Omatekoinen rakettimoottori

Yleistä keskustelua ja kysymyksiä pienoismalliraketeista
Make_L
Posts: 262
Joined: 19 October 2006 20:28:45
Location: Espoo

Re: Omatekoinen rakettimoottori

Post by Make_L » 16 July 2019 22:27:49

Eräs vanha NACA:n julkaisu väitti kirjoittajien saaneen 70% etyylialkoholiseosta käytettäessä lukemia Isp 220...230 s. Puhtaalla alkoholilla Isp oli 240...249. Niinpä puhtaan alkoholin käyttö ei antane merkittävää etua. Vesi-alkoholiseos on sikälikin viisas valinta, että se on näemmä varsin anteeksiantava happi/polttoaine -suhteen osalta. Ja onhan matalampi palokammion lämpötila saavutettu etu sekin!
Autopuolella on näköjään käytetty myös sen tapaista kuin 50% metanoli/vesi -seos. Tosin poltto-olosuhteet ovat aivan muunlaiset kuin mitä rakettimoottorissa. Mielenkiintoista kyllä, mutta suoria johtopäätöksiä ei ole helppo tehdä soveltuvuuden suhteen.

totalitor
Posts: 49
Joined: 16 September 2016 09:01:33

Re: Omatekoinen rakettimoottori

Post by totalitor » 22 July 2019 10:41:39

Tein tyontövoiman mittaussysteemin ja ajoin moottoria pari kertaa. Laitoin myös isomman polttoainetankin.
Mittari näytti 3 kg työntövoimaa. Olen suunnitellut moottorin 4,5 kg työntövoimalle joten tavoitteeseen en päässyt. Tosin vielä on testattavaa jos vaikka tehoa saisi suurennettua. Vähemmän vettä polttoaineseokseen - mutta silloin polttokammion lämpötila nousee. Isommat paineet happi- ja polttoainesyöttöön - on vielä 1 bar varaa nostaa ennen kuin säädöt loppuu kesken.
Mutta moottori toimi n. 11 sekuntia joka on uusi ennätys. Enempää sen ei tarvitsekaan toimia, tämä testi nyt viimeistään todisti että olen tehnyt regeneratiivisella jäähdytytyksellä toimivan rakettimoottorin.
Saanko puristettua kaikki tarvittavat osat alle kolmeen kiloon jotta on edes teoreettiset mahdollisuudet tehdä oikea pienoisraketti?
Vaikeata tulee olemaan.

Videoita on täällä:

https://www.youtube.com/channel/UCf2lLs ... 4Sg/videos

totalitor
Posts: 49
Joined: 16 September 2016 09:01:33

Re: Omatekoinen rakettimoottori

Post by totalitor » 22 July 2019 16:25:41

Laskin vähän tulosten perusteella eri arvoja. Käytin suunnittelussa arviota isp=200. Nyt kun tiedän paljonko polttoainetta kuluu sekunnissa ja liekin ulkonäöstä päätellen seossuhde on melko oikea niin sain isp:n arvoksi n. 100. Onko moottorin polttokammiossa todellakin pieni paine ja se saa aikaan tämän? Vai keksiikö joku muu selityksen miksi polttoainetta kuluu n. 17 g/s ja työntövoima on vain 3 kg?
Kaavahan on isp=(F/W total)

W total on siis ajoaineiden kokonaiskulutus lb/s.

