentligt i en motor, der skal kunne throttles dybt, og impinging-typerne throttler generelt heller ikke imponerende godt medmindre man bruger yderligere et par tricks fra den store raketmotor-ABC. Impinging injektorer laves typisk med huller boret/gnistet eller ætset i et materiale, der er kompatibelt med brændstofkomponenternes fysiske egenskaber. Antallet af mulige konfigurationer er stort, og normalt kombineres flere forskellige for at opnå specifikke forhold forskellige steder i brændkammeret. Singlets er egentlig lidt en anakronisme i impinging-sammenhæng, idet strålerne her ikke reelt 'impinger', men de regnes dog stadig for en del af denne familie.

Figur 8: Tværsnit af udvalgte impinging-konfigurationer og eksempel på en doublet spray fan. Det er i øvrigt doubletens spray fan, der er oprindelsen til netop betegnelsen 'spray fan' qua den flade og lidt vifteagtige form, som kollisionen de to strømme imellem giver anledning til. (Illustration: CS)

De viste impinging konfigurationer ovenfor er kun et udsnit af de mere hyppigt benyttede, men især også såkaldte Pentads (hvor 4 strømme skydes ind på 1 central strøm) bliver stadigt mere populære hos organisationer, der kan producere hardware med ekstremt fine, mekaniske tolerancer. Specifikt singlet og doublet kombinationerne er, hvad I har set benyttet i alle CS' tidligere forsøg med raketmotorer baseret på flydende brændstofkomponenter.

Udfordringen med impinging injektorer i hypergole systemer er primært et fænomen kaldet 'blow-apart', hvor antændingen af de opblandede komponenter reelt blæser endnu uforbrændt fuel/oxidizer væk fra strømmens centerlinie. Det giver momentum i den gale retning og kan føre til dårlig volumetrisk udnyttelse af brændkammeret samt, i yderste instans, instabilitet. Samtidig har brændstofkomponenterne som oftest ret forskellige densiteter, hvilket giver en udfordring ifht. at styre retningen af det resulterende momentum for visse impinging konfigurationer. 'Blow-apart' har desuden en irriterende lillebror kaldet 'blow-back', hvor dele af det opblandede brændstof ganske enkelt sprøjter tilbage fra det område, hvor strømmene impinger og lokalopvarmer injektoren. Det kan så lede til endnu et fænomen, der kaldes 'injektor burn-out', hvor injektorens overflade (injektor-face'et) opvarmes og deformeres, hvilket hurtigt kan gøre en dårlig dag endnu værre.

For kryogene systemer er der tilsvarende udfordringer. Én er at kontrollere eventuelt to-fase-flow (flow hvor en delmængde er gået fra flydende til gasform) i injektorkanalerne, hvilket igen kan føre til mismatchede blandingsforhold og tab af performance. Af netop denne årsag hører man ofte 'Engine pre-chilling' som menupunkt på nedtællingen, når de store drenge leger med raketter. Det er ganske enkelt en måde at sikre sig imod, at LOX'en ikke møder en lunken injektor med uhensigtsmæssigt faseskift til følge i motorens opstartsfase. Tilsvarende har man i kryogene systemer også materialekontraktion ved lave temperaturer at muntre sig med, hvilket giver endnu en udfordring, når det kommer til at kalibrere sin injektor. Det er også en parameter man må tage i betragtning, når man foretager flow-tests.

Impinging kan som metode være uhyre effektiv, hvis den implementeres ordentligt, men er tilsvarende også sensitiv overfor fabrikationskvalitet, tolerancer og svingningsfænomener. I større motorer er det derfor ofte nødvendigt at kombinere deres brug med injektorbaffles, men hvordan den slags implementeres er en helt anden historie, som vi gemmer til en anden god gang.

Figur 9: LOX/H2 injektor nr. 71A med 4-eget bafflesystem. Bemærk hvordan instabilitet i forbrændingen og deraf følgende variationer i det lokale blandingsforhold har læderet tre af egerne fuldstændigt assymetrisk og efterladt den fjerde stort set udskadt. At tøjle instabilitet igennem baffle design er en teknisk svær, men uhyre spændende disciplin. (Foto: NASA- GRC)

Efter jeres nærstudium af bruserhovedet for lidt siden vil I nok fornemme, at det umiddelbart har lidt til fælles med nogle af impinging injektortyperne, men måske I også lagde mærke til et par andre fænomener i takt med, at der blev skruet op og ned for flowet igennem bruserhovedet.

I kan have observeret, at der ved lavt flow syntes at være et minimum for kontinuerte strømme ud af hullerne. I kan have observeret, at flowet ud af hullerne syntes at stige nogenlunde proportionalt med, hvor meget i drejer på hanen til at starte med for så ligesom at 'stagnere' i den forstand, at øget åbning for hanen ikke giver tilsvarende forøgelse af flow ud af hullerne. I kan have observeret, at ved specifikke indstillinger syntes strømmene fra hullerne at bryde op langt tættere på bruserhovedet end ellers.

Men præcis hvad I har observeret er faktisk næsten umuligt at sige noget generelt om. I har nemlig alle sammen set forskellig opførsel, fordi udfaldet af dette lille eksperiment afhænger helt og holdent af, hvordan det konkrete bruserhoved og dets huller er udformede. Og det er netop kvintessensen af det hele! Enhver injektor er unik, og enhver injektor skal derfor karakteriseres individuelt.

En injektors effektivitet er uvægerligt knyttet til kvaliteten og beskaffenheden af dens huller. Hvor dybe de er, hvor langt der er imellem dem, deres udformning, hvor stor deres diameter er, hvor godt skårne er hullerne, om der er grater eller furer på hullets inderside osv. osv.

Det betyder i praksis, at vi er nødt til at føje endnu en klassisk ingeniørdisciplin til vores raketværktøjskasse, nemlig Hydraulik. Altså må Bernoulli, Stokes og Reynolds nok hellere komme på medlemslisten i CSS.

Det er nemlig igennem hydraulikken og fluid dynamikken vi skal finde svaret på nogle meget konkrete designspørgsmål for en injektor. Hvad skal der i praksis til for, at injektoren kan levere den ønskede mængde fuel og oxidizer ind i brændkammeret ved det rette tryk? Hvor mange huller? Hvor store? Hvordan skal de placeres? Og hvad er konsekvenserne for motoren som helhed? Skal vi give køb på noget af den teoretiske performance for at nå vores målsætning om en motor, der understøtter alle de forskellige tests vi ønsker at udføre?

Figur 10: BPM-5's teoretiske designspecifikationer. (Illustration: CS)

Mange af disse spørgsmål besvares bedst igennem et konkret eksempel, og også her tjener BPM-5 os vel. Så med de ord skulle vi være klædt på til at skelne skidt fra kanel, når vi taler de mest almindelige injektortyper, og vi kan derfor lægge fra land med at kigge på BPM-5's injektor lige fra starten i næste indlæg.

Indtil da, til alle Jer, fra alle os i CS: Rigtig godt nytår!

Emner : Raketter
Jonas B. Bjarnø er seniorforsker indenfor rumfartsteknologi og raketudvikler. Han er et af flere medlemmer af Copenhagen Suborbitals, der skriver på denne blog.
sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Fra nu af vil jeg kun kunne tænke på ilt og brint der blandes på min (pintle)isse når jeg er i bad.

  • 6
  • 0

Kunne man ikke lave en "udvendig" pintle, som fra en ringformet struktur yderst/udvendig i brændkammeret skyder ind mod midten i stedet for at skyde udefter fra en midterstillet/indvendig pintle? På denne måde vil al varmeflux koncentreres i midten af brændkammeret, og de opblandede gasser vil automatisk koncentreres og ændre retning bagud.

En udvendig pintle er lige så simpel at lave som en indvendig. Den kræver bare en coaxial struktur yderst i brændkammeret, hvor det yderste flow møder en tværstillet forstøverring, som sender det indefter. Hvis det yderste flow er ethanol, kan man samtidig skabe filmkøling ved at lave nogle små huller/hakker i forstøverringen, så en lille del fortsætter ligeud mod brændkammerets vægge.

  • 4
  • 3

.. I princippet utrolig simpel, men dog alligevel så uendelig kompliceret når der graves lidt dybere. Har læst om udviklingen af motorer i forbindelse med Apollo programmet og der nævner en af udviklerne at bare for SPS motoren (den motor der skulle sætte dem i kredsløb om månen og endnu mere vigtigt bringe dem ud af det kredsløbs og hjem) blev der testet over 200 injektorer, 124 forskellige måder at anbringe injektorerne på og omkring 230 test hvor man affyrede små bomber i forbrændingskammeret for at se efter om de valgte injektorer og måden at anbringe dem på altid hurtigt kunne dæmpe en evt. begyndende ustabilitet (som man altså brugte sprængstof for at fremkalde kunstigt).

