Omatekoinen rakettimoottori

[totalitor]

Päätin v. 2016 että kokeilen saanko suunniteltua ja tehtyä oman pienoisraketin. Luin kirjan "How to design small rocket engines" ja sen perusteella olen laskenut tarvittavia mittoja. Tarkoituksena oli tehdä niin pieni moottori kuin mahdollista. Päädyin kaasuhappi- ja alkoholi/vesiseosyhdistelmään.

Halusin koko moottorin olevan kuparia sen erinomaisen lämmönjohtavuuden ansiosta. Niinpä mietin miten tehdä polttokammio, miten kaventaa polttokammio delaval-suuttimeksi ja miten saada kaikki yhteen. Huomasin että tavalliset kupariputket menevät hienosti sisäkkäin ja päätin käyttää niitä. Opettelin kovajuotostekniikan ja tein muutamia prototyyppejä.

Moottorin polttoainesyöttö toimii typpikaasun avulla, happisyöttö tulee pullon omalla paineella. Venttiilit toimivat radio-ohjauksella.
Koska moottori on hyvin pieni niin polttoainesyötön kanssa on ongelma: tarvittava aukko polttoaineen ruiskutukseen polttokammioon on myös hyvin pieni. Laskettu 10 newtonin moottori tarvitsee ainoastaan 0,3 mm läpimittaisen aukon. Pystyn poraamaan kupariputkeen sellaisen reiän mutta se menee hyvin helposti tukkoon. Niinpä päädyin lopullisessa versiossa hieman isompaan moottoriin.

Rakettimoottori on polttoainekierrolla jäähdytetty.

Tässä tiedot lyhyesti:

Kammiopaine 6,9 bar
Työntövoima 53,5 N
O/F suhde 1,2
Polttoainesyöttöreiän halkaisija 0,8 mm
Happisyöttöreiän halkaisija 3 mm
Polttokammion halkaisija 16 mm
Suuttimen pienin halkaisija 8,8 mm
Suuttimen lähtöhalkaisija 11,7 mm
Moottorin pituus n. 14 cm

Moottorisarjan nimi on RUD (rakettiharrastajat varmaan tietävät lyhenteen merkityksen?) ja nyt on RUD-5 viimeinkin valmiina polttoaine- ja happisyöttöineen. Typpikaasupulloon on integroitu painesäädin, voin säätää sitä 0-50 bar. Uskon että 10 bar paine riittää tässä moottorissa ja samaa painetta aion käyttää happisyötössä.

Moottorin sytytys on vielä hiukan avoin, ajattelin käyttää sytytyspuikkoa tai sytytyslankaa. Testit ovat juuri menossa.
Elokuussa on tarkoitus koekäyttää moottoria.

Koska tämä on rakettitiedettä niin moni asia voi mennä vikaan.
Tässä muutamia mitä tulee mieleen:

-Hard start eli liikaa polttoainetta polttokammiossa sytytysvaiheessa - moottori hajoaa.
-Jäähdytys on alimitoitettu - moottori sulaa.
-Liian lyhyt polttokammio - polttoaine ei ehdi sekoittua happeen ja osa jää käyttämättä (ei ole kriittistä käytön kannalta).
-Combustion instability eli polttotapahtuma ei ole tasainen - pahimmillaan hajottaa moottorin.

Tässä linkki kuviin, tosin moottori on astetta pienempi mutta valmistustekniikka on sama.

http://imgur.com/a/a4c0q


Jos on hyviä vinkkejä mitä pitäisi vielä tehdä toisin ennen koekäyttöä niin olkaapa hyvät ja kirjoitelkaa.
Ja vapaasti saa kommentoida.