Make_L
Posts: 262
Joined: 19 October 2006 20:28:45
Location: Espoo

Re: Omatekoinen rakettimoottori

Post by Make_L » 23 July 2019 21:53:07

Voi vain onnitella, sitkeä työskentely vie eteenpäin! Projektisi on vaativa.
Jäin miettimään Isp:n laskemista siksi, että kaavassasi esiintyy Wtotal eli kokonaiskulutus ja sen yksikkönä lb/s.
Is -merkintää käytetään nesteraketeissa, koska on niissä mahdollista määrittää työntö ja polttoaineen virtausnopeus eli massavirta hetkittäin.
Isp -merkintää käytetään joskus kiinteäpolttoaineisissa moottoreissa, koska polttoaineen hetkittäistä kulutusta eli massavirtaa on vaikeampi määrittää. Tällöin spesifinen impulssi lasketaan usein kokonaisimpulssista ja käytetyn polttoaineen kokonaismäärästä integraaliyhtälöä (jota en pysty tähän laittamaan) käyttäen. Molemmat mitataan lyhyin aikavälein. Kyse on kokonaissummista, tavallaan keskiarvojen käytöstä.
RUD:n kokonaiskulutus on määritetty, mutta kokonaisimpulssia ei ole helppo määrittää vaakaa työntövoiman mittarina käytettäessä. Pitäisi saada työntökäyrä, josta sitten kokonaisimpulssikin selviäisi.
Käytetyt yksiköt on hyvä huomioida, joko SI-järjestelmä tai EE-järjestelmä = jos käyttää lb/s, on voiman ja massavirran yksiköt otettava samasta järjestelmästä (lbf, slug/s). Oltava tarkkana, milloin käytetään painoon, milloin massaan perustuvaa järjestelmää. Kuten aina fysiikan laskuissa; yksiköiden on syytä täsmätä.
En tiedä, ymmärsinkö nyt oikein, mutta 3 kg/ 0,017 kg/s = noin 176. Tämä voisi olla hetkellinen Is-lukema?
Työntövoima on oma kohteensa. Työntövoimaan vaikuttavat termodynaamisessa kaavassa palokammion paine ja suuttimen kurkun pinta-ala eniten. Mekaniikan suunnalta katsoen työntö on massavirran ja keskimääräisen nopeuden tulosta pääosin johtuva. Jos kammiopaine jää alle 1,8 bar niin virtaus deLaval-suuttimessa ei enää ole supersoonista. Korkea kammiopaine lisää massavirtaa (kaasu tiivistyy), joskaan nopeus suuttimen kurkussa ei silti nouse yli 1 Machin. Palokammion paineen nosto olisi mielekäs kokeilukohde, jos moottori kestää korkeamman paineen. Injektori(e)n ja palokammion oikeaoppinen mitoitus niin, että polttoaine ehtii palaa kammion sisällä ja suuttimen osuus vaikuttavat nekin moottorin toimintaan. Mutta selkeintä on muuttaa yhtä asiaa kerrallaan.

totalitor
Posts: 49
Joined: 16 September 2016 09:01:33

Re: Omatekoinen rakettimoottori

Post by totalitor » 24 July 2019 09:21:05

Käytän laskuissa ei SI-yksiköitä jotka sitten muunnan SI-yksiköiksi.
Näin ajattelin asian: Ajoaika viime testissä oli 11 sekuntia, tiesin kulutetun polttoaineen määrän (190 g) ja siitä sain W fuel=17,27 g/s eli 0,0380564 lb/s.
Optimi seossuhde alkoholi/happisysteemille taitaa olla 1,2 mutta taisin ajaa hieman polttoainerikkaalla seoksella eli laitetaan O/F=1.
Eli myös W ox=0,0380564 lb/s. Tästä saadaan W total=0,077128 lb/s. Työntövoima F=3 kg eli 6,61 lb.
Kaavasta isp=(F/W total) saadaan siis lukema isp=85,7. Eli onpa huono.
En ole asiantuntija näissä laskuissa, voi mennä vikaan.
Moottori kyllä kestää paineen noston, ainoa rajoittava tekijä on happi- ja typpipaineet: säätövara loppuu arvoon 10 bar. Aion kyllä kokeilla miten paineen nosto vaikuttaa työntövoimaan.

On aika hieno hetki kun moottori lähtee käyntiin. Videot ei anna oikeata kuvaa tapahtumasta, meteliä tulee melkoisesti.

Make_L
Posts: 262
Joined: 19 October 2006 20:28:45
Location: Espoo

Re: Omatekoinen rakettimoottori

Post by Make_L » 24 July 2019 23:45:57

Polttoaineen määrä onkin siis oletettavasti 0,38 kg (per 11 s). Isp ei nouse todellakaan korkealle. SI-järjestelmässä voiman yksikkö on Newton, johon tietysti tässä koejärjestelyllä päästään kertoimella g, eli 9,81. Laskeskelin arvioimalla keskimääräisen työnnön ja siitä kokonaisimpulssin ja tulin samaa suuruusluokkaa olevaan Isp-arvoon. Siis kokonaisimpulssi / polttoaineen kokonaismäärä. (Tämä on edellä tarkoittamani integraaliyhtälön mukainen laskentatapa).
Työntövoimaa pitäisi saada lisää. Pelkää arvailua: Palaako kaikki polttoaine moottorin sisällä? Sen osittainen palaminen ulkopuolella ainakin selittäisi asiaa. Ehkä paineen nostoa kokeillessa tulee lisäinfoa. Miten liekin väri muuttuu seossuhteen myötä?
Suuren rakettimoottorin ääni läheltä kuultuna on kyllä vaikuttava! Jokin diginauhoitin ja toistossa subbari mukana?