Er der siden den tid via CFD blevet muligt at simulere godt nok til at man kan komme med et bedre første bud på injektor inden man tager fræser og boremaskine i brug. Er det i givet fald noget der er i CS'es værktøjskasse?

Med det begrænsede kammertryk man vil komme til at bruge både i BPM-5 og 100 vil man da kunne regne med at LOX holder sig flydende indtil det er ude af injektoren? Jeg kunne forestille mig at det især kunne blive et problem til slut.

Er i kommet videre med jeres CNC udfordringer i forbindelse med BPM-5 injektor?

  • 4
  • 0

Kunne man ikke lave en "udvendig" pintle, som fra en ringformet struktur yderst/udvendig i brændkammeret skyder ind mod midten i stedet for at skyde udefter fra en midterstillet/indvendig pintle? På denne måde vil al varmeflux koncentreres i midten af brændkammeret, og de opblandede gasser vil automatisk koncentreres og ændre retning bagud.

Jeg kan godt forstå du nødigt opgiver pintle injektoren ;-) Jeg syntes også den er temmelig interessant specielt fordi der med pressure feed jo netop bliver nødvendigt med et stort throtling område. Din løsning vil vel dog ikke rigtigt løse problemet. Først tror jeg ikke helt at en indadrettet vifte af vodka og vand kan trænge igennem en massiv center stråle af LOX. Hvis den kan vil der vel stadigt være et problem med at du har givet flowet et indadrettet momentum og det vil vel brede sig ud igen eller?

Jeg har tænkt om man kan lave en kombination hvor inderstrålen rettes ud som ved en almindelig pintle og yderstrålen rettes ind som i din "omvendte pintle". Altså sådan at den resulterende retning bliver lige ned mod dysen. Om det så faktisk vil kunne atomisere brændstoffet kan jeg ikke helt gennemskue og selve designet af injektoren kræver måske også en 3D printer.

Jeg ved ikke hvor stor hastighedsforskel der kræves på coaxial injektoren før den virker ordentligt, men er den krævede hastighedsforskel ikke for stor kunne man måske lave dem sådan at man har to typer hvor type 1 kører med overskud af LOX og type 2 kører med overskud af fuel. Det vil så selvfølgeligt kræve at deres produkter så indbyrdes mixes og det sker måske ikke hurtigt nok til at produkterne stadigvæk opholder sig i brændkammeret.

  • 0
  • 0

Først tror jeg ikke helt at en indadrettet vifte af vodka og vand kan trænge igennem en massiv center stråle af LOX.

Der er da ikke nogen centerstråle af hverken LOX eller ethanol i mit forslag. LOX tilføres i et rørformet flow helt yderst i brændkammeret lige inden for ethanolflowet.

I en normal pintle injektor spredes de blandede gasser, hvilket må gøre det vanskeligere for molekylerne at mødes, efterhånden som de bevæger sig udefter. I mit forslag er det lige omvendt. Her blandes LOX og ethanol på nøjagtig samme måde lige uden for injectoren, men herefter koncentreres blandingen, efterhånden som den bevæger sig indefter. Muligvis kræver metoden en lidt større diameter af brændkammeret.

  • 1
  • 3

God ide og værd at detaljere lidt.

Som jeg ser det er en af grundene til pintle - ejektorens stabilitet grundet i at man har to hele "ringe" af fuel/oxidiser der kolliderer hele vejen rundt. Disse "ringe" er desuden meget enkle at justere og kontrollere - i modsætning til brusehovedet, hvor unøjagtigheder i fremstillingen kan have konsekvenser. Og det er ikke sjovt at kontrollere 500 huller...

Læg også mærke til swirl- ejektorens indbyggede ustabilitet (Kelvin- Helmholtz i figuren) der vel skyldes at oxydiseren skal rotere. Det er ikke nemt at beskrive roterende væske.

Altså IMHO en god ide, men hvordan skal det laves? I praksis vil det nu nok ende som en variation af "brusehovedet", altså en ring af dobbelt - huller, der parvist danner en spray der løber ind mod et punkt på centeraksen. For en kontinuert "ring" er vel umulig at lave?

  • 1
  • 0

Altså IMHO en god ide, men hvordan skal det laves? I praksis vil det nu nok ende som en variation af "brusehovedet", altså en ring af dobbelt - huller, der parvist danner en spray der løber ind mod et punkt på centeraksen. For en kontinuert "ring" er vel umulig at lave?

Overhovedet ikke. Det er da såre simpelt.

  • Man laver et rundt brændkammer, og et stykke inde sætter man så en ring (stempelring uden stempel), der ud mod kammervæggen har nogle små hakker til filmkøling.

  • Man anbringer et rør inden i brændkammeret, hvis indvendige diameter svarer til den indvendige diameter af ringen. Røret skal ende så tilpas tæt på ringen, at et flow af ethanol mellem kammervæggen og røret forstøves og sendes vinkelret til siden på nøjagtig samme måde som en normal pintle injektor.

  • Man anbringer et andet rør inden i det første. LOX flowet går så mellem de to rør.

Det hele kan nok drejes op i Dinoen på en time. Ringen kan svejses direkte fast på brændkammeret, og de to rør kan bare spændes op med et par afstandsstykker, eller man kan dreje dem lidt tykkere i fødeenden, så de kan forbindes direkte, og så tilføre ethanol og LOX gennem nogle boringer.

  • 1
  • 3

PS. Da brændkammeret i forvejen er omstrømningskølet med ethanol, skal man bare vende flowet, hvilket kan gøres meget simpelt ved at stoppe den indvendige kammervæg før den udvendige. En simplere injector er næppe mulig.

  • 2
  • 3

PPS. Skal det være endnu mere simpelt, forstøver man ethanolen direkte fra omstrømningskølingen, så man ikke behøver at vende flowet. Når man alligevel skal sende flowet vinkelret, må det være lige gyldigt om det sker på baggrund af et flow i retning mod dysen eller i modsat retning. Eneste problem kan være filmkølingen.

Det dobbeltvæggede kammer kommer så til at virke som ethanolforstøver, og man skal bare tilføre LOX mellem den yderste kammervæg og det inderste rør.

  • 1
  • 3

Det hele kan nok drejes op i Dinoen på en time. Ringen kan svejses direkte fast på brændkammeret, og de to rør kan bare spændes op med et par afstandsstykker, eller man kan dreje dem lidt tykkere i fødeenden, så de kan forbindes direkte, og så tilføre ethanol og LOX gennem nogle boringer.

Men kommer du ikke ud i at skule lave en meget smal spalte når du arbejder ude i periferien af brændkammeret? Der skal vel en vis hastighed til før det virker. Kommer du ikke til at lave et koncept der frem for at atomisere faktisk vil prøve at samle fuel og LOX i større dråber? Du laver jo et koncept der samler fuel / LOX på et mindre areal.

  • 2
  • 0

OK, den sidste her var nok ikke så smart. Man vil helst bevare kølingsmediet på samme fase hele vejen op - det er lettere at kontrollere.

Og du skal vist igen have gang i 3D - softwaren!

  • 0
  • 0

Men kommer du ikke ud i at skule lave en meget smal spalte når du arbejder ude i periferien af brændkammeret? Der skal vel en vis hastighed til før det virker.

Spalten skal selvfølgelig være tilsvarende smallere; men med et flow på mange liter brændstof pr. sekund kan det faktisk være en fordel.

Kommer du ikke til at lave et koncept der frem for at atomisere faktisk vil prøve at samle fuel og LOX i større dråber? Du laver jo et koncept der samler fuel / LOX på et mindre areal.

Først sker der en forstøvning - nøjagtig som i en normal pintle injector. Derefter en samling. Det er da muligt, at samlingen koncentrerer LOX og fuel i større dråber; men den bringer også de to dele tættere sammen. Man har jo ikke meget glæde af små LOX- og fueldråber, hvis de ikke mødes. Her ser jeg netop et problem med den traditionelle pintle injector, at de spredte dele måske først mødes på kammervæggen og derfor giver en voldsom varmeflux.

  • 1
  • 2

Hvad tænker du om stabilitet? Med en ring hele vejen rundt kan man vel forestille sig at det der netop var pintle injektorens stærke side ikke længere er til stede. Altså der sker en lille trykstigning i den ene side af kammeret. Det reducerer flow i den side, men øger det i den anden side hvor trykket så stiger og ... oscillering

  • 0
  • 0

Så, så. Det har lige været jul... Jeg har lavet et par skitser for at se om vi forstår det samme:

http://imgur.com/VIBsHCy

http://imgur.com/ZLar32y

Røde streger er alkohol, blå er LOX. Gul skulle gerne være forbrændingskeglen.

