Få de daglige nyheder fra Version2 og Ingeniøren. Læs mere om nyhedsbrevene her.

close
By signing up, you agree to our Terms & Conditions and agree that Teknologiens Mediehus and the IDA Group may occasionally contact you regarding events, analyzes, news, offers, etc. by telephone, SMS and email. Newsletters and emails from Teknologiens Mediehus may contain marketing from marketing partners.
raketbyggerne fra dtu danstar

Kan man udnytte en raketmotors spildvarme effektivt?

Hvis du gerne bare vil have konklusionen, så er svaret et rungende ja. Hvis du gerne vil vide, hvordan hele det orkestral der hedder at flytte 120 kW varme ud af en raketmotor er skruet sammen, så læs med her.

Ser man bort fra injector, fluidsystem, montering, håndtering og alle de andre puslespilbrikker som normalt skal gå op i en højere enhed for at en bi-liquid raketmotor kan fungere, og koncentrerer man sig derimod udelukkende på brændkammeret, så bliver man stillet overfor to store opgaver. Disse er termisk og mekanisk stresshåndtering.

Det kommer næppe som nogen overraskelse, at når man frigiver kemisk energi gennem en proces, der fødes med sammenlagt 1,4 kilogram lattergas og isopropanol i sekundet, så er man nødt til at lægge en plan for hvordan man har tænkt sig at håndtere varmen. Til sammenligning ser man omtrent på en total energifrigivelse der er i størrelsesordenen af en klejn vindmøllepark, men det er heldigvis ikke al energien her der går tabt som varme - faktisk kun i størrelsesorden 1-2%.

Hovedsagligt snakker man om to forskellige typer af kølesystemer - det transiente og steady-state systemet. Som det ligger i ordet gælder der for det transiente system, at det aldrig når til en ligevægtstilstand. Dette er eksemplificeret i bl.a. vores egen demomotor, som består af en stor kobberblok, der i form af kobberets egen varmekapacitet er i stand til at absorbere varme over en længerevarende periode. Givetvis ikke en motor man typisk vil anvende i fartøjer på grund af den forøgede masse og sænkede brændtid, men til tests giver denne type "køling" god mening, da det er relativt simpelt at producere en motor som fungerer på denne måde.

Af steady-state typerne er de to mest anvendte strålingskøling og regenerativ køling. Og regenerativ køling er der hvor de hårde drenge hiver effektiviteten hjem, så her skal vi naturligvis også forsøge at lege med!

Ved at cirkulere et eller begge af sine propellanter omkring motorens brændkammer inden man blæser det ind i kammeret over injectoren kan man derved optage og genvinde noget af den varme man ellers have smidt væk i sit brændstof. Den varme som brændstoffet nemlig optager på sin tur rundt i kølekanalerne er varme som man ikke behøver at betale når det engang skal antændes ved 2700 celsius. DanSTARs næste motor kører som bekendt på flydende lattergas og isopropanol og er dimensioneret til at levere 3.1 kN i cirka 13 sekunder. For lattergasmotorer arbejder man typisk med et højt oxidizer/fuel-forhold (OF), og dette er i og for sig ikke et problem.

Det begynder til gengæld at blive vanskeligt når man gerne vil implementere regenerativ køling i sin motor. Lattergas har ikke særlig høj varmekapacitet sammenlignet med isopropanol, og blev det nævnt at lattergas kan dekomponere til kvælstof og ilt (læs: voldsom eksotermisk reaktion) under pludselige temperatur og trykændringer? Det er derfor udelukket at bruge lattergassen som kølemiddel, så det efterlader os med isopropanolen, som vi jo netop lige har konkluderet vi ikke har særlig meget af sammenlignet med lattergassen på grund af vores høje OF. Det er derfor alfa-omega at såfremt man af en eller anden sindssyg årsag stadig ønsker at køre med regenerativ køling på sin lattergas motor, at man har et stjerneklart billede af hvor meget varme der skal optages og hvorhenne.