totalitor
Posts: 49
Joined: 16 September 2016 09:01:33

Re: Omatekoinen rakettimoottori

Post by totalitor » 25 July 2019 10:15:19

Youtuben testissä RUD-10 test 1 näkee miltä näyttää kun seos on aivan liian polttoainerikas. Ei tule edes havaittavaa työntövoimaa.
RUD-10 test 4 on mielestäni liian paljon happea suhteessa polttoaineeseen (ikään kuin osaisin oikeasti arvoida tarkan seossuhteen liekistä.)
Kammiopainetta en pysty mittaamaan, arvailen vaan että se on oletettua pienempi ja ehkä alhaiseen työntövoimaan vaikuttavat myös ei-optimaalinen suuttimen muotoilu ym. häviöt moottorin sisällä.
Lisätestejä ensi viikolla.

totalitor
Posts: 49
Joined: 16 September 2016 09:01:33

Re: Omatekoinen rakettimoottori

Post by totalitor » 12 August 2019 10:42:59

Tänään tein testin suuremmilla paineilla. Sekä polttoaine- että happipaineet olivat 9,5 bar. Jos uskoo tyontövoimamittaussysteemiin niin lisätyöntövoimaa tuli. Aikaisemmin n. 29 N (3 kg) ja nyt n. 32 N (3,3 kg). Kokeilin aluksi 10 bar paineilla mutta ei lähtenyt kunnolla käyntiin. Maksimipaineet säätimissä on 10 bar, ehkä meni liian lähelle paineet ja ei vaan toiminut.
Samannäköistä liekkiä kuin ennenkin eli kammion tilavuus riittää vieläkin polttotapahtumaan.
Ehkäpä minun pitäisi hankkia enemmän painetta kestävät laitteet. Ruokahalu kasvaa...

Video täällä
https://www.youtube.com/watch?v=qNIFawKpaqU

tt
Site Admin
Posts: 635
Joined: 20 January 2003 16:09:08
Nimi: Timo Toivanen
Location: Espoo

Re: Omatekoinen rakettimoottori

Post by tt » 12 August 2019 12:49:46

Noniin, tuossahan alkaa vähitellen olla voimaa johonkin liikkuvaan viritykseenkin. :)

Painelaitteissa olisi hyvä olla aina reilusti marginaalia takapotkujen yms. varalta, mutta 10 barin jälkeen kaikki alkaa muuttua kalliimmaksi ja painavammaksi.
“Scientists dream about doing great things. Engineers do them.”
- James A. Michener

totalitor
Posts: 49
Joined: 16 September 2016 09:01:33

Re: Omatekoinen rakettimoottori

Post by totalitor » 20 August 2019 14:28:10

Erinomaisesti toiminut RUD-10 moottori pääsi ehjänä eläkkeelle. Testissä siis seuraavaksi RUD-11. Samat mitat kuin edellisessä moottorissä ja sama injektori mutta lisäksi film cooling neljällä 0,3 mm reiällä. Film cooling-tekniikassa osa polttoaineesta ei mene pääsuihkuun moottorin sisällä joten tehoa hukkaantuu. Mutta kuinka paljon?
Ensimmäinen testi: paineet polttoaineella (70 % alkoholi 30 % vesi) 9 bar ja hapella samoin. Työntövoimaa oli vain 19,6 N (2 kg) verrattuna RUD-10 29 N (3 kg). Film cooling todellakin toimi sillä moottori ei ollut kovinkaan kuuma testin jälkeen.
Mutta jos jäähdytys on tehokkaampi niin voinko sitten käyttää raakaa alkoholia? Kokeilenpa.
Toinen testi: paineet samat kuin edellisessä, tyontövoima 24 N (2,5 kg). Hyvältä näyttää mutta moottorin kupariputkeen tuli värimuutoksia eli kova kuumuus on moottorin sisällä. Kestääkö pitkää ajoa?
Kolmas testi: paineet 9,5 bar ja tankki täyteen. Huono sytytys ja polttoaine paloi ulkopuolella, työntövoima surkea. Eipä liekinheittimestä työntövoimaa tule.