Rent fremstillingsmæssigt, så vil det nok være sværere at kontrollere en ensartet spalte end det er med den traditionelle pintle, men det skulle da være muligt.

  • 8
  • 0

Så, så. Det har lige været jul... Jeg har lavet et par skitser for at se om vi forstår det samme:

http://imgur.com/VIBsHCy

http://imgur.com/ZLar32y

Røde streger er alkohol, blå er LOX. Gul skulle gerne være forbrændingskeglen.

Det er rigtig forstået med hensyn til mit andet forslag; men filmkølingen vil nok ikke fungere, som du har skitseret den. Når man blæser et flow af ethanol forbi et hul, skabes der et vakuum, som suger gas igennem hullet i stedet for at presse ethanol ud. Hvis man derimod vender flowet af ethanol, så det kommer ovenfra (modsat dyseenden), som i mit første forslag, vil det tryk, der skabes i vinkelbøjningen, kunne presse ethanol videre gennem nogle hakker til filmkøling.

Der er fordele og ulemper ved begge metoder. Flow fra neden (dyseenden) given den simpleste konstruktion, men skaber samtidig problemer for filmkølingen. En metode at klare det på kunne være kun at lade hakkerne i ringen gå halvt igennem og så tilføre ethanol til dem gennem nogle boringer; men det er ikke særlig elegant. Aht. filmkølingen er jeg nok mest tilhænger af metode 1.

Iøvrigt ville jeg nok vende toppladen, så der skabes et rum over LOX indføringen.

  • 2
  • 2

Så, så. Det har lige været jul...

Ja undskyld; men hvis CS eller Peter nogensinde skal få en astronaut over 100 km og ned igen i god behold med de ressourcer, der er til rådighed, bliver de nødt til at tænke meget alternativt og ud af boksen, og så skal man passe på med at jorde mulige løsningsforslag på baggrund af en argumentation, som man ikke har belæg for.

  • 2
  • 7

Det aner hverken du eller jeg noget om; men med en sådan indstilling til nye idéer, vil jeg foreslå, at man fortsætter med det 60 års gamle brusehoveddesign, som godt nok er håbløst at producere

Jeg er skam stor tilhænger af nye ideer, men der er en klog mand der har sagt noget i retning af at "kan ideen ikke klare en åben diskussion på nettet så kan den nok heller ikke klare virkeligheden" ;-)

Jeg vil understrege at jeg ikke ved om din omvendte pintle kunne komme til at virke, men jeg stiller bare nogle spørgsmål. Peter tak for den glimrende tegning af Kanstrups ide. Det gør det meget nemmere at forstå. To flows der krydser hinanden i et hjørne vil de i det hele taget let kunne slippe ordentligt? Vil noget af væsken ikke let kunne følge kammer væg / kammer top?

Ja undskyld; men hvis CS eller Peter nogensinde skal få en astronaut over 100 km og ned igen i god behold med de ressourcer, der er til rådighed, bliver de nødt til at tænke meget alternativt og ud af boksen, og så skal man passe på med at jorde mulige løsningsforslag på baggrund af en argumentation, som man ikke har belæg for.

Carsten nu er jeg ikke CS så det er ihvertfald ikke dem der jorder dit revolutionerende injektor design. Det gør jeg som skrevet heller ikke og det kan godt være at min argumentation er vildt dårlig, men hvis vi lige tager den med instabilitet så er den originale pintle injektor centreret i midten af brændkammeret hvorimod dit nye design efter min mening funktionsmæssigt minder mere om en unlike dublet hvor man kun har lavet en ring ude i siden. Du mener så den er meget nemmere at lave i praksis end bruserhovede udgaven som er "håbløs at producere". Helt uden at have forstand på metalforarbejdning vil jeg intuitivt foretrække at bore huller frem for at skulle lave to meget smalle spalter hele vejen rundt. Jeg håber du tager mod Jon's tilbud om at få det skitseret i 3D.

Min holdning er forøvrigt at CS (og RML) ikke skal opfinde alt forfra hvis de vil i 100 km. De skal langt overvejende bruge ting der er kendt i forvejen på en smart måde. De har ganske enkelt ikke tid og råd til at opfinde alt forfra og få det gennemtestet.

  • 12
  • 0

Iøvrigt ville jeg nok vende toppladen, så der skabes et rum over LOX indføringen.

Det kan desværre ikke lade sig gøre; jeg har allerede sendt filerne til produktion...

(Det er mærkeligt at selv den simpleste skitse nødvendigvis giver kritik af detailkonstruktionen)

Men du har da ret i at det skal laves så man ikke får en Bernoulli - pumpe ved indløbet til filmkølingen. Og noget skal gøres i centerområdet så forbrændingskonus'en slipper det centrale rør... Til gengæld tror jeg ikke på at vende alkohol - flowet om.

En observation: Egentlig benytter motoren ikke det fulde brændkammer i pintle - og swirl - motorer, for forbrændingen sker mest i en veldefineret konus. Så hvorfor ser kammeret ud som det gør? Er det et levn fra brusehoved- injektoren hvor hele volumet bruges?

  • 1
  • 0

Kunne man ikke lave en "udvendig" pintle, som fra en ringformet struktur yderst/udvendig i brændkammeret skyder ind mod midten i stedet for at skyde udefter fra en midterstillet/indvendig pintle? På denne måde vil al varmeflux koncentreres i midten af brændkammeret, og de opblandede gasser vil automatisk koncentreres og ændre retning bagud.

Hej Carsten,

Jo, det kan man, og det er også et princip der er blevet brugt flittigt i både Tyskland og Frankrig i midten af det forrige århundrede. Man kalder dem normalt Radials eller Slotted Radial injectors. Princippet fungerer bedst i større ikke-kryogene motorer pga. de meget stramme fabrikationstolerancer i lille skala. Samtidig er de også notorisk kendte for at være følsomme overfor svingningsfænomener, og man ser dem derfor ikke ofte i nye motorer.

Sidst men ikke mindst så vil det være lidt af en tilsnigelse at kalde det for 'udvendig' pintle, da man ikke har den samme mulighed for at throttle motoren dybt som man har med en 'almindelig' bevægelig pintle.

Mvh Jonas

  • 11
  • 0

Hej Jonas, først og fremmest tak for en rigtig god blog. Når julegodterne er sluppet op er det godt at der fortsat er blogguf! Denne her er bestemt en af de velsmagende i den tunge katagori!

Et enkelt spørgsmål: Kunne du på et tidspunkt fortælle omkring muligheder for integrering af et tændingssystem i injektorpladen? Er det umagen værd? Er det noget for CS? Er det overkommeligt eller for kompliceret? Hvad er sandsynligheden for at det virker efter første tænding af motoren?

  • 1
  • 0

To flows der krydser hinanden i et hjørne vil de i det hele taget let kunne slippe ordentligt? Vil noget af væsken ikke let kunne følge kammer væg / kammer top?

Jo, og det er også derfor jeg ville vende toppladen på Peter Lykkes tegning og nok også benytte forslag 1, hvor man bare kan gøre ringen tilstrækkelig tyk til at få injektoren fri af både kammervæg og kammertop.

... men hvis vi lige tager den med instabilitet så er den originale pintle injektor centreret i midten af brændkammeret hvorimod dit nye design efter min mening funktionsmæssigt minder mere om en unlike dublet hvor man kun har lavet en ring ude i siden.

For at skabe oscillationer i et kammer/cavity må man kunne skabe stående bølger. Det kræver nogle modstående flader med dårlig impedanstilpasning, så energien kan reflekteres. I mit forslag mødes flowet i midten uden at ramme den modstående væg, så jeg kan ikke se, hvor de nødvendige refleksioner skulle komme fra. Med et optimalt design burde centerflowet faktisk kunne kanaliseres direkte ud igennem kværken stort set uden at ramme kammervæggen, hvilket må give den lavest mulige termiske belastning.

... men der er en klog mand der har sagt noget i retning af at "kan ideen ikke klare en åben diskussion på nettet så kan den nok heller ikke klare virkeligheden" ;-)

Rigtigt, men bliv så venligst lidt mere specifik omkring hvordan der kan opstå en ustabilitet i mit design, som ikke findes i den oprindelige pintle injektor, hvor flowet oven i købet både rammer en kammervæg og enden af kammeret (ved kværken) og der dermed er større grundlag for stående bølger. Ellers kan argumentationen let få karakter af et uberettiget "Det kan ikke lade sig gøre", og den slags er utrolig dræbende for enhver form for kreativitet og dermed for CS's evne til at nå målet.

