Téma:

Cielom tohoto vlákna by malo byt dosiahnut pokial možno čo najvyššieho výkonu TPH na báze dusičnanu amonného za pomoci horenia Al,Mg,Pyrotechnického magnália a rôznych spojív. A následné použitie vo večšom R.M. s hmotnostou TPH 200 g až 2000g. (pre učel raketového modelárstva)

Po dlhej dobe som sa vrátil k testom TPH na báze NH4NO3.Ponevač ma AN čo by oxydant dost inšpiruje čoby darca vysokého špecifického inpulzu, pohybujuceho sa v rozmedzý od 180 po 220 ISP. Je známe že tento oxydant má svoje uskalia. Jak všedci poznáme, AN je extremne navlhavý. Prah vlhnutia je 67% relatývnej vlhkosti vzduchu. Preto je vhodné tuto TPH pripravovat hlavne v zimných mesiacoch , kedy je relatývne nízka vlhkost vzduchu cca 60 %.
Sušenie:
Nejaký US. patent čo som sa dočítal doporučuje sušit AN do TPH a iných generátorov tlaku až 16 hod pri teplote 110 stup C, a tých sraček čo tam ide na stabylizáciu AN panečku jo.(po vysusení a stabilizácii sa vypisuje niečo ako "rodný list AN" od ktorého sa počíta vek,doba stárnutia AN)Ja som sušil AN pri teplite 70 stup C cca 4 h ,a potom som dvihol teplotu na 110 stup C na dalšie 4 h. AN nutno suchý skladovat v sklenných zaváracých pohároch pod šrobovacým výčkom!!!
Za dalšie: je nám známi fázový prechod , zmena kryštalickej štruktury AN Pri teplote 32 stup C. (Povedzme že fázový prechod pri malých raketových motoroch , nebude možno až tak vadit. Rozmerová kontrakcia jadra , sa pravdepodobne neprejavuje až tak moc,ako pri velkých raketových motoroch , s navážkami niekolko ton TPH. A ked si človek ohlídá tu teplotu 32 stup. C , tak by táto TPH mohla byt celkom solidne pracujúca, a výkonná).Dalšia s nevíhod je níska špecifická hustota AN ktorá sa pohybuje kolo 1,725 g/cm3 , takže sa nám do motoru s rovnakým objemom vojde podstatne menej TPH ako u ostatných oxydantov.Pre tento fakt je preto dôležite priam nutné prekročit hranicu 175 ISP ,aby sa nám vôbec vyplatilo použit TPH na báze AN.Je nutné dosiahnut minimálne 175 ISP aby sme sa vôbec vyrovnaly napr.mnou používanej epoxydovky s označeným (4-44-444).

Dalej len heslovite:

AN poskytuje málo uvolneného kyslíku,K jeho stabilnému a rovnomernému roskladu v TPH je nutno použit dychromany ,ale je možno nahradit práškovým kovom ako je Horčík ,Hliník,Alebo Pyrotechnické magnálium čo sa mi zdá ako najlepšia volba , Jak skrz chem.stabylitu TPH z hladiska vlhnutia ,ale aj s dôvodu toho že Al sa v tejto TPH dost blbo spaluje. (možný prídavok Síry,PVC,alebo iné pojivo uvolnujuce elementárny Chlor ktorý napomáha k spalovaniu Al.Napr spomenuté PVC,chlorkaučuk( R. Nakka.používa neoprén.))

Cielom tohoto môjho príspevku nie je papuškovat už dávno známe fakty ktoré popísal aj LK vo svojich stránkach , ale zistit či tato TPH bude solidne pracovat v trochu vedšých raketových motoroch s navážkami kolo 200 g až možno 2-3 kg.
V brzkej dobe chcem uskutočnit pár testov ,a zistit ako sa daná TPH správa. Aké vyžaduje minimálne ,alebo maximálne zahradenie.Pokusy budú spojené aj s meraním tlaku v spalovacej komore.