Johtopäätös: tämä kokoisessa moottorissa pitäisi olla vielä pienemmät reiät film cooling-tekniikalle mutta pienempiä en pysty tekemään. Työntövoima oli huonompi kuin normimoottorissa eli edellinen RUD-10 vei voiton. Hylkään film cooling-tekniikan, en tarvitse sitä.
Parempaa työntövoimaa saan paremmalla injektorilla, vähentämällä veden määrää polttoaineessa tai lisäämällä kammiopainetta.
Sitä ennen täytyy kehittää sytyttämistekniikkaa, tänään oli suuria ongelmia sytytyksen kanssa. Kuudesta yrityksestä vain kolme onnistui ja viimeinenkin huonosti.

videoita täällä:

https://www.youtube.com/channel/UCf2lLs ... 4Sg/videos

tt
Site Admin
Posts: 635
Joined: 20 January 2003 16:09:08
Nimi: Timo Toivanen
Location: Espoo

Re: Omatekoinen rakettimoottori

Post by tt » 21 August 2019 12:50:54

Hienon näköistä taas!
Huomasin kakkospolton lopussa että liekki oli selvästi vihreä. Sekin kertoo että moottori kävi kuumana ja saattoi vähän kärsiäkin.
“Scientists dream about doing great things. Engineers do them.”
- James A. Michener

Make_L
Posts: 262
Joined: 19 October 2006 20:28:45
Location: Espoo

Re: Omatekoinen rakettimoottori

Post by Make_L » 27 August 2019 13:37:51

Jäin miettimään, saako moottori sen ajatellun O2-määrän; noin 18 g/s. Hapen tiheys 1,4; saan 12,8 L/s eli 770 L/min. Painehäviöitä tulee paineenalentajan jälkeen letkuissa ja nippeleissä. Saman saisi laskettua, jos tietäisi virtauskertoimet. Tulin niin uteliaaksi, että kokosin sukelluspullosta tulevalla ilmalla toimivan mittahärpäkkeen. Siinä on suutin koteloituna niin, että ulos virtaava ilma menee rotametrin läpi. Harmi kyllä, mökiltä löytyi vain sellainen rotameri, jonka asteikko on max 260 L/min (eli 4,3 L/s). Koska tämä olisi kaukana tavoitearvosta, laitoin 1,5 mm halkaisijaltaan olevan suuttimen. Painemittari sijaitsi juuri ennen suutin/kotelointi -rakennelmaa. Sukelluspullon antama staattinen paine oli noin 10 bar. Kun tulpan tilalle tuli 1,5 mm suutin ja virtaus alkoi, painemittari näytti 8 bar. Rotametri löi lähes tappiin, arviolta 280 L/min ainakin. Kun (jos olen ymmärtänyt oikein) käyttämäsi suuttimen halkaisija on 3 mm, sen pinta-ala on yli neljä kertaa suurempi eli massavirran pitäisi yltää tavoitearvoon. -Paineilmaa muuten kului tuhottomasti testaillessa, kyllä pienestäkin reiästä mahtuu kulkemaan paljon kaasua :)
Hitsauskaasun, hapen, paineenalentajan mittari yltää 15 bar asti. Ovatkohan paineenalentajat säädettävissä niin, että antaisivat tuon 15 bar? Voi tietysti olla, että jotkut direktiivit teknisten syiden ohella estävät sellaiset säädöt?
Silti ehdotan, että moottorissa olisi palokammion paineen mittausmahdollisuus. Sellainen vähentäisi teorettista pähkäilyä.

totalitor
Posts: 49
Joined: 16 September 2016 09:01:33

Re: Omatekoinen rakettimoottori

Post by totalitor » 27 August 2019 20:29:53

Joo olisi kiva tietää paljonko happea menee g/s. Polttoaineen kulutuksen voin laskea kun tiedän paljonko tankissa on ja kuinka kauan poltto kestää.
Huomaa että moottorissani on kaksi kertaa 3,2 mm aukkoa hapensyötölle. Paineen mittaussysteemi on aika vaikea rakentaa kun ei ole oikein tilaa injektorissa mihinkään ylimääräiselle.