Du mener så den er meget nemmere at lave i praksis end bruserhovede udgaven som er "håbløs at producere". Helt uden at have forstand på metalforarbejdning vil jeg intuitivt foretrække at bore huller frem for at skulle lave to meget smalle spalter hele vejen rundt.

At bore flere hundrede huller på brøkdele af en mm skråt ind på en glat overflade er i mine øjne en håbløs konstruktion, hvilket CS jo også har måttet erkende - prøv selv! Selv hvis de skulle få CAD/CAM systemet til at fungere, skal borene løbe afsindig hurtigt rundt og føres meget langsomt ind på fladen, hvis de ikke skal knække eller løbe. Det er ikke særlig produktionsvenligt - én anden kalde det direkte et akademisk skrivebordsdesign. Mit forslag kan derimod laves i en drejebænk. Der eneste kritiske er den tværstillede forstøverspalte; men ringen er nem at svejse nøjagtig på ved bare at indlægge 3 midlertidige afstandsstykker, efter at rørene er monteret, og presse ringen mod dem. Det kan ikke være nemmere. Hvor er problemet? Både ring og rør er drejet af, så man kan uden problemer opnå nøjagtigheder på under 0,1 mm i spaltebredden.

  • 2
  • 3

Sidst men ikke mindst så vil det være lidt af en tilsnigelse at kalde det for 'udvendig' pintle, da man ikke har den samme mulighed for at throttle motoren dybt som man har med en 'almindelig' bevægelig pintle.

I de beskrivelser, jeg har set af pintle injektoren, er en variabel tværplade ikke omtalt som en betingelse for at kunne throttle motoren, og en sådan variabel injektor vil nok også være håbløs for CS at lave.

Pas nu på, at I ikke går så meget pro-space med variabel ditten og datten for at vinde de sidste par procent, at I aldrig kommer i mål. Keep it simple.

  • 2
  • 5

Hej Benny,

.. I princippet utrolig simpel, men dog alligevel så uendelig kompliceret når der graves lidt dybere.

Ja, kan man andet end at holde af den slags maskiner! :-)

Er der siden den tid via CFD blevet muligt at simulere godt nok til at man kan komme med et bedre første bud på injektor inden man tager fræser og boremaskine i brug. Er det i givet fald noget der er i CS'es værktøjskasse?

CFD har skam hjulpet betragteligt på raketmotorudviklings-feltet om man vil, og anvendes i meget stor udstrækning når man designer nye motorer professionelt idag. Det er ikke unormalt at der går så meget som et par års CFD-arbejde forud for første testproduktion af en moderne raketmotor. Især det termiske design ofres der meget krudt på, og her kommer CFD til sin ret fordi opgave kan løses med ret stor fidelitet. Det er lidt sværere at få nøjagtige løsninger på injektorens performance med høj fidelitet, når man begynder at simulere på de ydre grænser af envelopen (altså skæve blandingsforhold, mismatchede injektionshastigheder, dårlig opblanding osv.), så her bruger man ofte mest energi på de nominelle cases og så tester man sig faktisk ud af resten. CFD er et super værktøj til mange formål, men det lider som så meget andet af det evindelige garbage-in-garbage-out problem. Simulerer man på driftssituationen i en raketmotor, kan det godt være svært at få defineret et realistisk sæt boundary conditions for simulationen. Jeg syntes tit det er her man ender med at skulle bruge størstedelen af sine kræfter.

Når det er sagt, så bruger vi også CFD i CS' motordesign, men mest på den termiske front i første omgang. BPM-5 er en testmotor hvor vi håber på at kunne køre ret forskellige injektortyper igennem testforløb, så at få realistiske værdier på det termiske design og varmeoverføringskoefficienterne imellem kammervæg hhv. kølemiddel og den varme gasfilm i brændkammeret har haft første prioritet.

Med det begrænsede kammertryk man vil komme til at bruge både i BPM-5 og 100 vil man da kunne regne med at LOX holder sig flydende indtil det er ude af injektoren? Jeg kunne forestille mig at det især kunne blive et problem til slut.

Jeg skriver lidt mere om det næste gang, men BPM-5 benytter nogle LOX-injektorkanaler med ret stort længde/diameterforhold, hvorfor jeg vil forvente at se to-fase flow i såvel begyndelsen som slutningen af burnet. I begyndelsen vil det opstå pga. termisk mismatch med den monolitiske injektor, og i slutningen som du beskriver pga. lavere fødetryk. Sidstnævnte forbedres dog af DPR-systemet, og skulle vi benytte DPR til at løfte kammertrykket igennem hele burnet (hvilket dog kræver en god portion trykgas), vil vi kunne minimere effekten.

Er i kommet videre med jeres CNC udfordringer i forbindelse med BPM-5 injektor?

Det lader til at vi fik en tidlig julegave fra en af projektets støtter med adgang til CNC, så forvent godt nyt fra den front i den nærmeste fremtid. Med gode venner kan alt lade sig gøre, og CS' har helt igennem fantastiske venner :-)

  • 10
  • 0

Jo, det kan man, og det er også et princip der er blevet brugt flittigt i både Tyskland og Frankrig i midten af det forrige århundrede. Man kalder dem normalt Radials eller Slotted Radial injectors.

Kan du ikke beskrive det yderligere. Der er massevis af billeder og tegninger af radial injectors på nettet; men de er alle af brushovedopbygning. Det er ikke lykkedes mig at finde ét eneste billede eller en tegning, der ligner mit forslag det mindste, og søgning på "Slotted Radial Injector" giver heller ingen brugbare resultater.

Hvis mit forslag er prøvet før, og det har vist sig ustabilt, er det selvfølgelig ikke en farbar vej; men hvis "Radial Injector" bare er det officielle navn for en brusehovedinjector, kan jeg godt forstå, at den betegnes som ustabil.

  • 2
  • 1

Et enkelt spørgsmål: Kunne du på et tidspunkt fortælle omkring muligheder for integrering af et tændingssystem i injektorpladen? Er det umagen værd? Er det noget for CS? Er det overkommeligt eller for kompliceret? Hvad er sandsynligheden for at det virker efter første tænding af motoren?

Hej Klaus,

Det er bestemt en teknisk mulighed. Til en motor som BPM-5 ville man typisk benytte en såkaldt 'Augmented Spark Ignitor - ASI', som i princippet er et glorificeret tændrør der antænder et lille flow af ret fuel-rich brændstofblanding ca. ½ sekund før end hovedventilerne åbnes. Det koster noget kompleksitet, nogle ventiler, nogle flere failure modes, og der er nogle termiske overvejelser man skal gøre sig mht. hvordan det integreres i injektoren. Samtidig er det et system der bliver en del af motoren så det koster også noget vægt. Fordelene er at der kan opnås en næsten identisk opstartsprofil fra gang til gang, og at hard-start problematikken bliver noget nemmere at håndtere. Det er relativt uproblematisk at designe det således at det kan genbruges til flere burns.

Pt. har jeg sådan et system på nice-to-have listen, ikke på need-to-have. De kommercielle pyrotekniske igniters vi benyttede til 2X synes ret ensartede, og vi mangler kun at finde en god metode til at sikre os at de sidder præcis det samme sted i brændkammeret fra test til test, samt en pålidelig måde at detektere deres tænding på. ASI? Måske på sigt efter alle de primære tests er overstået, og vi får lidt nedetid, men lige nu har vi bestemt hænderne fulde med resten af BPM-5 testsetuppet.

Mvh Jonas

  • 4
  • 0

At bore flere hundrede huller på brøkdele af en mm skråt ind på en glat overflade er i mine øjne en håbløs konstruktion, hvilket CS jo også har måttet erkende

Tror CS har beskrevet det, men du prøver jo selvfølgeligt ikke at starte med at bore skråt ind i en overflade. Du starter med at bore et lille hul helt lige ned med et (hedder det?) centerbor. Vi kan også bare sige med et almindeligt bor der er en del større end det bor der skal bore selve injektoren. Du borer kun lige så dybt at spidsen er nede. Nu har du så en keglestub og siden af den er vinklet i forhold til overfladen. Her starter du så med at bore selve injektor hullet. Du kan selvfølgeligt risikere at skulle specialslibe centerboret for at kunne bore selve injektorhullet ind i en overflade der er vinklet 90 grader, men håbløs er det da på ingen måde. Kan du ikke leve med "starthullet" skal der lige fræses et par mm af hele injektorfladen når alle huller er boret (og formodentligt skal huller derefter renses af)

Igen må jeg understrege at det ikke er fordi jeg er imod "radial injektor", men skal der eksperimenteres med noget der tilsyneladende har større risiko for ikke at virke i den sidste ende så skal det ikke være med begrundelsen at et andet design er "håbløst at producere" når det faktisk ikke er håbløst.

