Hallo,

Über den Winter habe ich ein altes Projekt wieder aufgegriffen und eine Weiterentwicklung meines vorgefüllten Hybriden gebaut. Nach ersten vielversprechenden Bodentests am Hybridtesttag auf der Roten Jahne flog die 54mm Variante letztes Wochenende auf dem RJD erfolgreich!

Angefangen hat das Projekt 2009, als ich die erste Variante des Motors gebaut habe. Nach zwei Bodentests folgte ein erfolgreicher Flug und ein Fehlstart inklusive Verlust der Rakete, als der Motor statt 3,5s gute 10min brannte und das Modell auf der Rampe verkohlte... daher möchte ich auch etwas vorwegschicken:

DISCLAIMER: Dieser Thread ist in keinster Weise als Anleitung gedacht. Der Umgang mit unter Druck verflüssigtem Lachgas birgt enormes Gefahrenpotential, ebenso das Arbeiten an Maschinen zur Metallbearbeitung. Das Testen und Fliegen solcher Antriebe bedarf eines T2/P2-Scheins und einer Menge weiterer Erfahrung und Fachkunde. Aus diesem Grund werde ich auch keine bemaßten Zeichnungen posten und gewisse Details bewusst weglassen.

Einige Hinweise, wie man sich an das Thema sinnvoll und sicher heranwagen kann sollten in einem gesonderten Thread zusammengefasst werden.


Zielsetzung
Was will ich denn eigentlich erreichen? Klar, Spaß soll es machen und meine Neugier befriedigen
Aber ein wenig konkreter darf es schon sein!

- Design mit vorgefüllten Tanks, Verzicht auf ein GSE (auch wenn das sehr elegant geht, klick!)
- zuverlässige und schnelle Zündung
- einfache Fertigung und Anwendung
- geringes Volumen und Gewicht pro Newtonsekunde

Ausgangspunkt
Der ursprüngliche Motor war zwar funktional, aber auch sehr schwer, ineffizient und am Ende dann doch nur ein Prototyp der durch einen dummen Anwenderfehler meinerseits das Zeitliche segnete. Den ersten Bodentest gibt es hier zu sehen:

54mm Hybrid 1. Test

Der erste Flug in meiner Proteus (Baubericht, klick!) sah so aus und ging bei ~5kg Abfluggewicht auf 872m:

Proteus auf J-Hybrid

Alle Motorenteile waren noch vorhanden, verwendet werden konnte allerdings schlussendlich nur der Tank nach einer gründlichen, mehrstufigen Reinigung (unbedingt notwendig bei N2O!).


Um diese erste Einleitung ein wenig abzurunden gibt's noch ein Startbild (Danke Felix!):



Und das zugehörige Startvideo:

Proteus 2.0 auf J239 am RJD2024

Was dazwischen passiert ist und wie es weitergeht dann in Bälde

Viele Grüße
Roman

Geändert von Roman am 11. Juli 2024 um 10:01

Ich bin gespannt und freue mich schon auf Deine nächsten Beiträge!

Oliver

Hi Roman, schön das du wieder zurück in Modellraketenszene bist !

Und klasse, das du dein altes Hybrid-Projekt wieder aufgegriffen hast und uns allen
gezeigt hast, wie super es funktioniert.

Tolle Arbeit, ich bin echt fasziniert !

Andreas

Hallo,

Freut mich, dass es euch gefällt und interessiert

Nachdem die Zielsetzung klar war, ging es daran zu überlegen, wie es möglich ist diese zu erreichen. Da die einzelnen Themen sich gegenseitig beeinflussen und überlappen fange ich einfach "oben" an und geh anhand der Bauteile nach unten weiter.

Tank(s) und Ventile

Wie der Zufall es will gibt es ein anderes Gas, das in seinen Eigenschaften (Dichte, Verflüssigungsdruck/-temperatur, usw.) sehr nah an Lachgas ist. Das heißt, Equipment, das dafür gemacht ist funktioniert in Sachen Dichtigkeit und Druckfestigkeit. Anders sieht es bei chemischen Kompatibilität aus, da Dichtungen verwendet werden, die in Kontakt mit Lachgas quellen können oder das Lachgas kontaminieren (die Aktivierungsenergie für die Zersetzung reduzieren!) oder selbst (nach Aufnahme von Lachgas) zum Explosivstoff werden...

Weiter werde ich hier nicht drauf eingehen, nur so viel: es gibt nichts von der Stange, das einfach funktioniert, seit Aerotech und AlphaHybrids keine Motoren mehr machen.

Ein weiterer Grund, warum ich diesen Motor mit vorgefülltem Tank baue, ist, dass sowohl der Druck, als auch die Dichte von N2O stark temperaturabhängig sind. Bei einem Monotube kommt noch hinzu, dass der Tankvorgang weitere Variablen mit sich bringt (Größe der Entlüftungsöffnung, Tankdauer evtl. mit Unterbrechungen, Schlauchlängen, Restmenge im Fülltank, usw.) die sich wieder auf die Temperatur auswirken. Man kann meistens also nur schätzen, welche Menge an Oxidator zum Zeitpunkt der Zündung tatsächlich im Tank ist. Wird der Tank vorgefüllt, kennt man die exakte Menge und auch den Tankdruck zu Beginn, da man die Temperatur einfach messen kann.


Im nächsten Post geht's an den Injektor, als kleiner Vorgeschmack ein Bild der Brennkammerteile:

Hi Roman,

ist dein Casing aus goldfarben eloxiertes Aluminium? Und welches Aluminium verwendest du ?

Andreas

Servus Andreas,

Eloxiert ist das Casing noch nicht, das sieht auf dem Foto nur so aus. Eloxal wird aber mindestens an den Verschlüssen noch folgen um Fressen/Kaltverschweißen in den Gewinden (1mm Steigung) zu verhindern.
Das Material weiß ich nicht, das ist noch Material, dass ich 2008/9 für meine Facharbeit gekauft habe

Die meisten Alu-Legierungen halten die geforderten Kräfte locker aus, vorzuziehen wären allerdings Legierungen die nicht splittern wie das bekannte 6061 - T6.

VG
Roman

Pyroventil und Injektor

Bei "klassischen" Hybriden übernimmt der Füllschlauch die Funktion von Ventil und Injektor. Das hat einige Vor- und Nachteile, vor allem diese zwei:

+ einfacher Zusammenbau und kein Handling von N2O beim Preppen, erst auf der Rampe
- Zentrale Einspritzung in einer durchgehenden Achse zur Düse

Im Bezug auf die Injektor-Funktion hat das mittige Einspritzen den gravierenden Nachteil, dass ein großer Teil des Lachgases "unverbrannt" zur Düse raus geht. "Unverbrannt" in Gänsefüßchen, denn das Lachgas zersetzt sich im Motor und gibt dabei eine Menge Energie frei, die auch in Schub umgewandelt wird (Lachgas pur hat bereits einen Vakuum-Isp von 180!). Der Sauerstoff der dabei freigesetzt wird, wird aber nicht genutzt! So sieht das dann theoretisch aus:



https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1270963819325076 ]

Schaut man sich den Isp an, den viele Hobby-Motoren erreichen, dann sieht man schnell, dass das Grain eigentlich nur "Zünder" für das Lachgas ist und der größte Teil des Schubs von der Lachgaszersetzung kommt und nicht vom Verbrennen des Grains.

Contrail bietet aus diesem Grund mittlerweile das "CNVA" System an, bei dem das Lachgas beim Durchströmen des Injektors in Rotation versetzt wird. Der entstehende Wirbel sorgt in der Brennkammer für eine bessere Durchmischung von Brennstoff und Oxidator und führt zu einem deutlichen Effizienzgewinn. Das Prinzip mit dem Wirbel habe ich mir abgeschaut und mit einem Ventil kombiniert, wie ich es in der ersten Version des Motors schon eingesetzt habe. Die grundsätzliche Idee für das Ventil stammt von AlphaHybrids und ist in der Bedienungsanleitung für deren Motoren (leider nicht in Produktion) ersichtlich. Die Anleitung habe ich
HIER im Archiv abgelegt.

Hier ein paar Bilder von meinem Injektor (allerdings die 38mm Version):







Ziemlich schwer zu fotografieren das Ganze Im letzten Foto sieht man auch die O-Ring-Nut des Injektor-Körpers und die Stufe darunter. Er wird von oben (in Flugrichtung) nach unten in den Verschluss (Closure) eingeschoben und liegt dann mit der Stufe darin an.

