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.
rumfart på den anden måde cs banner bloghoved

Et par µm SiO2, tak!

Kære læsere,

For et par uger siden kørte vi en række motortest forud for flyvningen af Nexø II. På trods af en mindre fejl så godkendte vi Engine Controlleren og dens kode til flyvning, men hvad med de der TEOS-test, hvordan gik det egentlig med dem?

Illustration: Carsten Olsen

Nexø II’s reservemotor for fuld drøn i teststanden. Foto: Carsten Olsen.

Som skrevet i den tidligere blog, så kørte vi i alt fem test på dagen, alle med forskelligt brændstof for både at se effekten af at sænke vandindholdet og effekten af at tilsætte TEOS. Brændstoffet anvendt i de fem test var:

  • 1) 75% ethanol
  • 2) 85% ethanol
  • 3) 92.5% ethanol
  • 4) 91.5% ethanol + 1% TEOS
  • 5) 74% ethanol + 1% TEOS

For læsere, som måske ikke læser med på alle blogs, så lad mig lige kort genopfriske hvad tilsætningen af TEOS forventer at resultere i. TEOS danner ved høje temperature et lag af amorf siliciumoxid. Brænder man det derfor af i en raketmotor, så får man belagt sit brændkammer og dyse med et tyndt lag siliciumdioxid. Da det har en meget lav varmeledningskoefficient, så nedsætter man varmeoverførsel fra forbrændingsgasser til brændkammer og dermed vil motoren være stresset mindre end ellers. Det kan altså udvide designrummet lidt med hensyn til mekanisk styrke af selve brændkammeret.

Inden vi kigger på data så vil jeg lige vise den umiddelbare, visuelle effekt af at køre med TEOS. Billedet nedenfor er taget efter den sidste test med TEOS. Som det ses så er indersiden af motoren og dysen dækket af et fint hvidt lag siliciumdioxid.

Illustration: Niels Foldager

BPM5, nu coated med (formentlig) nogle få mikrometer siliciumdioxid. Foto: Niels Foldager.

Jeg har grublet lidt over en pæn måde at præsentere data fra alle fem test på… men det har jeg ikke rigtig fundet. Så uden yderligere omsvøb, så kommer der fluks ca. 1 million datapunkter i form af fem gange 12 grafer med motordata…

Illustration: Thomas Pedersen

Motordata fra Test #1 med 75% ethanol.

Illustration: Thomas Pedersen

Motordata fra Test #2 med 85% ethanol.

Illustration: Thomas Pedersen

Motordata fra Test #3 med 92.5% ethanol.

Illustration: Thomas Pedersen

Motordata fra Test #4 med 91.5% ethanol + 1% TEOS.

Illustration: Thomas Pedersen

Motordata fra Test #5 med 74% ethanol + 1% TEOS.

Formålet med at ændre på brændstofsammensætningen var at se på den resulterende varmeflux, altså se på temperaturen af brændstoffet i kølekanalen. Det har jeg samlet i nedenstående plot.

Illustration: Thomas Pedersen

Brændstoftemperatur og effekt afsat i brændstoffet.

Grafikken er delt op i tre rækker. I øverste række ser vi temperatur og effekt afsat i de tre test uden TEOS, altså med henholdsvis 75%, 85% og 92.5% ethanol. Helt som forventet ser vi en højere temperatur når vi reducere indholdet af vand. Vi går fra en temperaturstigning på ca. 40 grader og til 54 grader for 85% og 65 grader for 92.5%. Jeg har ikke på forhånd regnet så meget på den forventede temperatur, men tallene virker ikke overraskende.

Bemærk i øvrigt at MECO for de to test med 85% og 92.5% ligger ved ca. T+17 sek, hvorimod standardblandingen blev kørt længere, nemlig frem til ca. T+25 sek.

Den afsatte effekt er plottet i højre side. Det ses at 75% blandingen når omkring 186 kW, mens 85% blandingen når 217 kW og 92.5% blandingen når 238 kW.

Så langt så godt. Hvad sker der så når vi tilsætter TEOS? Lad os se i række to. Her har vi sammenlignet 75% blandingen med den tilsvarende koncentration med 1% TEOS. Vi ser at temperaturstigningen før det første er mere konstant og ligger på blot 30 grader! Den afsatte effekt i brændstoffet er 143 kW, en reduktion på 23%!

Kigger vi på nederste række ser vi en sammenligning af 92.5% med og uden TEOS. Her ser vi temperaturstigningen gå fra 65 grader og til 44 grader når vi tilsætter TEOS. Ligeledes ser vi den afsatte effekt gå fra 238 kW og til 171 kW, en fald på 28%!

Sammenligningen for 75% blandingen forstyrres dog en smule af et kammertrykket i TEOS-testen desværre var en smule lavere, 15,2 bar mod 16,4 bar. Derudover var OF-forholdet skrækkeligt lavt, helt nede på 0,9… Det ødelægger sammenligningsgrundlaget lidt for den blanding.

For 92.5% blandingen er sagen dog anderledes. Her var kammertrykkene ens og OF-forholdene var næsten ens, så her ser vi bestemt en reel reduktion i varmetransport fra forbrændsgasser og til kammervæggen på op mod 30%. Det er ganske massivt og virkelig noget vi kan bruge i designet af BPM100.