  • 5
  • 0

Benny Simonsen:

Kan du ikke leve med "starthullet" skal der lige fræses et par mm af hele injektorfladen når alle huller er boret

Nemlig. Vi planlægger borepositionerne med højde for efterfølgende neddrejning af injector face 1 mm. Også for at opnå rene kanal-kanter.

  • 4
  • 0

Meget pænere kanter i injektorhullerne

Vi har fået tilfredsstilende resultater med neddrejning og skal også have eksakt kontrol over lagtykkelsen, da det påvirker kanalernes position.

  • 2
  • 0

Vi har fået tilfredsstilende resultater med neddrejning og skal også have eksakt kontrol over lagtykkelsen, da det påvirker kanalernes position.

Er det godt nok og lettere er det selvfølgeligt metoden der skal bruges, men kanalernes position påvirkes da ikke efter de er boret. Det der vil blive påvirket er da "kun" hvor langt fra overfladen af injektorpladen at strålerne rammer hinanden. Altså kan sagtens følge Tommys argument hvis planslibning giver pænere kanter i hullerne end neddrejning.

  • 0
  • 0

...kanalernes position påvirkes da ikke efter de er boret. Det der vil blive påvirket er da "kun" hvor langt fra overfladen af injektorpladen at strålerne rammer hinanden.

Mundingernes position ændres og dermed væskestrømmens frie længde og udseende før kollisionen og forbrændingens afstand fra injector face. Vi ønsker at kontrollere så meget som muligt. Og når praksis så viser, at vi får tilfredsstillende kanter ved drejning, er der ingen grund andet. (Evt. kan man efterslibe lidt)

  • 1
  • 0

Det lader til at vi fik en tidlig julegave fra en af projektets støtter med adgang til CNC, så forvent godt nyt fra den front i den nærmeste fremtid. Med gode venner kan alt lade sig gøre, og CS' har helt igennem fantastiske venner :-)

Det er rigtigt gode nyheder, Jonas! Har du nogen fornemmelse af hvordan det går med selve brændkammeret til BPM-5? Det indtryk man har udefra er leveringen blever udsat hele tiden. Forhåbenligvis er det ikke sådan!

  • 0
  • 0

Du starter med at bore et lille hul helt lige ned med et (hedder det?) centerbor. Vi kan også bare sige med et almindeligt bor der er en del større end det bor der skal bore selve injektoren. Du borer kun lige så dybt at spidsen er nede. Nu har du så en keglestub og siden af den er vinklet i forhold til overfladen. Her starter du så med at bore selve injektor hullet. Du kan selvfølgeligt risikere at skulle specialslibe centerboret for at kunne bore selve injektorhullet ind i en overflade der er vinklet 90 grader, men håbløs er det da på ingen måde. Kan du ikke leve med "starthullet" skal der lige fræses et par mm af hele injektorfladen når alle huller er boret (og formodentligt skal huller derefter renses af)

Jeg synes ærlig talt, at hele denne procedure illustrerer meget godt, hvad jeg mener. Selvfølgelig kan det lade sig gøre. Man kunne også dreje nogle riller med korrekt vinkel inden boringen; men særlig produktionsvenligt er det sgu ikke. Hvis det er så nemt, hvorfor laver CS så ikke bare den injector færdig pr. håndkraft og kommer videre? Der er jo ingen garanti for, at designet lader sig skalere til BPM-100, så måske skal der aldrig laves mere end det ene eksemplar?

... men skal der eksperimenteres med noget der tilsyneladende har større risiko for ikke at virke i den sidste ende så skal det ikke være med begrundelsen at et andet design er "håbløst at producere" når det faktisk ikke er håbløst.

Skal vi ikke erstatte ordet "tilsyneladende" med et andet, da ingen indtil videre har kunnet vise et afprøvet design, som ligner mit forslag, eller kunnet forklare, hvorfor en udvendig pintle injector vil være mere ustabil end en indvendig?

Der er altid en risiko ved nye, uprøvede teknikker, men også muligheder for succes. Det er en afvejning, hvor CS jo tidligere har satset på det sikre i form af en stort set skrue for skrue kopi af et 60 års gammelt design incl. brandpumpen - og samtidig prøvet at markedsføre det som Danmarks nye rumprogram. Brusehovedinjectoren er besværlig at lave, kan ikke throttles særlig dybt, og opbygningen giver god mulighed for stående bølger i kammerets længderetning (har stort set samme opbygning som en laser); men det er selvfølgelig den sikre løsning.

  • 3
  • 8

Jeg synes ærlig talt, at hele denne procedure illustrerer meget godt, hvad jeg mener. Selvfølgelig kan det lade sig gøre. Man kunne også dreje nogle riller med korrekt vinkel inden boringen; men særlig produktionsvenligt er det sgu ikke. Hvis det er så nemt, hvorfor laver CS så ikke bare den injector færdig pr. håndkraft og kommer videre?

Jo men nu sagde du altså at det var håbløs fordi man skulle bore på skrå og det giver jeg så en løsning på og du kommer selv med et andet forslag der også kunne løse problematikken med at skulle bore skråt. Om det er produktionsvenligt ved jeg ikke, men jeg kan ihvertfald ikke se at det skulle være en bare halsvær opgave for en CNC. CS kunne nok lave den pr håndkraft, men jeg kan da godt forstå at de gerne vil have det hele til at spille med CAD til færdig emne. Som jeg forstår det venter de jo på selve brandkammer delen og at have en færdig injektor til at ligge på hylden lavet i hånden giver vel ikke så meget mening når det man gerne vil have er en maskinlavet så man kan få prøvet processen af. Du beskylder dem jo lidt for at gøre ting som for 60 år siden og at få emnet lavet på en 5 akset er vel et skridt i retning af at gøre ting på en ny og smartere måde.

Med hensyn til din radial injektor (skal vi ikke blive enige om at Jonas har ret i at det ikke er en pintle) så kan jeg stadigt ikke hel se at den skulle være lettere at lave, men jeg kan jo misforstå noget. Har du haft fat i Jon som ville lave en 3D tegning sammen med dig? Det vil gøre det lettere at diskutere noget som alle ved hvordan ser ud og det er altså ikke så simpelt at forstå ud fra noget du beskriver. Det vil være lettere for alle at forstå det ud fra en tegning.

  • 3
  • 1

Hvis vi griber lidt i det historiske og ser hvordan TM65 injektoren var lavet så kan man på dette billede se den tæt på og det ser ud til at injektorerne er svejset i. Hvad er begrundelsen til det? Giver det nogen fordel at selve injektorhullerne sidder ret dybt i et andet hul. Er de vinklet 45 grader ser det jo næsten ud til de krydser hinanden i niveau med injektorpladen.

  • 4
  • 0

Hvad er begrundelsen til det?

Det er produktionsvenligt. Selve injektorfacet er en laserskåret skive med huller til injektorelementerne. De mange injektorelementer er så lavet på en søjleboremaskine som "masseproduktion", derefter er de svejset i.

På BPM5 er forholdene anerledes simpelthen på grund af størrelsen. Vi har dog nu fundet nogen med en fungerende 5-akset CNC maskine som vil hjælpe. Motorrørene bør ankomme i løbet af den kommende uge, det glæder vi os meget til, så kan vi for alvor komme videre!

  • 3
  • 0

Det er gode nyheder! Lyder af en lang leveringstid. Er det noget der kan planlægges ind når produktionen af BPM-100 bliver aktuel?

Det jo lidt svært at planlægge, når leverandører udsætter leverancen. Men den aktuelle teknik skal formentligt ikke bruges til BPM-100.

  • 1
  • 0

Med hensyn til din radial injektor (skal vi ikke blive enige om at Jonas har ret i at det ikke er en pintle) så kan jeg stadigt ikke hel se at den skulle være lettere at lave, men jeg kan jo misforstå noget.

Nu må du altså holde op :-)

Den helt store fordel ved pintle injectoren (foruden stabiliteten og throttle muligheden) er jo, at den er overordentlig simpel at lave. Jonas skriver jo selv:

Man græder jo nærmest glædestårer af LOX ved tanken om at kunne CNC'e en fuld injektor på størrelse med en Big Mac til en 100 kN motor på bare et par timer.

