利用具有嵌套螺旋结构的新型燃料药柱提升混合火箭发动机的燃烧性能

该方法有助于解答如何提升药柱燃烧性能的问题。本方案的主要优点在于，螺旋结构的药柱在燃烧过程中不会消失。该方法还可应用于由不同材料组成的药柱配方，例如 EBS 和 PUX。

首先使用 3D 软件准备丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（acrylonitrile butadiene styrene，ABS）基底。将 3D 基底结构保存为 STL 文件。然后打开 3D 切片软件并导入该结构。

单击“开始切片”，从主模板中选择“快速打印”模式。双击“快速”选项，然后将填充密度更改为100%，并为平台版本选择带裙边的筏板（raft）。

单击保存并关闭，然后单击切片。打开3D打印机，导入ABS基底的切片文件。将加热板和喷嘴的温度分别设置为100和240摄氏度。

稳定后点击开始进行打印。为确保打印成功，需在加热板上涂抹固体胶，以增强ABS基板与加热板之间的粘附性。对于基于石蜡的燃料制备，需准备石蜡、聚乙烯蜡、硬脂酸、乙烯-醋酸乙烯共聚物和碳粉等原料。

根据手稿说明配置石蜡基燃料，并将配置好的材料放入熔融混合器中。然后加热熔化并搅拌，直至完全混合。将ABS基底放入离心机中，并用端盖固定。

接通粉末电源，打开水冷泵开关。然后开启离心机继电器，将转速提高至 1,400 RPM。打开熔体混合器上的阀门，开始浇铸。

取出燃料药柱并修整其形状。测量并记录完整燃料药柱的重量、长度和内径，并对其拍照。组装混合火箭发动机时，先将燃烧室段固定在滑轨上，装入燃料药柱，然后安装后燃烧室段。

安装头部和喷嘴。然后在混合火箭发动机的头部安装点火器。安装火花塞并连接电源。

将氮气、氧化剂、点火甲烷和点火氧气的气体管路在试验台与气瓶之间连接。连接工业计算机、多功能数据采集卡、质量流量控制器以及试验台的控制箱。接通试验台、质量流量控制器和点火器的电源。

打开 FlowDDE 软件，点击通信设置。选择相应的连接接口，然后点击确定。点击打开通信，以建立与流量控制器的通信。

然后打开测控程序（MCP）。设置多功能数据采集卡的输入和输出通道，单击运行以建立与整个系统的通信。检查 MCP 的运行状态，并将其设置为手动控制模式。

检查火花塞的工作状态并进行阀门测试。测试数据记录功能。接下来，打开设置界面，设置测试时间，包括阀门开启和关闭时间、点火时间以及数据记录持续时间。

设定安全要求并清空实验区域人员。打开气瓶阀门，根据不同的质量流量条件调节调压阀的输出压力。打开设置界面，设定氧化剂的质量流量。

打开相机，然后将 MCP 设置为自动控制模式并等待触发。点击 MCP 上的“开始”以启动实验。约一分钟后，点击“停止”并关闭相机。

关闭气体钢瓶并打开管路中的阀门以释放压力。关闭测试台电源，取出燃料药柱。按照之前演示的方法对燃料药柱进行测量和拍照。

此处展示了燃烧室内压力和氧化剂质量流量的变化。为提供足够的流动调节时间，氧化剂会提前进入燃烧室。当发动机在燃烧室内建立压力时，氧气质量流量迅速下降，随后保持相对稳定的变化。

在燃烧过程中，燃烧室内的压力保持稳定。此处展示了燃烧室压力振荡频率的对比。新型燃料颗粒的压力波动谱包含三个明显的峰值，分别对应于混合低频、亥姆霍兹模态以及燃烧室内的声学半波。

新型燃料药柱的压力峰值位置与石蜡基燃料基本相同，表明这种新型结构不太可能引入额外的燃烧振荡。比较了不同燃料药柱的回归速率随氧化剂通量的变化关系。在相同的氧化剂质量流量下，新型燃料药柱的回归速率高于石蜡基燃料，且随着氧化剂通量的增加，两者之间的差距逐渐增大。

采用特征速度来比较燃烧效率。在不同的氧化剂与燃料比例下，新型燃料药柱的特征速度均高于石蜡基燃料药柱。这相当于燃烧效率平均提高了约2%。在执行本方案时，请注意石蜡基燃料的浇铸温度不得超过120摄氏度。