Zloženie testovacej TPH mnou označenej (AN-3) : 66%-AN (Pudr)
16%-Pyrotechnického magnália (zrnitost cca 60 mik.)
18%-Silikon (LOKOPRÉN N 1000)

Pre testovanie bol zhotovený motor s nerezu (1.4301), s hrúbkou steny (3mm ako bezpečnostná rezerva pry nechcenom náhlom zvýšení tlaku). Ku dnu R.motoru bola tigem privarená Fe rúrka zo závitovým adaptérom G 1/2 na tlakomer. Jadro má rozmer Fí 30 , L 228 , Kanál Fí 9,7 , Tryska grafitová Fí 6,8.
Počiatočné zahradenie Z-226 konečné Z-540 (KN).Teoretická hustota tejto TPH je 1,5664 g/cm3 (mnou dosiahnutá hustota TPH je 1,5477g/cm3 to est 98,8% teoretyckej hustoty.(naprosté minimum je 95 %))

Motor po zážehu nasadil na ťah cca 80N (tlak v komore pri tahu 80 N je cca 2 Mpa) a postupne,priamoumerne zvyšujucemu sa zahradenu sa ťah vyšplhal až na hranicu 370 N kedy už v spalovacej komore bol tlak 7 MPa !!! (motor v konečnej fáze horenia cca 1 sec od konca činnosti dával neuveritelný zvukový efekt, rev jak prase ,až zaliehalo v ušiach). Motor pracoval 2,26 sec. plameň asi 1 m dlhý biely. Dosiahnuté ISP 1615 N/s kg takže som zistil že som spravil krok spet.Bude pravdepodobne nutné vyrobyt palivové jadro v koncepcíí BATESS , kde bude pravdepodobne celu činnost motora rovnaké zahradenie (parameter KN). Je naprosto nutné držat pracovné tlaky na +- rovnakom pracovnom tlaku, aby bola termodynamická učinnost motoru a TPH čo najvyššia. Tlak treba držat v rozmedzí 4,5-6 možno 7 Mpa.Samozrejme k tomu správny expanzný pomer výtokovej trysky. (Ideálne KN by som považoval cca 500)

Tu je ďalší statycký test konpozíície na Báze AN , ale s koncepciou BATES , aby sa docielilo lepšej účinnosti TPH.


Zloženie 67%- AN (pudr)
17%- Al (Pyrotechnycký)
16%- Silikón-Lukoprén N 1000

Do motoru sa vkladá 5 ks. palivových jadier s rozmermi fí-26 , L-40. Dosiahnutá hustota TPH 98,89 % teoretyckej.
Počiatočné KN cca 415 ,stredné KN 454 ( cca v strede činnosti motoru) , konečné KN-377, tryska grafitová fý 5,75 mm , expanz trysky 1:7.
(Ale !!! po letmej konzultácíí s Pandym , a predchádzajúcich pokusoch s palivovým zrnom fí 20*90 kde , Ta sama TPH horela za meniaceho sa KN zo 150 na 400 vykazovala rýchlost horenia 8 mm/sec.) bola tryska motoru v koncepcíí BATES prevŕtaná na 6 mm . Tým pádom zmenené začiatočné KN na hodnotu 382 , stredné na KN 417 koncové KN 346.
Zistenie: Doba funkcie motoru 0,93 sec. Plameň jasný cca 1m dlhý. Ale k veci - TPH bola lisovaná do papierfenolických rúrok , Jadrá boli prevŕtané fí 8,5 a narezaný závit M10 , čelá segmentov zdrsnené vpichmi tvarového sústružníckého noža . Práve tieto dve úpravy povrchu pri danej TPH nie sú moc vhodné ,lebo spôsobia obrovský tlakový nárast cca o 50-100 %,a to pri koncepcíí Bates nie je moc vhodné keď vezmeme v potas, že motor bol priemerne namáhaný 7,2 Mpa v tom to prípade, a tlakový nárast bol až na 13 Mpa. Priemerný pracovný tlak bol 7,2 Mpa. g.
V tryske bola po teste vytvorená po stenách vrstva Oxidu Si , asi 1 mm hrubá, smerom k hrdlu trysky sa tento nános zmenšoval asi až na hodnotu 0,1 mm na stenu. Takže parameter KN bol po celu dobu
+- rovnaký. Dosiahnuté ISP. netuším ponevač ako merák som použil obyčajnu osobnu váhu a jediné čo sa tam na moment mihlo bol ťah cca 480 N. Táto hodnota sa tam objavila cca 0,33 sec po zážihu.
Hmotnosť TPH 154 g .