Jeg kan ikke se, at en udvendig pintle injector skulle være det mindste sværere at lave end en indvendig. Faktisk er tilførslen af ethanol simplere, da motoren jo er omstrømningskølet, så det kræver bare nogle huller i den inderste kammervæg.

Pintle injectorens eneste ulempe er, at den giver en voldsom varmebelastning på kammervæggen; men det kunne man måske undgå ved at vende den om som foreslået. Hvis man så oven i købet sender ethanolen ud i en lidt skrå vinkel mod dyseenden i stedet for en 90 grader vinkel, så den resulterende sprayvinkel af LOX og ethanol ikke bliver ca. 45 grader, men f.eks. kun 30 grader eller mindre i forhold til længderetningen, kan man nok ramme kværken uden ret meget varmebelastning af kammeret, og strålen koncentreres ikke så hurtigt.

(skal vi ikke blive enige om at Jonas har ret i at det ikke er en pintle)

Da virkemåden er nøjagtig den samme som en normel pintle, men flowet bare kommer udefra, har jeg tilladt mig at kalde den en udvendig pintle. Kom med et bedre ord, hvis jeg ikke må det. Jonas kaldet det en radial (slotted) injector; men alle de billeder og tegninger, som jeg har set af en sådan, refererer til en brusehovedinjector, så det er det heller ikke!

Har du haft fat i Jon som ville lave en 3D tegning sammen med dig?

Ja, jeg sender ham nok en 2D tegning, når jeg får tid. Hvis det så stadig er uforståeligt, er det nok viljen, det kommer an på :-)

  • 2
  • 3

Hej Carsten

Dit forslag lyder (umiddelbart) besnærende, men jeg ser nogen potentielle problemer med det:

Det blever en meget lang spalte (ca 300 mm) som flowmæssing skal svare til ca 150 stk 0,8 mm huller, ergo bliver det en særdeles tynd spalte, som formentlig bliver endnu sværere produktionsteknisk end de tynde huller.

Den indbyggede filmkøling som er designet ind i den nuværende injektor qua hulgeometrien (fuel rich i periferien) kommer til at mangle.

Sluttelig: Designet til BPM5 er låst fast, bortset fra fintuning af injektor og kammerlængde (samt evt. hickups, vi støder på i forbindelse med statisk test). Når vi kommert til BPM100, tager vi skyklapperne af igen og er åbne for alle muligheder. Dog skal vi huske at folk klogere end os har trådt den sti, vi går på, og det vil nok være en anelse arrogant af os at tro, at vi kan komme op med et helt nyt sæt vise sten ;o)

Dette ikke skrevet for at "jage dig væk" fra vores blogs - tværtimod - men blot for at forklare, hvor vi står - og hvorfor.

mvh Flemming

  • 6
  • 0

Det blever en meget lang spalte (ca 300 mm) som flowmæssing skal svare til ca 150 stk 0,8 mm huller, ergo bliver det en særdeles tynd spalte, som formentlig bliver endnu sværere produktionsteknisk end de tynde huller.

Enig; men mit forslag går også mere på BPM-100, hvor der skal mange liter brændstof igennem pr. sekund. Som jeg forstår det, skal BPM-5 jo primært bruges til at teste trykreguleringen. Jeg vil dog nok mene, at man uden de store problemer kan lave en spaltebredde på 0,05 mm vha. 3 søgerblade.

I stor størrelse burde man ikke have de store problemer med at lave en passende spalte. Prøv f.eks. at se hvor store spalterne til både LOX og brændstof er i Armadillo Aerospace's pintle injector (Jonas billede øverst i bloggen).

Jeg har uploaded en 2D skitse af, hvad jeg forestiller mig her: http://www.innovatic.dk/knowledg/diverse/U... Injectoren består kun af 3 dele, som alle let kan drejes i Dinoen, og afstanden i ethanolspalten indstilles let ved at montere den bageste del først, ilægge 3 søgerblade svarende til den ønskede spaltetykkelse, presse ringen op mod dem og så svejse den fast gennem hullerne fra ydersiden. Det skal selvfølgelig helst gøres før den yderste kammervæg monteres dvs. på samme tidspunkt som afstandstrådene mellem de to kammerdele monteres. Ellers må man lave nogle huller til svejseværket i den yderste del og dække dem senere.

  • 6
  • 0

Som jeg forstår det, skal BPM-5 jo primært bruges til at teste trykreguleringen.

Nu vi er ved de meget simple løsninger, så hvad med at overveje VaPak systemet én gang til? http://ing.dk/blog/designe-en-rumraket-tri...

For at det kan fungere, skal temperaturen af GOX være den samme som for LOX - også efter at raketten har stået længe efter påfyldning af LOX. Det kan klares ved at udforme LOX tanken som en coaxialkonstruktion med en tank til GOX inden i LOX tanken (der skal være 5-10% GOX inden start, som beskrevet af Jonas B. B.).

Tryksætning af ethanolen kan så ske ved at lægge en stærk, termisk isolerende og nogenlunde tæt flyder/stempel oven på ethanolen og tryksætte fra oversiden med den samme GOX som bruges til tryksætning af LOX. Derved vil de to tanktryk altid blive helt ens, og ud fra de angivne kurver tror jeg, at man får et nærmest ideelt trykfald, som modsvarer rakettens vægtreduktion (trykket vil nok falde til omkring halvdelen sidst i burnet, da VaPak systemet skal "trække" to tanke i stedet for én).

  • 1
  • 1

Det blever en meget lang spalte (ca 300 mm) som flowmæssing skal svare til ca 150 stk 0,8 mm huller, ergo bliver det en særdeles tynd spalte, som formentlig bliver endnu sværere produktionsteknisk end de tynde huller.

Enig; ...

Ved nærmere efterregning er det da intet problem. Ét 0,8 mm hul har et areal på 0,5 mm2, så det samlede areal for 150 huller er 75 mm2. Ved en spaltelængde på 300 mm giver det en spaltebredde på 0,25 mm, hvilket absolut ikke er noget problem at lave med den beskrevne metode, så jeg er ikke enig længere :-)

  • 2
  • 2

@Carsten.

Super med en tegning. Det gør det meget lettere at forstå.

Nu må du altså holde op :-)

Den helt store fordel ved pintle injectoren (foruden stabiliteten og throttle muligheden) er jo, at den er overordentlig simpel at lave.

Det jeg (og formodentligt Jonas) tænkte på var at du laver en injektor som ikke er en pintle og derfor er det måske ikke retvisende at kalde den omvendt pintle. Pintle betyder så vidt jeg ved ikke "overordentlig simpel at lave" og en helt anden type injektor arver nødvendigvis ikke pintle injektorens egenskaber selv om man kalder den omvendt pintle. Anyway derfor kan det være en rigtig fin injektor. Det jeg lige kan se som evt. issues er: 1: Termisk ekspansion af materiale. Som jeg lige ser det vil spalten vel let blive påvirket af at hele toppen bliver kølet ned til -183. Det kan man selvfølgelig tage højde for, men jeg vil gætte på der skal nogle forsøg til. 2: Trekanten der er svejset på kammervægen vil vel meget let slå sig under svejsning og selv et lille udsving i spaltebredde vil vel let få en ret stor indflydelse. 3: Filmkøling har jeg lidt svær ved at se hvordan skal virke. Du vil lave et flow bag ved trekanten, men den svejser du på. Fuldsvejser du den vil der ikke kunne komme væske igennem og punktsvejser du den vil det vel være svært at styre flow. Et lille spor vil tillade væske at komme igennem, men jeg tror det vil blive svært at få ringen til at slutte tæt så der ikke nogle steder vil slippe meget væske igennem.

I stor størrelse burde man ikke have de store problemer med at lave en passende spalte. Prøv f.eks. at se hvor store spalterne til både LOX og brændstof er i Armadillo Aerospace's pintle injector (Jonas billede øverst i bloggen).

Her skal du huske at pintle injektoren er lille og sidder inde i midten. Din injektor kører derimod hele vejen rundt i periferien af kammeret.

Altså jeg kan se noget smart i injektorforslaget, men produktionsmæssigt vil jeg altså stadigt foretrække at bore huller (selv om det selvfølgelig heller ikke er trivielt).

Mht off topic delen

Nu vi er ved de meget simple løsninger, så hvad med at overveje VaPak systemet én gang til?

VaPak giver nogle spændende muligheder, men simpelt er det vel ikke. Du får en LOX / GOX blanding du skal få gennem injektoren (uanset om det er huller eller spalter). Flowmæssigt tror jeg det vil blive ret besværligt at regne på og hvad med atomisering når man har sådan et mix? Kan du få alt LOX fordampet og så bruge det i coaxial injektorer vil det være fint, men så skal du lige have en preburner og så er simpelt vist overstået.