[Make_L]

Kannattaa tehdä 'penkkimalli' moottorista ja testata pelkän moottoriosan toimivuus ensin. Siloin hapen saa helposti hitsaushappipullosta ja vaikka typpipullosta polttoaineen paineistuksen. Jokin dynamometrisysteemi olisi avuksi ja 'penkissä' helpommin sovellettavissa. Kun palaminen ja työntö on tasaista, voi lisätä lopullisia 'palikoita' yksi kerrallaan testattavaksi.
Kaasuhapen (GOX) ongelma on se, että tilavuusyksikköä kohden grammamäärä jää pieneksi, siksi myös toiminta-aika ja kokonaisimpulssi. Tällöin moottorin osien lämpökapasiteetti saattaisi riittää sekunnin-parin ajan ilman jäähdytystä, mutta ei tietenkään pitkään testiajoon. Ylivoimaisesti suurin lämmitysteho kohdistuu suuttimen kurkkuun. Painetta nostamalla hapen tiheys tietysti lisääntyy, mutta painestian paino nousee. Nestehappi (LOX) tulee sekin mieleen, mutta on kyllä mielenkiintoinen proto tämäkin nyt kohteena oleva.
Jotta polttoaine ja happi sekoittuisivat tehokkaasti tarvitaan reilu paine-ero kammiopaineeseen nähden. Se vaikuttaa suoraan myös virtausnopeuksiin. Hapen ja polttoaineen ruiskutusreikien muodolla on merkitystä, samoin reikien keskinäisellä sijainnilla. Tarvittava polttokammion muoto on kokeiltava.(V2:ssa oli yli 60 injektoria, tähän pieneen moottoriin ei mahdu yhtä montaa
Tässä on paljon kokeiltavaa, mutta kokeilu ei ole häpeä - V2:eenkin oli tehtävä tuhansia muokkauksia. Netissä on näköjään juttuja GOX-moottoreista, mutta osa on noita penkkimalleja. Sytyttimenä pyrotekninen on epäilemättä varmempi. Olet varmaan tehnyt koko raketin osalta painoarvioita suhteessa työntöön. Sutton & Biblarz: Rocket Propulsion Elements on antoisa tiedonlähde.

[tt]

Vau, tuohan alkaa jo näyttää rakettimoottorilta!
Metallurgia ei ole minun ominta alaa, mutta kuparin kestävyys tuossa epäilyttää. Onhan se toki helposti työstettävää vaikkapa rosteriin verrattuna, mutta se myös sulaa aika alhaisessa lämpötilassa. Toisaalta se myös johtaa lämpöä hyvin. Kerro sitten kuinka kävi

Minulla on jossain jemmassa internetistä löydetty pienen, noin nyrkin kokoisen rakettimoottorin rakennusohjeet ja jos muistan oikein niin se käytti samaa hapetin/polttoaineseosta kuin sinun moottori. Koitan etsiä ohjeen lähipäivinä...

Oletko jo ottanut ensimmäiset savut moottorista? Joka tapauksessa onnea kokeiluille.

[tt]

Tässäpä: https://risacher.org/rocket/

[totalitor]

Juuri tuota kirjaa/ohjetta käytän suunnitteluun. Siinä on tosin oletuksena kaasuhappi/bensiini. Siellä on yleisohjeita ja kaavoja joista saa laskettua tarvittavat mitat.

Jos jäähdytys toimii niin kuparin alhaisempi sulamislämpötila ei ole ongelma verrattuna teräksestä valmistettuun polttokammioon.
Katsokaapa tätä harrastajan tekemää rakettimoottoria: se on alumiinia ja toimii hyvin.

http://watzlavick.com/robert/rocket/index.html

Tässä on kuvia viimeisimmästä versiosta. En käyttänyt enää typpikaasua kovajuottamisessa. Sen käyttö pitää putket puhtaina mutta juottamisessa oli lisäongelmia. Jäähdytyskanavaan varmasti jäi hapettumisjäämiä mutta toivon että ne eivät tuki 0,8 aukkoa niin helposti.

http://imgur.com/a/fi1yO

[totalitor]

Sain tehtyä sytytinsysteemin autoihin tarkoitetusta sytytyspuolasta - toimii.
Moottorin koekäyttö menee silti vuoden 2018 kesälle.

[totalitor]

Talven jälkeen projekti edistyy. Tein uuden jäähdyttämättömän moottorin. Muutaman sekunnin poltto pitäisi onnistua.
On vaan niin kuiva (ja hieno!) toukokuu että ei vielä uskalla testata maastopalon pelossa.
Testi tulossa kuitenkin kohtapuolin.

Tässä vähän kuvia

https://imgur.com/a/go736er

[tt]

Varsin asiallisen näköinen setuppi

Metsäpalovaaran kanssa ei kannata pelleillä, mutta kerro heti tulokset kuin pääset koeajamaan moottoria.