Illustration: Rasmus Pedersen

Når masochismen så småt har lagt sig og den uoverskuelige opgave begynder at falde lidt på plads, kunne det så ikke være fint at give det et skud at se om det kunne lade sig gøre at lave motoren i aluminium for at spare vægt? Svaret er naturligvis "jo selvfølgelig". Agena-motorerne fra 60'erne var faktisk lavet af aluminium, og den sidste iteration, Agena-D, blev brugt som upperstage intet mindre end 269 opsendelser. Så her starter DanSTARs motoreventyr. At udvikle en regenerativt kølet lattergas/isopropanol motor, som er lavet af aluminium.

Dykker man dybere ned i litteraturen og undersøger hvordan man bør bære sig ad med det her, så findes der mange tiltag man kan lave for at mindske energioptaget i væggen. Der en balance mellem at sætte sin drifttemperatur i væggen et sted, hvor væggen ikke fejler rent mekanisk, som skal opvejes mod hvor meget varme man kan optage i kølemidlet (højere vægtemperatur giver lavere varmeoptag) som skal afklares hurtigst muligt. Derfor har vi opsat en numerisk 1D model, der simulerer varmeoptaget i væggen baseret på matematik fra frigivede NASA-skrifter. Da varmeoptaget i en motorvæggen med stor nøjagtighed kan antages som konvektiv varme, ser vi bort fra strålingen, og så begynder det at give mening at kigge på indvendige belægninger. Copenhagen Suborbitals har for nyligt haft held med at blande et par dråber TEOS i deres ethanol, som under forbrænding deponerer et tyndt lag siliciumoxid på kammervæggen. Dette lag har særdeles ringe varmeledningsevne og eftersom varmen nu skal flytte sig gennem siliciumoxiden over i kammervæggen, introducerer man en termisk modstand, som kammervæggen nyder godt af. Som det kan ses på modellen, er det klart at selv meget tynde lag af oxiden kan give betydelige bidrag.

Illustration: Rasmus Pedersen

Går man skridtet videre og implementerer filmkøling i sin injector giver man sig selv de bedste muligheder for at få det til at lykkes. Injectormodellering er en enormt svær opgave, så den må vente til senere, men kigger vi for nu udelukkende på TEOS/ikke-TEOS kan det ses at selv 0.05mm (50 my!) sænker kammervæggens temperatur med cirka 100 grader ved samme køleimplementering. Med andre ord kan det lade sig gøre at køle væsenligt mindre aggresivt og derved sikre sig en større margen på varmekapaciteten i sit brændstof (husk at det ikke må begynde at koge).

Illustration: Rasmus Pedersen

Til slut bør det nævnes at en af grundene til at DanSTAR som projekt overhovedet kan eksistere er på grund af vores sponsorer. Bl.a. har Teknologisk Institut i Århus sagt ja til at 3D printe vores motor, så de er med til at give os mulighed for at løfte projektet til større højder. Tusind tak!

RasmusPedersen
er 22 år gammel og læser til civil maskiningeniør på sit 7. semester på DTU. I DanSTAR er han ansvarlig for motorudviklingen, rakettens overordnede arkitektur samt meget af den eksterne kommunikation.

Godt fanget! Modellen er kørt afsted med 50 my, men jeg tog faktisk lige og lavede tjekket med 5 my. Det giver nogenlunde det samme netop fordi man introducerer et nyt varmeovergangstal. Får det rettet til 50 my. Tak!

  • 3
  • 0

Hvor pålydende skal vi tage skitsen af motoren ovenfor?

Jeg tænker: Skal der ikke være et cirlulært manifold til at fordele brændstoffet jævnt hele vejen rundt nede ved dysen, inden det starter turen opad?

Er der stringere mellem inder og ydervæg?

mvh Flemming

  • 2
  • 0

Hej Flemming,

Skitsen er ikke særligt sigende i og med man ikke kan se hvad der er mellem de to kammerskaller. For at regen-køling kan lade sig gøre med den her motor er jeg kommet frem til at alt IPA'en skal cirkulere rundt om motoren en lang "snegl". Der er derfor ikke behov for en manifold som man typisk ser, da den bare skal indføres i den ene ende af spiralen.

  • 2
  • 0

Hej Tommy,

Som jeg skrev oppe i indlægget, så er injektormodellering noget som må vente til fremtiden. Vi er stadig ved at finde ud af hvilken type af injektor vi gerne vil have. Ingen tvivl om at filmkøling utvivlsomt kan give os noget positivt ift. varmefluxen.

  • 1
  • 0