Tryksætning af ethanolen kan så ske ved at lægge en stærk, termisk isolerende og nogenlunde tæt flyder/stempel oven på ethanolen og tryksætte fra oversiden med den samme GOX som bruges til tryksætning af LOX

Mener du godt nok tryksætte vodka med rent ilt ved 20 - 25 bar? Kan du blæse GOX'en ind i en meget tæt ballon så måske hvis man er modig.

  • 2
  • 0

Ved nærmere efterregning er det da intet problem. Ét 0,8 mm hul har et areal på 0,5 mm2, så det samlede areal for 150 huller er 75 mm2. Ved en spaltelængde på 300 mm giver det en spaltebredde på 0,25 mm, hvilket absolut ikke er noget problem at lave med den beskrevne metode, så jeg er ikke enig længere :-)

Du skal vist lige tale med de nye CS medlemmer Bernoulli, Stokes og Reynolds om man direkte kan sammenligne areal af 150 x 0,8 mm runde huller og 1 gange 300mm lang spalte der er 0.25mm bred hvis man vil vide om flowet faktisk bliver det samme.

  • 3
  • 1

2: Trekanten der er svejset på kammervægen vil vel meget let slå sig under svejsning og selv et lille udsving i spaltebredde vil vel let få en ret stor indflydelse.

Hvorfor skulle den dog slå sig, når den svejses fra siden og nogenlunde midt i konstruktionen?

3: Filmkøling har jeg lidt svær ved at se hvordan skal virke. Du vil lave et flow bag ved trekanten, men den svejser du på. Fuldsvejser du den vil der ikke kunne komme væske igennem og punktsvejser du den vil det vel være svært at styre flow. Et lille spor vil tillade væske at komme igennem, men jeg tror det vil blive svært at få ringen til at slutte tæt så der ikke nogle steder vil slippe meget væske igennem.

Den skal selvfølgelig ikke fuldsvejses. Først svejses 3 punkter ud for søgerbladene. Herefter må 3 punkter mere kunne gøre det (6 ialt). Hvis hullerne laves aflange, kan man nøjes med en langsgående søm i hver, hvilket ikke spærrer så meget. For at skabe filmkøling kan man f.eks. lave nogle riller i ringen. Man kan muligvis også dreje ringen lidt mindre og så indlægge afstandstykker ved de 6 svejsepunkter.

I stor størrelse burde man ikke have de store problemer med at lave en passende spalte. Prøv f.eks. at se hvor store spalterne til både LOX og brændstof er i Armadillo Aerospace's pintle injector (Jonas billede øverst i bloggen).

Her skal du huske at pintle injektoren er lille og sidder inde i midten. Din injektor kører derimod hele vejen rundt i periferien af kammeret.

Ved BPM-5 vil man få en spaltebredde på omkring 0.25 mm, hvilket uden problemer kan realiseres. I stor størrelse kommer man måske op på flere mm. Hvor er problemet?

VaPak giver nogle spændende muligheder, men simpelt er det vel ikke. Du får en LOX / GOX blanding du skal få gennem injektoren (uanset om det er huller eller spalter).

Der sker da ingen blanding. LOX udtages fra bunden af LOX tanken.

Tryksætning af ethanolen kan så ske ved at lægge en stærk, termisk isolerende og nogenlunde tæt flyder/stempel oven på ethanolen og tryksætte fra oversiden med den samme GOX som bruges til tryksætning af LOX

Mener du godt nok tryksætte vodka med rent ilt ved 20 - 25 bar? Kan du blæse GOX'en ind i en meget tæt ballon så måske hvis man er modig.

Nu er der jo altså et rimelig tæt stempel imellem; men selv om der skulle ske en blanding og antænding, kan ethanol ikke brænde hurtigere end man kan tilføre ilt. Man bruger faktisk ikke-tætte flammefælder i industrien, og man laver explosionssikre benzintanke ved at fylde dem med en grov ståluld. Desuden er trykdifferensen 0 og ikke 20 - 25 bar, så hvad skal få den lette GOX til at blande sig med den meget tungere ethanol?

Du skal vist lige tale med de nye CS medlemmer Bernoulli, Stokes og Reynolds om man direkte kan sammenligne areal af 150 x 0,8 mm runde huller og 1 gange 300mm lang spalte der er 0.25mm bred hvis man vil vide om flowet faktisk bliver det samme.

Skal vi nu ud i fluesex? Det kan da godt være, at man skal ned i 0,2 mm for BPM-5 for at få samme trykfald; men det kan stadig sagtens produceres, så hvad er problemet? Desuden skal hele tilførslen af LOX og ethanol jo med i beregningerne, så systemet skal alligevel justeres ind.

Ærlig talt. Leder du ikke bare med lys og lygte problemer i stedet for at søge løsninger, der kan hjælpe CS op over 100 km?

  • 1
  • 2

Der sker da ingen blanding. LOX udtages fra bunden af LOX tanken.

Du udtager en væske der ligger lige på kogepunktet og den væske kører du ind i en varmere injektor (= kogende væske).

Ærlig talt. Leder du ikke bare med lys og lygte problemer i stedet for at søge løsninger, der kan hjælpe CS op over 100 km?

Det eneste jeg kan sige er at jeg personligt ville vælge boret hvis jeg skulle lave injektoren, men jeg syntes spalte injektoren er spændende tænkt

  • 2
  • 0

Du udtager en væske der ligger lige på kogepunktet og den væske kører du ind i en varmere injektor (= kogende væske).

Hvis man vil begrænse det, kan man bare anbringe LOX tanken over ethanoltanken. Ved VaPak koger LOX ganske rigtigt i toppen - ellers kunne systemet jo ikke virke; men som følge af højdeforskellen mellem tank og injector er trykket ved injectoren noget større, så her skal der tilføres en hel del varme (fordampningsvarme), før LOX koger. Selv hvis det sker på det sidste stykke, kan jeg ikke se, at problemet et så stort. Om LOX bliver til GOX i den sidste del af injectoren eller lige udenfor betyder nok ikke det store.

Problemer er til for at løses. Hvis der er for stor varmeflux mellem LOX og ethanol, kan man f.eks. indsætte en termisk isolerende spalte fra oven i den øverste del. Det vil samtidig kunne udjævne termiske spændinger og mindske de termiske udviddelses- og sammentrækningsproblemer. Min tegning er bare en hurtig skitse. Der er ikke tale om en gennemarbejdet konstruktion. Jeg vil overveje at opdatere tegningen med en sådan spalte.

  • 0
  • 0

Skal det være en anelse on topic skulle man måske skrive "pintle injektor i aktion i morgen". Her er det lille x der skal sigtes efter et sted ude i Atlanten når første trin af Space X CRS-5 missionen har sørget for at give det første skub til de forsyninger der skal sendes til ISS.

  • 2
  • 0

Tak for oplysningen! Det bliver spændende! Kunne være spændende om de sender live fra hændelsen. Lykkes landingen er det offscale sejt som du skriver. Og lykkes det ikke får vi (muligvis) noget godt crashp*rn! :o)

  • 0
  • 0

Jeg har netop uploaded et nyt forbedret design baseret på metode 2: http://www.innovatic.dk/knowledg/Diverse/U...

Det nye design er endnu lettere at lave og har mindre termiske problemer. Problemet med filmkøling ved metode 2 et løst meget simpelt ved bare at trække ringen lidt højere op end den inderste kammervæg, så den "skræller" lidt af flowet af. Ringen skrues eller svejses fast på den inderste kammervæg vha. nogle afstandsstykker, så man ikke behøver at lave hakker til filmkøling. Monteringen sker nu før den bageste del af injectoren monteres, hvilket letter arbejdet. Derefter ilægges 3 søgerblade med en tykkelse svarende til den ønskede spaltebredde, og den bageste del isættes, presses op mod søgerbladene og svejses fast. Det kan ikke være nemmere, og man behøver ikke at gøre det, inden den yderste kammervæg monteres.

  • 2
  • 0

Jeg har netop uploaded et nyt forbedret design baseret på metode 2

Fin skitse - og det forklarer jo også tydeligt hvad du mente med at vende alkohol flowet...

Min fornemmelse er at det vil kunne fungere, i det mindste i princippet. For mig at se er der kun en enkelt af pintlens gode sider der mangler, nemlig muligheden for at justere på blandingen løbende (ved at flytte lidt på stemplet). Men måske er det ikke det mest vigtige i CS' tilfælde...