Koska kesää on vielä jäljellä niin teen vielä yhden version moottorista. Olisi joitakin yksityiskohtia joita kaikkia voisi muuttaa ja sitten nähdä tulisiko enemmän työntövoimaa. Ongelma on vaan että jos menen muuttamaan monia kohtia moottorista en tiedä mikä kohta aiheuttaa mitäkin. Eli keskityn nyt vain injektorin parantamiseen. Sain tehtyä injektorin jossa kaksi 0,8 mm reiästä lähteävää suihkua kohtaavat toisensa 60 asteen kulmassa. Ja sen jälkeen kaksi 3,2 mm happireikää tulevat 15 asteen kulmassa ja osuvat polttoaineeseen. Teoriassa sekoittuminen tehostuu ja sitä kautta työntövoima.
Muutoin moottori on samanlainen kuin hyvin toiminut RUD-10.

Ajattelin myös että käytänkö oikeasti 70 % alkoholia polttoaineena? Sinolista sanotaan että se sisältää 90 % alkoholia ja loput on sitten jotain muuta (vettä, muita kemikaaleja?). Jos se on vettä ja laitan lisää vettä niin taitaa mennä alkoholin osuus reilusti alle 70 %.

Rakettitehdas toimii...
Last edited by totalitor on 29 August 2019 12:32:01, edited 1 time in total.

Make_L
Posts: 262
Joined: 19 October 2006 20:28:45
Location: Espoo

Re: Omatekoinen rakettimoottori

Post by Make_L » 27 August 2019 21:09:10

Sinolin käyttöturvallisuustiedote kertoo: Etanoli 90-100%, Propan-2-oli 1-5%, Metyylietyyliketoni 2%, Metyyli-isobutyyliketoni 2%. Isopropanoli on palavaa sekin. Nuo ketonit ovat jonkinlaisia liuottimiakin, mutta käyttö denaturointiin lienee tässä se pääasia. Koska tiedotteessa luetellaan vain vaaraa aiheuttavia aineosia, on prosenttien ulkopuolelle jäävä osuus kai vettä. Voihan vettä lisätä hieman, olettaen että etanolia olisi vähintään tuo 90%.
Menestystä rakettitehtaalle!

Make_L
Posts: 262
Joined: 19 October 2006 20:28:45
Location: Espoo

Re: Omatekoinen rakettimoottori

Post by Make_L » 02 September 2019 11:17:09

Lisää mittaustuloksia. Edellä siis järjestely, jossa sukelluspullo-tavanomainen sukelluspullon regulaattori-letkua- painemittari-suutinhärpäke. Staattinen paine regusta oli 10 bar. Halkaisijaltaan 1,5 mm suuttimella paine oli 8 bar. Laitoin 3 mm suuttimen ja paine 6 bar. Poistin suuttimen, jolloin käyttämäni putken sisämitta 4,3 mm jäi 'suuttimeksi' ja paine oli enää 2-3 bar (30 bar asteikolla olevan mittarin lukematarkkuus vaatimaton). Olen hieman ihmeissäni siitä, miten näitä tuloksia tulee tulkita. Ilmaa kulkee valtavasti, vaikka paine putoaakin.
Flow factor -haulla löytyy jos jonkinlaisia sivustoja ja taulukoita. Silti kaipaisin jotakuta asiantuntijaa tulkitsemaan tilannetta.
Tämä mittailuni pätee tietenkin vain tuohon käyttämääni systeemiin. Voimakas paineen aleminen oli toki odotettavissa; usein 10 L:n pullo (2000 L sisältö) riittää sukeltajalle tunniksi; tämä vastaisi virtausta 33 L/min eli 0,6 L/s. Nyt testatussa systeemissä virtaus oli paljon suurempi, kymmenkertainen ja enemmänkin.
Miten olisi painemittarin laitto mahdollisimman lähelle moottoria, hapen syöttöputkeen, T-liittimen avulla? Silloin ei tarvitse tunkea moottorin päätyyn lisää reikiä. Koekäytöllä, ilman polttoainetta, selviäisi ainakin se, millä paineella O2 tulee moottorille.
Jos käyttämäsi paineenalentaja on tarkoitettu hitsaushapelle, sen suorituskyky on varmasti erilainen kuin sukelluslaitteen regulaattorin, mutta näin mitaten saisi ainakin jotain suuntaa-antavaa. Hienoa olisi saada virtausmittari, jonka asteikko riittää näin suurille virtauksille. Käyttämäni rotametri (max. 260 L/min) on Kytölän valmistama. Kenties jostain löytyisi suurempiakin malleja?

Post Reply