Boli uskutočnené ďalšie dva testy TPH na báze AN. Najskôr preberiem test TPH s použitím polyuretánu:

60% - AN (pudr)
20% - Pyrotechnické magnálium (50 mikronú štandard s práškových kovu. CZ to nerobím reklamu.)
20% - Polyuretánová zalievacia hmota (PU431-PH30)

Zistenie: TPH mnou označená ako : AN-12

Tableta priemer fí- 25 L-45 kanál skrz fí - 7 horí za atmosférického tlaku síce stabilne, rýchlosťou cca.
0,44 mm/sec, ale vytvára takú šupinovú strusku. Tieto šupiny majú tendenciu sa hromadiť v kanáli a tvoriť také chuchvalce pomerne tuhej charakteristiky. Tieto chuchvalce majú tú zlú vlastnosť že opúšťajú kanál v týchto zhlukoch naraz , a nie postupne v šupinách. (tento efekt je pozorovateľný na horení skúšobnej vzorky , tablety), Toto nepravidelné uvoľňovanie struky spôsobuje extrémne zanášanie trysky. Jemné až stredné pulzácie pri prelete tryskou , ako odchádzajú von hrdlom a expanznou častou trysky.

Do motoru sa vkladajú 5 ks palivových segmentov o rozmeroch jadra fí 26 - L40 - kanál fí 8
Skúšobný motor bol vybavený grafitovou tryskou priemer 5,5 zahradenie : (začiatočné - 414) ,( stredné - 476) , (konečné - 378) , (priemerné - 423).
nedostatky : Po teste bola tryska extrémne zanesená oxidom kovu a to hlavne hrdlo trysky , ktoré sa zmenšilo na priemer cca 2,5 mm (kupodivu expanzný kužel bol čistý) ! Tým pádom sa zahradenie vyšplhalo až na uctihodnú hodnotu 2066 (Kn) !!! Tlak v spaľovacej komore stúpol chvála bohu iba na 5,3 MPa. TPH horí pod tlakom pomerne pomali cca 1,66 mm/sec
Celkový čas práce motoru cca 5,4 sec. maximálny ťah iba 60- 65 N , dosiahnuté ISP: cca 1219 Ns/kg.
Možná možnosť nápravy: Ubrať množstvo polyuretánu na cca 10-16 % a použiť vyššie lisovacie tlaky.
Som skúšal aj home made polyuretán zo zložením 70% ricínový olej + 30% diisocyanatu 4,4 ( tužidlo do tej PU hmoty.), ale výsledok taký istý ako s tou PU hmotou.







Ďalšia testovaná konpozíícia s AN bola testovaná za použitia pojiva silikónu N-1000.

Zloženie mnou označené ako : AN-20

62% - AN (Pudr)
18% - pyrotechnické magnálium (50 mikronu štandard s práškových kovu. CZ to nerobím reklamu.)
20% - silikon N-1000

Teoretická hustota 1,575 g/cm3.
Dosiahnutá hustota 1,537 g/cm3. Cca 97,55 % teoretickej hustoty, bolo dosiahnuté iba veľmi malým lisovacím tlakom cca 5-10 kg/cm2 (0,5 - 1 MPa).