[totalitor]

Tein tänään 26.6.2018 ensimmäisen testiajon. Kaksi ekaa kertaa epäonnistuivat kun en saanut sytytystä aikaan. Ratkaisu oli saada vain vähän happivirtausta aluksi, sitten kipinä moottoriin ja sitten varovasti bensaa moottoriin. Olin tankannut vain muutaman sekunnin pituiseen ajoon.
Kaikki tapahtui niin nopeasti että aluksi tuntui että moottori kyllä syttyi mutta sammui saman tien. Kunnes tarkistin videokameroilta jälkeenpäin.
Ilmeisesti palamistapahtuma oli niin puhdas että liekkiä ei oikeastaan edes näkynyt. Palamiskaasut liikuttivat kahta pellinpalasta maassa (molemmat n. 300 g painoisia). Ääntä oli kyllä mutta odotin vähän enemmän. No pieni moottorihan tämä on.
Mitä mieltä olette? Katsokaa videota ja analysoikaa mitä tapahtui.
Bensa palaa lopussa koska laitoin kiinni typpikaasunvirtauksen. Olisi pitänyt vaan antaa virrata ja puhdistaa moottori.

https://www.youtube.com/watch?v=ooK0bSY ... e=youtu.be

[totalitor]

Tänään oli testiajo no 2. Sain oikeasti kunnon palamistapahtuman moottorin sisään mutta seurauksena oli että moottoriin paloi reikä. Odotin moottorin kestävän edes muutaman sekunnin mutta näyttää siltä että sivusta tuleva polttoaine syttyy välittömästi ja polttaa moottorin rikki. Ajattelin että polttoaine ehtisi roiskua seinämiin ennen syttymistään mutta niin ei tainnut käydä.
Takaisin suunnitteluun, täytyy miettiä jäähdytettyä moottoria. On minulla pari jäähdytettyä moottoria mutta niissä on samankaltainen polttoaine sivusta palokammioon ratkaisu.

https://youtu.be/YLDpEwOyEDI

[tt]

Onnittelut ensimmäisistä koeajoista!

Kuinka paljon sinulla oli noissa polttoainetta? Minun silmiin näytti että tuossa ensimmäisessä moottori ei palanut oikeasti ollenkaan vaan happi puhalsi polttoaineet moottorin läpi. Tai sitten seos oli erittäin laihalla...
Jälkimmäisessä videossa moottori selkeästi toimi hetken kun runko muuttui hehkuvaksi.

Jonkinlaista jäähdytysratkaisua tuo selkeästi kaipaa. Jos sen ei ole tarkoitus lentää ainakaan heti niin miten olisi vesikierto? Eli ulkokuori ja väliin vettä kiertämään kovalla nopeudella.

[Make_L]

Minäkin onnittelen koepolton toteuttamisesta! On sangen ansiokasta, että tekee jotain reaalimaailman kokeita, eikä tyydy pohdiskeluun
Videossa kaikki käy kovin nopeassa tahdissa, mutta näyttäisi enimmälti olevan kaasun, hapen, virtausta ja vain hetkellinen palotapahtuma.
Oletko säätänyt polttoaineen ja hapen virtauksen niin, että ne tulevat tietyssä, oikeassa suhteessa palokammioon? Hyvin toimiva injektori on välttämätön riittävän sekoittumisen saamiseksi. Injektorista pitäisi tietää sen läpi virtaavan polttoaineen määrä kg/s tietyllä paineella - paineistuskaasuunkin säädin ja mittari. Samoin hapen osalta tuo kg/s. Virtausmittari ja tietenkin paineensäädin olisi hyvä yhdistelmä. Hitsaushapen 'kellot' eivät riitä säätämään ulostulevaa painetta arvoon, joka on vaikkapa 35 bar. Kaupallisia virtaussäätimiä on olemassa suuremmillekin paineille.
Polttoaineen massavirtausta kg/s voisi mitata laittamalla purkin suuttimen alle, kellottaa ja punnita. Sen tietäen pääsisi laskemaan tarvittavan hapen painon /sek ja laskea sitten litramäärän. Happi/polttoainesuhde on kullekin yhdistelmälle ominainen. Näin selvittäisi ainakin suuruusluokat. Käytännön työssä on suoritettava testejä ja siitähän tässä on kyse.
Palokammion paineen tulisi olla tietysti korkea 'tehojen' saamiseksi, mutta käytännössä kai jokin 35 bar -kuten hybridimoottorissa- on hyvä alkuarvo.
Video: Äkkiseltään yhdyn arvioon siitä, että seos on laihaa, tarkoittaen liian vähäistä polttoaineen virtausta. Tällöin se palaisi injektorin lähellä, pienellä liekillä palokammiossa, mutta ei riittäisi varsinaisesti käynnistämään moottoria. Toimiva moottori synnyttäisi kyllä kunnolla näkyvän liekin.
-Palokammion suojaamiseksi käytetään myös sen sisäpuolista verhoilua. Testipenkissä voi toki järjestää vesijäähdytyksenkin. Kuparin oksidit toimivat joidenkin hapettimien kanssa katalyytteinä, liekö tässä? Lopuksi: Periksiantamatonta testausmieltä!