Auf dem Bild im zusammengebauten Zustand schaut man aus Richtung Düse auf den Injektor. Die mittige Bohrung ist nicht für die Einspritzung, sondern für die Zündung der SP-Ladung, die den Kolben zurückhält. Die eigentlichen Einspritz-Bohrungen sind um den Umfang verteilt und außermittig möglichst weit außen angebracht, so dass das Lachgas in Rotation versetzt bevor es mit dem Grain in Kontakt kommt. Nach dem Abbrand kann man die Drehrichtung sogar an den Rußspuren im Injektor-Verschluss sehen, leider habe ich davon noch keine Bilder.

Und schon sind wir beim Grain Dazu aber mehr beim nächsten mal!

Geändert von Roman am 16. Mai 2024 um 12:40

Letzten Samstag habe ich die Proteus 2.0 auf einen 38mm Monotube fliegen lassen und war von der Performance etwas unterwältigt. Etwa 1/3 weniger Flughöhe als erwartet, da fragt man sich schon: "Woran hat et jelegen?"

Ein kurzer Blick auf das ausgebrannte Grain und die Waage hat es dann auch direkt verraten: viel zu wenig Brennstoff verheizt!

Aber wieviel ist überhaupt die richtige Menge bzw. das richtige Verhältnis zum Sauerstoffträger? Wie kann man überhaupt abschätzen wieviel verbrennt und welche Faktoren sind dabei wichtig?

Brennstoffauswahl

Wie man hier vorgeht hängt u.a. davon ab worauf man hinaus will und welche Funktionen das Grain übernimmt:

1. Brennstoff bereitstellen
   
2. Isolation der Brennkammer, wenn kein extra Liner verwendet wird
   
3. In Monotubes hält das Grain den Injektor, da lasten schnell mal einige kN
   

Als Liner nehme ich dickwandige PVC-Rohre (PVC brennt sehr langsam ab) und 3. ist kein Thema, da es kein Monotube ist. Die Nummer 1. klingt erstmal ganz klar, umfasst aber noch ein paar Aspekte mehr, weshalb ich hauptsächlich darauf eingehe:

Wieviel Brennstoff soll insgesamt abbrennen? Wie lange brennt der Motor, also wie viel Brennstoff benötige ich pro Zeiteinheit? Will ich besondere Effekte haben, z.B. für einen Sparkie-Motor? Flammenfarbe? Rauch? Versuche ich einen möglichst effizienten oder effektiven Motor zu bauen?

Und dann kommen noch andere Faktoren dazu bzw. ergeben sich aus der Brennstoffwahl, die wiederum das Design der Brennkammer beeinflussen...

Es gibt also einen Haufen Variablen und um den Überblick zu behalten ist es sinnvoll möglichst viele davon abzuhaken indem Anforderungen definiert werden. Bei mir waren das u.a. die Folgenden:

1. Material kann 3D-gedruckt werden um einfach verschiedene Geometrien testen zu können
   
2. Der spezifische Impuls ist auch bei sehr "fettem" Gemisch (viel Brennstoff im Verhältnis zum Lachgas) hoch
   
3. Es gibt Mess- oder Vergleichswerte mit denen man rechnen kann
   

2. war mir wichtig, weil so möglichst viele Ns aus einer fixen Menge Lachgas herauszuholen sind und 3. erleichtert die Auslegung des Grains ungemein und man kommt ohne extra Tests auf ein Design, das erstmal gut funktioniert und anschließend optimiert werden kann. Um's kurz zu halten: nach einieger Recherche bin ich bei ABS gelandet. Gut und zu drucken, billig verfügbar, hoher Isp in einem breiten Bereich an Mischungsverhältnis und die relevanten Werte im Bezug auf die Abbrandrate decken sich mit den Werten von HTPB. Der letzte Punkt trifft übrigens bei vielen Brennstoffen zu, da die meiste Energie bei Lachgas-Hybriden aus der Zersetzung des Lachgas stammt. Aber der Isp bezieht sich ja auf die gesamte Treibstoff-Masse (Oxidator + Brennstoff), heißt bei gleichem Isp bekomme ich bei einem niedrigeren O/F-Verhältnis und fixer Ox-Menge mehr Gesamtimpuls, da ich mehr Brennstoff und damit mehr Treibstoff-Masse umsetze. Beim Monotube kann es aber durchaus mehr bringen, das Grain kürzer zu machen und statt Brennstoff mehr Lachgas einzupacken... aber ich schweife ab

Bunte Bilder mit Daten:



(Quelle: https://www.researchgate.net/publication/340603238_Nytrox_as_Drop-in_Replacement_for_Gaseous_Oxygen_in_SmallSat_Hybrid_Propulsion_Systems )

Regressionsrate und Grain-Design

Die Regressionsrate gibt an wie schnell (mm/s) das Grain an der exponierten Oberfläche abschmilzt und damit Brennstoff für die Verbrennung bereitstellt. Der folgende Wikipedia-Artikel beschreibt die Regressionsrate sehr gut, ich werde versuchen es kurz zum umreißen:

Hybrid rocket regression rate

Die Regressionsrate ist (vereinfacht, aber für uns ausreichend) vom Brennstoff selbst abhängig (das sind die Werte a und n) und davon, wieviel Lachgas pro Querschnitt des Brennkanals (Core) eingespritzt wird (das ist der Massefluss, also Massestrom über Fläche). Das bedeutet, dass die Menge an Brennstoff, die abbrennt, mit steigendem Durchmesser des Brennkanals nicht zwingendermaßen steigt wie das bei einem Festbrennstoffmotor der Fall ist!
Ich habe mir das so veranschauchlicht: Ich habe eine bestimmte Menge Lachgas, die Energie freisetzt, die ich brauche um den Brennstoff zu schmelzen und zu verdampfen. Das ist für mich das Feuer in einem Kamin. Der Kamin (Brennstoffblock) muss innen genügend geheizt werden um zu schmelzen/verdampfen. Das geht besser, wenn der Kamin einen kleineren Durchmesser hat, also viel Energie pro Fläche zum schmelzen/verdampfen zur Verfügung steht, die Wand wird heißer! Ist der Durchmesser groß und die Wand hat viel fläche, dann wird sie nicht so heiß (es schmilzt weniger).

Das ist die Theorie für einen einfachen Brennstoffblock mit einem zylindrischen Kanal, also einfach ein dickwandiges Rohr. Bei komplexeren Geometrien wird's... naja, komplexer

In unseren Motoren haben wir den Effekt, dass das Lachgas durch Eigendruck gefördert wird. Dieser Druck sinkt aber über den Brennverlauf während der Querschnitt des Brennkanals größer wird. Dadurch sinkt der N2O-Massefluss gleich doppelt und beeinflusst die Regressionsrate.

Aber gehen wir davon aus, dass wir einen Brennkanal-Durchmesser und den Lachgasstrom festgelegt haben und damit die Regressionsrate (zu Beginn der Brenndauer) kennen. Um herauszubekommen wie lang das Grain sein muss, um die gewünschte Brennstoffmenge zu verheizen können wir die Regressionsrate (mm/s) mal der Abbrandfläche (mm²) nehmen und kommen so auf den Volumenstrom an umgesetztem Brennstoff (mm³/s). Mit der Dichte multipliziert ergibt sich der Brennstoff-Massestrom (g/s). Wenn ich dann das O/F-Verhältnis festlege kann ich so auf die Grain-Länge zurückrechnen.

Um das alles irgendwie abzukürzen gibt es ein paar Tools und u.a. ein Excel-Sheet (wer suchet, der findet ), dass diese Berechnungen übernimmt, es funktioniert aber auch mit Stift und Papier und ist keine Raketenwissenschaft



Jetzt schreibe ich hier aber eine Menge und weiß, dass ich nicht der einzige bin der sich damit beschäftigt oder den es interessiert. Schreibt doch mal, was eure Herangehensweise ist, welche Brennstoffe ihr getestet habt oder mal testen wollt? Welche Aspekte habe ich vergessen oder welche sind euch vielleicht wichtiger? Auf geht's!

Herr Dr., ich bin begeistert. Die Schlüsselweiten sind auch verwirklicht, wie man sieht

Zitat:

---

Original geschrieben von Daniel Hahn

Herr Dr., ich bin begeistert. Die Schlüsselweiten sind auch verwirklicht, wie man sieht

---

Danke

Die Schlüsselweite ist tatsächlich leider nicht an dem Teil über das wir gesprochen hatten, da fehlt sie noch...
Der Injektor an dem die SW oben zu sehen ist, wurde aus Sechskantmaterial gedreht. So konnte ich vorher die tangentialen Bohrungen auf einer ebenen Fläche setzen!