No čo dodať dá sa povedať že úplne dokonalé. Po zážihu motor okamžite nabehne na plný ťah 200 N ,a pracovný tlak 5 MPa ktorý jemne kolíše od 5 do 6 MPa.
Doba činnosti motoru 1,6 sec , plameň štíhly cca 800mm dlhý.
Do motoru sa vkladajú 4 ks palivových segmentov o rozmeroch jadra fí 26 - L50 - kanál fí 8
Skúšobný motor bol vybavený grafitovou tryskou priemer 5,5 zahradenie : (začiatočné - 375) ,( stredné - 471) , (konečné - 440) , (priemerné - 429).
Po teste bol expanzný kužeľ trysky ľahko zanesený bielym Oxidom. Hrdlo trysky zostalo čisté - bez známky usadenia oxidu , a neporušené jak tvarovo tak rozmerovo.
Expanzný pomer trysky 1- 8 čo som prešvihol o cca 0,3 ideál je cca 1 - 7,7.
Odborná literatúra CP Technologies napísaná ku konpozíciam AN , John H. Wickman doporučuje vrcholový uhol expanzní časti trysky 30 stupňov. Ja dávam 20 Stupňov ale , pravdepodobne tak strácam 2 % výkonu motoru .
R. Nakka používa stupňov 24. (Kto chce nech si vybere , ale asi ideál bude tých 24-30 stup.).
V motore zostalo po skúške 6,5 g strusky .
Priemerný pracovný tlak 5,1 MPa.
Motor po iniciácii okamžite začne pracovať naplno ,žiadny pomalý rozbeh alebo počiatočne pulzácie.
Množstvo použitej TPH 151,93g výkon testovacieho motoru cca 300 Ns.
Dosiahnuté ISP 1974,59 Ns/kg , alebo ISP 197 ako komu vyhovuje osobne preferujem 1974,59 Ns/Kg.
Za účelom prekročenia pre mňa magickej hranice 2000 Ns/kg sa ponúka mierne zvýšenie priemerného Zahradenia (Kn) na úroveň 460 - 480 Kn. kde by sa malo dosiahnuť cca 204 ISP a pracovný tlak cca 7 MPa.
Grafy vyhodnotenia PC sú podľa mňa nadhodnotené cca o 10- 14% ( hold teórie ).
Sama TPH s obsahom pojiva 18%-20% lukoprenu N-1000 sa už pomaly stáva plastickou - hlavne keď sa pridá tužidlo , po cca piatich minútach hnetenia a miesenia TPH chytí hustotu plastelíny , možnosť ľahkého pechovania a následného mierneho zlisovania tlakom cca 2- 5 MPa. Pri obsahu 22 % LUKOPRENU je už TPH úplne plastická. V latexových rukaviciach lze hniesť a miesiť ako plastelínu. Doba spracovateľnosti je cca 1 h pri použití 4 % tužidla. Pri použití viac tužidla sa doba spracovateľnosti podstatne viac skracuje a opačne menej predlžuje.
Ďalej chcem dať do popredia že , zrnitosť ,fragmentácia AN nemá až taký vplyv na rýchlosť horenia TPH.
Dalej : Rýchlost horenia danej TPH - pri danom tlaku sa dá matematicky približne odvodzovat ,ale nebudem zatial zverejnovat,nemám odskušané, ale je tak 80-95 % pravdepodobnost že to bude fungovat.

Na rýchlosť horenia tejto TPH má največšý vplyv : veľkosť častíc použitých práškových kovov, a ich percentuálny obsah v TPH.
Taktiež pojivo LUKOPREN N-1000 a jeho použité množstvo má vplyv na rýchlosť horenia , ale nemá až taký dopad ako práškový kov. Je rozumné sa pohybovať s Lukoprenom N-1000 v rozmedzí 16% - 22 % max .


Taktiež s obsahom práškového kovu (magnália) je vhodné sa pohybovať v rozmedzí 14- 20%. Odborná literatúra CP Technologies - sice uvádza minimálni obsah Mg na hranici 12 % , kde je zachovaná stabilita horenia , ale mi nemáme dostupnosť jemného chemicky ošetreného 15 - 20 mikronového Mg , a taktiež kaučuky na báze HTPB je u nás tabu. Tak že som dospel viacerými pokusmi k záveru že dolná hranica magnália je cca 14 % (Horí to síce aj s 12 % Magnália , ale vzorky majú tendenciu pri atmosférickom tlaku zhasínať).

( TPH stabilne horí aj s 25 % lukoprenu a 20 % magnalia kde je TPH už úplné plastická , Možno by sa dalo ísť s lukoprenom aj na hranicu 30 % pri zachovaní horľavosti TPH , ale upozorňujem , že táto TPH už od 22 % začína zanechávať dosť veľa strusky vo forme malých bielych sfér (guličiek) a pri použití 25- 30 % pojiva bude strusky ešte viac a ISP už pude hodne dolu.).

Sušenie AN : Už som jedenkrát uvádzal že AN je nutno sušiť a to minimálne !! 8-10-12 h pri teplote 90-110 stup, inak je mletie problematické , AN sa lepí na steny trieštivého mlýnku , AN musí pri mletí krásne víriť. Nejaký US. patent uvádza sušenie po dobu 16 h pri teplote 110 stup C.
Čo sa týka sušenia ja osobne suším AN týmto spôsobom: AN sa pred sušením ľahko premelie v mixéru s noži na strednú fragmentáciu cca 200 - 500 mikronu. Takto ľahko premletý AN sa vloží na cca 1 - 1,5 hod. do vyhriatej rúry na 80- 90 stup. Takto predsušený AN sa zlepí do hrudiek a zle sa AN suší, preto tento AN presytujeme cez syto o veľkosti ok cca 1*1 mm výsledné hrudky sa nám pekne rozpadnú na tú predošlú fragmentáciu 200-500 mikrónu. Takto presytovaný AN dáme speť do vyhriatej rúry a sušíme ďalej pri teplote 90-110 stup po dobu 4 hod. Potom takto predsušený AN dáme do poháru zo šróbovacím víkom a hermeticky uzavrieme. Tento krok je vhodný s toho dôvodu že pri schladnutí tohto poháru sa vytvorí mierny podtlak a zbytková vlhkosť v kryštáloch má tendenciu "akoby s kryštálov vyliesť, sublimovať " na povrch a rovnomerne sa rozptýliť v AN . Po cca 24 hod pohár otvoríme (mal by fúknuť ako zaváranina ) a dáme znovu sušiť na 4 h do vyhriatej rúry na onú stanovenú teplotu 90-110 stup. Po uplynutí 4 h AN znovu vložíme do poháru a herm. uzavrieme. Znovu počkáme 24 h a po tejto dobe zahájime posledný stupeň sušenia , 4 - 5 h pri teplote 100-110 stup takto vysušený AN sa vloží do poháru a znovu herm. uzavrie . AN po schladnutí musí byt sypký ako piesok. Ďalej je vhodné AN skladovať v tak veľkých pohároch ako budete potrebovať ja používam klasické 720 a 300 ml poháre. Je treba minimalizovať množstvo otvorení a spetných uzavretí pohárov na minimum, AN okamžite naberá vzdušnú vlhkosť. Pri sušení je vhodné cca každých 20 - 30 min AN zľahka premiešať.

Čo sa týka Fragmentácie AN je vhodné použiť viac frakcii. CP Technologies uvádza používať frakcie 200- 90 mikrónu (Sférického typu).
Pre jednoduchosť ja som použil spôsob taký že dávka mletého AN sa nechá v trieštivom mlýnku mlieť cca 30 až 40 sec. , dostaneme frakciu pomerne pudrového AN , ale s obsahom frakcie cca 100 mik. (pomer : cca 80-90 % pudr a 20-10% 100 mik.)