I forbindelse med sidste blog blev der spurgt til BPM100 designet, og den fik jeg ikke svaret på. Men sagen er at det ligger lidt stille for tiden, pt er det all hands on deck op til Nexø II opsendelsen. Så snart den er skudt af, så begynder vi at fremstille de første injektor-elementer til testbrug. Det kommer vi til at skrive meget mere om så snart Nexø II har fløjet.

ThomasPedersen
er civilingeniør fra DTU fra 2006 og har en Ph.D. indenfor mikro- og nanoteknologi fra DTU Nanotech, og er nu ansat samme sted som seniorforsker. Thomas har bygget raketter siden 1999 og blev en del af Copenhagen Suborbitals i 2009. Han er et af flere medlemmer af Copenhagen Suborbitals, der skriver på denne blog.
sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Den blog havde jeg spejdet længe efter, for synes jo nok man kunne høre én der i live streamingen sagde -30% :-)

Hvorfor ser man ikke termisk ligevægt i test1 ?
Undlod I at skifte fuel tryksensoren efter test 1 af sammenlignings hensyn?
LOX flow målingerne for de 2 test på 92.5% er meget urolige, hvad skyldes det?

Tillykke med en god test.
Alle affyringer kom jo nærmest på samlebånd uden de store sværdslag. Smukt!

  • 3
  • 0

Citat: "Da det har en meget lav varmeledningskoefficient, så nedsætter man varmeoverførsel fra forbrændingsgasser til brændkammer "

Det tror jeg ikke helt på, et par mikrometer er ikke nok til at isolere noget som helst.
Mulige effekter der ville have en reel indflydelse:

a/ Øge tykkelsen af grænselaget imellem dysevæg og forbrændingsgasser

b/ Reducere dysens absorptionskoefficient så den "suger" mindre termisk stråling fra forbrændingskammeret. Jeg kan se at dysen er hvid i det synlige område, men det betyder se'fø'li ikke at den også er hvid i IR området hvor det primære varmeflux ligger.

Jeg tror umiddelbart at b/ er bedste forklaring - Ikke fordi det gør den store forskel - det primære må jo være at det virker......

  • 3
  • 0

En tredje forklaring kunne være:

c) SiO2 afsættes og fordamper kontinuerligt på indersiden af brændkammeret og dysen. Herved foregår der egentligt en form for ablativ køling.

Sandsynligvis er alle 3 forslag i spil på samme tid.

  • 1
  • 1

c) SiO2 afsættes og fordamper kontinuerligt på indersiden af brændkammeret og dysen. Herved foregår der egentligt en form for ablativ køling.


Man "vinder" lige så meget varme når gasformig SiO2 bliver til fast som man "taber" ved at det bliver til gasformigt igen. Hvis det hele er i ligevægt er sagen klar, man kan ikke lave ablativ køling på den måde.

MEN -- en raket er meget langt fra termisk ligevægt. Det er muligt at man kan flytte rundt på varmen på den måde ved at materialet simpelthen ikke fordamper samme sted som det blev fortættet.

Det er også muligt at temperaturen varierer, og at SiO2 fordamper når der er rigtigt varmt (og dermed brug for mest køling) og fortætter når der er knap så varmt.

Begge dele lyder lidt søgt. Uanset hvad forklaringen er, så viser målingerne at det virker. Det kan ikke bortforklares.

  • 1
  • 1

Jeg tror (håber) vi er ganske tæt på termisk ligevægt. Tankenes størrelse på teststanden tillader ikke kørsler af meget længere varighed. Når Nexø II flyver, så får vi forhåbentlig det længste BPM5 burn til dato, så må vi se om vi endelig rammer en reel termisk ligevægt.

LOX-flow målingen undrer også meget, jeg har ikke noget godt svar. Andet end at når man differentiere den summerede kurve (som er sensorens output), så bliver det nemt lidt “støjet”, men normalt ikke så meget som vi ser her.

Tryksensoren blev ikke skiftet... da vi simpelthen ikke opdagede det! Under kørslen er der omkring 50 tal på skærmen man skal holde øje med. Jeg stillede mig tilfreds med at kammertryk var ok og at trykket på LOX-siden var spot on. Fuel-siden nåede jeg simpelthen ikke at kigge på, da jeg også var optaget af at se brændstoffets temperatur.

En fremtidig opgradering af softwaren kan være en form for fejlvisning, altså hvor værdier som ikke er nominelle bliver fremhævet.

  • 3
  • 0

Når man kigger på hvordan man normalt regner varmetransport igennem materialer på, hvor tykkelsen jo også indgår, så er jeg helt enig i at min udlægning nok er tvivlsom. Så jeg vil godt erkende at jeg er usikker på hvad mekanismen reelt er. Hvis nogen kan gennemskue det, eller ligefrem finde litteratur på det, så må de endelig sige til :-)

  • 1
  • 0

Vi er vel oppe på forklaring nr e) ...

Der er et fænomen der hedder thermal contact conductance, som beskriver to faste legemers evne til at overføre varme.

Wikipedia har selvfølgelig uddybende forklaring.

Men når det er sagt, så er effekten forbløffende stor.

  • 0
  • 0