[totalitor]

Kiitos analyyseista. Käytän 10 bar painetta sekä polttoaineen syöttöön typellä että kaasuhapen syöttöön. Suuremmat paineet vaatisivat kalliimmat laitteet, näillä laitteilla mennään. Liian laiha seos saattaa olla syy siihen että ekassa videossa työntövoimaa kyllä tuli mutta ei kunnon liekkiä.
Toisessa videossa/testissä yritin vähentää hapen virtausta. Vähän vaikeaa se oli kun käytin radio-ohjauslaitetta, vipujen siirtelyyn ei ollut kovin paljon aikaa. Olen kyllä laskenut O/F suhteet, paineet ym. mutta käytännössä näin pienellä moottorilla toleranssit on pieniä. Tuossa moottorissa on yksi ainoa 0,7 mm reikä polttoainesyötölle ja 5 kpl 1,2 mm reikää happisyötölle. Pienikin poikkeama reikien työstössä voi merkitä paljon virtauksissa.

Luulen että tämä moottorikonstruktio ei vaan tule toimimaan. Tein helpoimman kautta. Polttoaine tulee 90 asteen kulmassa happivirtauksen suhteen ja sitten kun se oikeasti syttyy niin se poltti reiän vastakkaiseen seinämään moottorissa hyvin nopeasti. Sen näkee videosta, katsokaa hidastettuna kakkoskameran kuvaa.

Mutta näistä opitaan. Polttoaineen syöttö, happisyöttö, sytytys, venttiilien säätö - kaikki toimi kuitenkin.

Seuraavaksi yritän tehdä showerhead-tyyppisen injektorin ja käyttää bensaa jäähdytysnesteenä kaksoisvaipparakenteessa. Vaikeata mutta kiinnostavaa.

[Make_L]

Kunnon injektoriin kannattaa varmasti panostaa. Kiintoisia ovat öljypolttimen suuttimet; niissä on kaiketi aukon muotoilulla(?) saatu eri versioita suihkun leveydeksi (90-120-astetta jne). Injisointipaineen on oltava korkeampi kuin palokammion paineen, chuffing-ilmiö on muutoin mahdollinen. Tuo 10 bar jättää niukanlaisesti pelivaraa tässä mielessä, mutta jos toimii niin hyvä on. Suurempia paineita ja sopivia härpäkkeitä niiden säätöön voi aina löytää jostakin matkan varrelta. Samoin kaukosäädettäviä venttiileitä jostain purettavasta laitteesta jne.
Jäähdytysnesteen lämmönsiirtokapasiteetin olisi oltava mahdollisimman korkea. Samoin sen kiehumispisteen, jota voi nostaa paineistuksella. Polttomoottorien jäähdytyksessä on käytetty glykoliliuoksia, sopisivatko tähänkin - bensiini kuulostaa riskialttiilta.
Jälleen toivotan menestystä ja sitkeyttä, ammattilaisetkin joutuvat usein tekemään kymmeniä kokeita moottoreillaan. Raportoi meillekin!

[totalitor]

Suurin osa nykyisistä kantoraketeista käyttää jäähdytykseen polttoainetta eli kerosiinia. Hyvin toimivat. Kokeillaan siis samaa tässä seuraavassa moottorissa.