Ďalej chcem dať do pozornosti : Pri použití chemicky neošetreného Mg : má táto TPH tendenciu uvoľňovať amoniak a to z dôvodu jak dočasného prístupu vzduchu ktorý obsahuje vlhkosť , tak z dôvodu toho že AN sa nikdy úplne (100%) vysušiť nedá a tým pádom dochádza k vzájomnej reakcii AN a Mg. (s toho dôvodu je vhodné používať pyrotechnické magnálium a hliník je chem. stabilnejší )

Ďalej chcem dať do pozornosti : pyrotechnicky Al a upozorniť na jeho značný vplyv na rýchlosť horenia TPH na báze AN. (exponent horenia) treba si predom dobre rozmyslieť aké zahradenie (Kn) chceme použiť. Možno pojednám v budúcnosti.

Bol uskutočnený nový test TPH na báze AN (AN-16)


Zloženie klasický Wickman: AN-60 zrnitosť 100-200 um
Mg-20 zrnitosť 50 um
PU-20 (PU zalievacia hmota PU-431-PH30)

Do motoru sa vkladajú 4 ks palivových segmentov o rozmeroch jadra fí 26 , L - 50 , kanál fí - 8mm .
Tryska grafitová - fí 5,5 po teste hrdlo zanesené MgO na fí 4,7 mm expanzný kužeľ 1:7 - Expanzný kužeľ čistý.
Dosiahnutá hustota TPH neuveriteľných 99,5 - 99,8 % teoretickej hustoty TPH.
(Zahradenie) Kn začiatočné 375--stredné 471--koncové 440

---

priemerné Kn bolo cca 429.

Priemerný tlak : 1,95 Mpa
Max tlak : 3,25MPa
Priemerný ťah : 50 N
Max ťah : 85 N
Doba funkcie : 4,73 sec
Výkon motoru : 240 Ns
ISP : 1655 Ns/Kg
Hmotnost TPH : 145 g

Tieto výsledky naznačujú že TPH bude docela výživná pri pracovnom tlaku 7 MPa a ISP bude nad 2000Ns/Kg

Ahoj Dušan ,

gratulujem k dosiahnutým výsledkom.
Z hľadiska Isp paliva , rozmerov motora (priemer a dĺžka), a hlavne doby horenia motoru je to paráda.
Len čo sa podarí zkonsolidovať tahový diagram , aby bol rýchlejší ( ostrejší) nábeh
ťahu motoru. Dúfam ře vyšší pracovný tlak tomu napomože.

S akým zahradením počítaš pre tlak 7 MPa? Aká je štartovná hmotnosť tohto motoru?
Raketové motory s dlhšou dobou ťahu ( pri pomerne malých rozmeroch motoru) u nás prakticky nemáme!!
Držím palce a teším sa na šaľšie informácie.

Mirek

Čo sa týka nábehu tahu tak to je lahká pomoc ubrat pojiva ,a trochu posílit zážih teda aspon pri tom AN-16 (Wickman Pohon)
Čo sa týka zahradenia na 7 MPa tak zrovna u tejto by sa to dalo možno matematicky odvodit čo sa mi moc momentálne nechce , ale typujem kolo KN 700- 800 .
Čo sa týka hmotnosti motoru tak ta je dost značná je to testovací motor má stenu 3mm je to bezešvá nerezová rúra triedy materiálu 1.4301 (je to klasická potravinárska nerez pevnosti 500 - 600 MPa : 50-60 kg /mm2) s dierou 30mm L300mm . Prečo 3 mm stena : pri rôznich TPH môžu nastat dost vysoké tlakové rázy jak príčinou Exponentu horenia danej TPH, tak samotnými balistickými charakteristykami TPH. Proste 3mm bezpečnostná rezerva pre obsluhu mohol som nechat aj 4mm . Proste je to taký Bastl motor ktorý "zatial" pekne papá čo mu dám