Men om de vil bruge det på den store motor er jo en anden sag. Der må vi jo vente og se. For nu må det være nok at CS kan vælge mellem "massiv bruserhoved med kompliceret fremstilling" og "injektor bestående af tre drejede emner".

Der er ikke meget vundet ved at fortsætte med at raffinere forslaget på papir. Næste punkt ville være at forsøge at genskabe figur 7, så vi får en fornemmelse for hvordan forbrændingskonus'en vil opføre sig. Ikke at man nogensinde vil kunne beskrive hvad der sker i konus'ens toppunkt... :)

  • 2
  • 0

Vi har nu fået bekræftelse på at spinning af de sidste motordele bliver udført i morgen onsdag den 6/1.

MejlingTV vil være på pletten og filme hele processen :-)

  • 4
  • 0

BPM-xxx er jo omstrømningskølet med ethanol/vand, og mit 2. forslag forudsætter naturligvis at de to kammerhalvdele er forbundet med hinanden, så de ikke kan forskydes indbyrdes. Det sker i BPM-5 med nogle langsgående ribber, der bøjer af for neden for at lede flowet opefter.

Har I overvejet i stedet at lade flowet gå rundt om motoren i en spiral for på den måde at oplagre kinetisk energi, så I måske kan klare jer med et mindre trykfald over injectoren?

Trykfaldet over injectoren har jo kun ét formål - at skabe et stabilt flow og dermed en stabil forbrænding uden oscillationer. Det er bare surt at ofre måske 5 bar på det - ikke mindst i en trykfødet motor. Hvis man har samme problem i elektronik, og skal løse det med passive komponenter, vil man typisk indsætte en spole i stedet for en modstand. Det stabiliserer flowhastigheden (strømmen) vha. kinetisk energi i magnetfeltet. Hvis man så anbringer LOX tanken over ethanoltanken, vil det lange LOX rør på tilsvarende måde kunne stabilisere LOX flowet.

  • 0
  • 0

Carsten Kantrup: Jeg synes det er et rigtigt flot og spændende bud du er komme frem til med din excentriske pintle (excentrisk forstøver vil være mit bud på et bedre navn end pintle), men jeg synes du skylder en tak til bl.a. Benny Simonsen for med sine spørgsmål at modne ideen til et niveau, hvor den er forståelig for menig mand og hvor nogle børnesygdomme er luget ud. Som læser lød dit første forslag interessant, men var svært at forholde sig til hvorimod det efter "gennemhaglingen" (og med illustrationen) er let fordøjeligt. Om det så kan fungere i praksis eller det er arbejdet værd at forsøge skal jeg ikke kunne sige (men det må da i denne sidste version være simpelt at teste om forsøvningsprincippet i det hele virker med en meget simpel prototype og vand I passende tryk), jeg vil blot pointere at du med fordel kan se noget positivt i den strøm spørgsmål, som du beklagede dig lidt over.

  • 2
  • 0

Carsten Kantrup:

Har I overvejet i stedet at lade flowet gå rundt om motoren i en spiral for på den måde at oplagre kinetisk energi, så I måske kan klare jer med et mindre trykfald over injectoren?

Det er en spændende tanke at overføre princippet fra el-verdenen. Men grunden til at det fungerer med spolen er vel at den rent ohmske modstand i forhold til den kinetiske energi i magnetfeltet er så lille, at den kan negligeres som en ubetydelig parasiteffekt. Og at spændingsfaldet over spolen, som er pendant til trykfaldet i kølekappen, derfor procentuelt er lille i forhold til resten af systemet.

Ved en tynd væskestrøm mellem de to kammerhalvdele må strømningsmodstanden være ret stor i forhold til den kinetiske energi du kan oplagre i væsken...hvilket så igen ville svare til at man har en spole med for tynde ledere og dermed for stor ohmsk modstand til at opnå det ønskede resultat i den her situation.

Skal væskestrømmen overgå fra ret til "snoet" øges modstanden i kappen vel i øvrigt blot ydeligere.

Hvad mener du?

  • 0
  • 0

Jeg kan se, at din "spole" vil være god til at dæmpe oscillationer i fuel flow forårsaget af svingende kammertryk, men jeg har meget svært ved at, hvordan man skulle kunne bruge den til at reducere det transinjektoriale trykfald. Så længe flowet er konstant, vil din "spole" vel kun virke som en rent "ohmsk modstand" (for at blive i el-termer)?

mvh Flemming

  • 0
  • 0

Carsten:

Fidusen er så, at jo mere "spole" man har, jo mindre modstand kan man klare sig med. Dermed kan man benytte tykkere rør og større spaltebredder.

Men tykkere rør må give lavere flow hastighed og spørgsmålet er så hvad det betyder for kølingen.

Friktionen er ved overfladerne og derfor risikerer man vel også en hastighedsforskel mellem væsken tættest på overfladen og væsken i midten af strømmen, som kan øge potentialet for at varmeafledningen ikke bliver god nok?

Som Flemming også skrive kan "enertien" i flowet gennem spolen dæmpe svingninger. Men hvis den skulle kunne dæmpe et konstant trykfald for et konstant flow ville det vel svare til, at et elektrisk jævnstrøms kredsløb, hvori der kun findes én ohmsk modstand kunne få reduceret sin samlede modstand ved tilføjelse af en spole i serie med den eksisterende, ohmske modstand.

  • 1
  • 0

Så længe flowet er konstant, vil din "spole" vel kun virke som en rent "ohmsk modstand" (for at blive i el-termer)?

Nej, en spole fungerer aldrig som en ohmsk modstand. Når flowet bliver konstant, forsvinder spolen ud af regnestykket. Selvfølgelig er der flowmodstand i de rør, som udgør spolen; men den kan reduceres næsten vilkårligt ved bare at benytte tykkere rør.

Fidusen er den, at med en "spole", som skaber "vekselstrømsmodstand", burde man kunne klare sig med et mindre trykfald over injektor og føderør = mindre "ohmsk" modstand. Med samme tanktryk vil der dermed få et højere kammertryk og dermed en højere ISP. Specielt ved en trykfødet motor er det jo surt at dimensionere tankene efter f.eks. 20 bar, men så kun have 15 bar i kammeret. De 5 bar trykfald tjener kun til at stabilisere flowet; men med en "spole" kan man måske komme ned på 2,5 bar for samme motorstabilitet, og så får man et kammertryk på 17,5 bar.

  • 0
  • 0

PS. En hybridmotor er kendt for at oscillere, hvis trykket over injektoren kommer for langt ned. HEAT 1X var et godt eksempel. Når motoren tændte, kom der en trykspids, som øjeblikkelig stoppede tilførslen af LOX. Derved gik motoren nærmest i stå. Efterhånden som trykket så faldt i kammeret, begyndte LOX at flyde igen. Når så motoren tændte igen, startede processen forfra. Resultatet var en motor, som reelt set startede og stoppede ca. 9 gange pr. sekund.

Problemet er, at en modstand ikke stabiliserer et flow. Den skaber bare et flow, der til enhver tid er trykdifferensen divideret med modstanden. En spole kan derimod stabilisere et flow vha. oplagret kinetiske energi (inerti). Det kendes bl.a. som vandhammer i industrien. Hvis man f.eks. har et langt rør med en pumpe i fødeenden og en ventil i den fjerne ende, er det meget vigtigt at stoppe pumpen et stykke tid før, ventilen lukkes. Gøres det samtidig, kan den oplagrede energi skabe så stort et tryk, at ventilen skydes af.

Mit forslag med at stabilisere flowet med kinetisk energi er absolut ikke nyt. Jeg fremsatte det første gang for mange år siden netop med henblik på at stabilisere en trykfødet LOX hybrid.

  • 0
  • 0

Carsten:

Beklager, men jeg forstår ikke, hvad du mener med dette. En spole stabiliserer flowet i princippet uden at skabe "jævnstrømsmodstand" - se mit svar til Flemming oven over.

Jeg misforstod din oprindelige beskrivelse og troede at du mente, at modstanden i injektoren ville falde hvis du bare satte en spole ind i systemet UDEN at ændre modstanden i rør/injektor, alene af den grund at kinetisk energi i spolens magnetfelt kunne "skubbe" flowet hurtigere igennem. Men jeg forstår pointen nu: stabiliser med spolen og reducer så øvrige modstande.

Det efterlader så stadig spørgsmålet om mindre hastighed i tykkere rør/kappe kan give samme køling som det hurtige flow med tilhørende trykfald.

Har du i øvrigt noget bud på hvor mange "vindinger", der skal være i kappen før der kommer nævneværdig spoleeffekt i det konkrete setup?

  • 0
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten