Hybridní motory

Ještě jsem zapoměn napsat výjádření k inertnímu plynu jako hnací medium.
Takže: Obecně se v modelářských motorech nepoužívá ,důvod je jednoduchý a to komplikovanost takového provedení a potažmo i význam. Faktem zůstává,že inertní hnací plyn by měl opravdu v nádrži význam a to především v tom,že jakmile dojde k vyčerpání kapalné složky tento inertní plyn zhasne motor,což je velice ůčelné,protože plynná složka ještě poměrně dlouho proudí do komory a všiml jsem si ,že není nic neobvyklého,že i ještě po dosažení apogee motor hoří.
Na druhou stranu při řešení tohto problému je si třeba uvědomit základní princip fyziky a v tomto případě "stavovou rovnici plynů" tj .vztah mezi teplotou,tlakem a objemem. To znamená ,že pokud budu mít v nádrži kde je 1/3 volný prostor a dám tam třeba dusík pod tlakem kde je již tlak N2O cca 65atm tak tento tlak musí být větši než těch 65atm což je na jednu stranu výhodné protože dost enormě vzroste výkon motoru,ale jakmile se prostor vlivem odčerpání kapalného plynu zvětšuje tak tento tlak klesá. Jediné řešení je externí nádrž jejiž objem je zpočítán tak aby tlak po vyčerpání tanku byl shodný z původním tlakem N2O ,pokud by byl tzv.ideální plyn nádržka je dejme tomu 250 ml tank 1000ml tlak by měl být 1000:250=4 x 65atm =260 atm takže v pomocné bombičce by musel být tlak 260atm /jde o cca výpočet/ a ten by se pochopitelně musel vyzpouštět přes redukci . Pokud bych použil stejnou tl.lahev jak lahev na N2O tak tlak plynu by musel být 2x větší tj 120atm. Takže tolik základ fyziky. V profi raketách tento problém řeší vtipně dvěma způsoby jednak v stavové rovnici změní teplotu inertního plynu čímž vzroste její tlak.
Viz např informace zde:
cs.wikipedia.org/wiki/Raketov%C3%BD_moto...onn%C3%A9_l%C3%A1tky
Informace o přetlakovém cyklu.
Řešení tohoto problému v modelářských podmínkách by bylo například pomocí mých oblíbených sifonových bombičkách. Přestože je objem velice malý ,finta je v tom ,že plyn CO2 má velice podobné fyzikální vlastnosti jako N2O ale hlavně plyn je zde v kapalné formě takže z málo ml kapaliny uděláme hodně plynu. Navíc se dělá cela řada objemů tj 12g,16g,25g dokonce i více.Takže stačí nějaký držák bombičky s napichovým závitem + malé tlakové vedení do nádrže s N2O. třeba z nerez trubičky jichž se dělá celá řada.
Opět nevýhodou je zvýšení hmotnosti motoru a je otázka zda tato námaha stojí zato.

Takže pokusím se popořádku odpovědět na všechny otázky.
Vcucnutí do nádrže N2O hybridu opravdu může dojít ,a mě osobně se to prokazatelně 2x stalo. Prvně k tomu dochází pokud motor silně pulzuje,pulzace se projeví takovým výrazným bručením ,toto se mě při stejné konfiguraci motoru stalo jen jednou a dodnes nevím proč. Domnívám se ,že to mohlo být tím že se motor zapálil velmi rychle a asi to bylo rychlou pyrotabletou . V podstatě se nic nestalo akorát došlo k shoření těsnění na PIN ventilu tlakové lahve jenž je už uvnitř lahve. Je třeba si představit aby něco hořelo musí k tomu být jednak okysličovadlo a druhák látka co hoří. Samotný N2O hořet prostě nebude. Czaba Boroš sice upozorňuje ,že může dojít k dekompozici N2O ,pro představu něco jako u acetylénu a ůdajně se to v USA stalo při projektu tuším X43 /nevím přesně/ ale tam i vyšetřovací komise se jen domnívá co bylo příčinou exploze. N2O má sice záporné slučovací teplo a při dodání určitého množství energie by mohlo dojít k samovolnému rozkladu ,ale já jsem celoživotním studiem chemie nikdy na něco podobného v odborné literatuře nenarazil.
Druhou příčinou může být velice krátká sekvence zážehu, pokud je moc krátká a prudká a zahrazení moc velké dojde v milisekundu k enormnímu nárustu tlaku jenž nestačí uniknout tryskou, tj.víc jak 65atm tak tento tlak překoná tlak v nádrži ,přesně toto se mě stalo tuším v Lomnici 2010,ale opět...na flašce je pojistný ventil a plyn nakonec bezpečně vyfičel ven. Tenkrát to byl ale součet několika příčin ,tlak v komoře byl tak enormní že do 1/3protlačil grafitovou trysku přes jistící segerovku. Ale opět k ničemu vážnějšímu nedošlo. Proč..to by zde bylo na delší popis ale přesně vím k čemu tam došlo.Takže průšlehu do nádrže bych se až tak nebál,je vždy důležité,aby tzv.vstřikovač měl pokud možno dlouhý kanálek. Tento jev znali už horníci kdy si v podzemí svítili karbidkama stačilo plamen přikrýt kovou sitkou a tím se zabránilo pokud byl v ovzduší metan jeho explozi.
Další příčinou a to podobnou je špatné pořadí zážehu u některých konfiguracích motru ,tj,pustím napřed plyn a pak to zapálím,tj nastane malá exploze v spalovacím prostoru ,správně musí být napřed jakýkoliv zážeh a teprve potom pustit plyn.
Použití LOX v hybridech.
Jak už napsal Mirek a nechci se po něm opakovat není to tak jednoduché. Jednak je třeba si uvědomit ,že kapalný kyslík patři mezi kryogení kapaliny a není možné jej neomezeně skladovat. jeho kritická teplota je hluboko pod běžnou teplotou ,kdežto N2o í má kritickou +36 StC takže tento se muže v kaplném stavu běžně skladovat naprosto neomezeně bez strát. Laicky řečeno pokud dám kaplný kyslík do jakékoliv tlakové nádoby a uzavřu ji tak dříve či později to bouchne.
Samozřejmě LOX proti N2O bude mít vždy daleko větší ISP protože v N2O jsou 2/3 dusíku což je naprostý balast jenž se nijak nevyužije. Jenže jeho manipulační přednosti jsou pro modeláře amatéry velice přiznivé.
Plnění LOX do nádrže moc dobře přelitím nepujde,je třeba si uvědomit že LOX má něco kolem -180stC nádrž má 20stC a má hmotnost cca 800g takže její tepelný obsah je dost značný ,pokud začnu do takovéto nádoby nalévat kapalný plyn hluboce podchlazený bude to pěkný fičák ,ihned to začne vařit z lahve bude fičet odpařený plyn jenž bude roztřikovat tekutý plyn co budu nalévat uzkým hrdlem dovnitř...prostě mazec,popáliny a omrzliny všude ,krom toho bacha na nasáknutí kyslíku do oděvu,to pak stači jiskřička a Palach má následovníka.
To se musí dělat přesně tak jak to dělá NASA či ROSKOSMOS tj .nádrž má v horním místě tzv.odpouštěcí ventil / přesně servoventil/ ten je otevřený při plnění kdy se kapalný kyslík přetlakem tlačí do nádrže spodem odpařující se plyn vliven teploty nádrže tímto ventilem volně uniká,jakmile se nádrž naplní ventil se uzavře .Je zde další tzv,pojištovací ventil jenž při nárustu tlako nad kritickou hodnotu upouští tlak.
Pokud někdo bedlivě sledoval start velké rakety nebo i raketoplánu tak jistě zasechl hlášku "ventily uzavřeny" to je ten moment uzavření odpouštěcího ventilu " tlakování nádrží" a to je ten moment kdy u kryogení kapliny vlivem odpařování dochází k samovolnému nárustu tlaku v nádržích. A jistě ste si všimly že raketa před startem někdy kouří jak lokomotíva ,to je zpusobeno odpouštěním tlaku přes tlakový pojišťovací ventil,kdy je nádrž již plně natlakována ale kryogení kapalina se pořád vlivem okolní teploty pořád odpařuje.
Dále vlivem všudypřítomné vzdušné vlhkosti všechno .tj,nádrž,plnící potrubí prostě vše se pokryje ihned silnou vrstvou námrazy,zamrznou všechny spoje je to dost náročné už jen na šroubení při plnění co se potom musí odpojit. Prostě vopruz.
Netvrdím že to nejde,pokud létaly Godárdovi rakety v předminulém století na kaplný kyslík a benzín s primitivním vybavením dnes by to šlo jistě taky...Jenže to chce mít hlavně na to čas a druhák peníze ,protože jak říkám za peníze v Praze dům a ve Vídni klidně i dva!

Ahoj,

u toho LOXu nemám úplně jasno. Pokud bude ochlazený pod bod varu (tak by ho snad mělo např. Linde dodávat, včetně "mrazáku") je to tekutina, kterou lze mít v hrnci.



Uvažuji. Teoreticky by se tedy měl dát normálně nalít do motoru. Není tedy pod tlakem jiným než atmosférickým. Dodávku do spalovací komory by pak měl obstarat jiný, stlačený, plyn, Helium nebo Dusík v další nádrži. Přivádět ho přímo do nádrže s kyslíkem by asi úplně nefungovalo kvůli mísení těchto dvou složek. Mohlo by se to tedy doplnit pístem na jehož jednu stranu by působil stlačený plyn. Jak však ten proces spustit je otázka. Samozřejmě by to předpokládalo startovat brzy po naplnění, protože by v nádrži s kyslíkem stoupal s teplotou i tlak. Problémy s těsněním by určitě mohly nastat, stejně tak to křehnutí materiálů, zamrzání kondenzované vody na všem okolo. Jak je to s cenou a dodávkou LOXu nevím. Jen že LOX není oproti N2O sledovaný.

Jednoduché by to určitě nebylo, ale třeba by to udělat šlo.

Michal

Ahoj Michale a díky za nahozenou problematiku,

k využití LOX-u pro hybridní modelářské RM jsem měl na mysli celý soubor problémů. Bod varu LOX-u je o -100oC nižší než u N2O (je to -182,95 oC) !! Pod tlakem jsou samozřejmě jiné!! To dává podstatně tvrdší požadavky na tlakovou nádobu i injektor motoru, jde jednak o mechanické vlastnosti používaných materiálu (křehnutí při velmi nízkých teplotách, vůle z rozdílů v koeficientech teplotní dilatace a jiné), otázka dopravy LOX do spalovací komory - přetlakový systém znamena další výrazné zvyšování požadavků na mechanickou pevnost a také hmotnost, čerpadlo na LOX (váha čerpadla, pohon čerpadla a další ....) , dale podstatné zvýšení požadavků na používaná těsnění(Pandy nadává už při N2O). Další otázkou jsou parametry spalovacího procesu.
N2O má mnoho unikátních vlastností vhodných pro hybridní RM - široké rozpětí směšovacího poměru při spalování a podobně. Asi nejvíc problémů dělá Pandymu standardizace činnosti injektoru, na tom závisí velikost tahu i délka chodu motoru.
Hybridní motor pro nás by měl být jednoduchý , lehký, spolehlivý, dostrupné materiály a technologie - i tak je kolem toho problémů víc než dost.
Proto jsem psal "mimo amatérské možnosti" a "nemyslitelný".

Je to ovšem jen můj laický názor.
Až budeme mít u nás perfektně zvládnuté hybridy s N2O - určitě se budou hledat další možnosti dostupného zvyšování výkonu.

Je jen dobře že se o těchto věcech debatuje , přitom se ujasní hromada souvislostí které si člověk hned neuvědomuje.

Snad se k tomu ozvou i další a kvalifikovanější.

Mirek

Ahoj,
koukám, že jsem rozpoutal diskuzi o kapalném kyslíku. Určitě je pro nás samozřejmě vhodnější a jednodušší N2O, i když si nemyslím, že by LOX musel být nebezpečnější. Spíš to bude vycházet dražší, díky nutnosti mít zařízení na skladování, k tomu další lahev s inertním plynem, konstrukčně to taky nebude úplně jednoduché atd. Takže N2O je asi v tuto chvíli jasný. I když ta cena nic moc, navíc se prý omezuje jeho distribuce mimo zdravotnictví, kvůli zneužívání na různých "zábavných" akcích.
Co se týká rizika exploze, díky tlakovému spádu, kdy N2O je na počátku stlačeno na cca 50 barů, nepustí nic zpět. Vyplňuje stále celý objem tlakové nádoby. Musí být samozřejmě správně navržená tryska a zahrazení, jinak to díky nárůstu tlaku ve spalovací komoře opravdu bouchne, to ale platí obecně pro všechny motory.
Během spalování tlak okysličovadla samozřejmě klesá a pokud je příliš nízký, průtok, čili hmotnost kysličovadla za sekundu se sníží pod určitou hodnotu a hoření se zastaví.
Ještě k tomu vcucnutí. Díky tomu tlakovému spádu k němu nedojde. Mohlo by k němu dojít pokud by byl tlak v lahvi už nízký, v tomto momentu už ale nemůže probíhat hoření. A musely by se do lahve dostat plyny odpařeného paliva, protože samotné okysličovadlo nehoří.

Michal

Mám zatím jen velmi malý přehled o hybrydech, ale osobně se kloním pouze k N2O. Použití kapalného kyslíku si ani nedokážu představit (přechovávání kryogenního O2, nebezpečnost!). Myslím, že úplně stačí rizika spojení s N2O. Byl bych rád kdyby mě někdo opravil: jak se vyprazdňuje láhev okysličovadla, hrozí "vcucnutí" plamene do lahve - planem potom zapálí plyny uvnitř -a výsledek? exploze...

Tento problém řeší inertní plyn (He), který vlastně vytlačuje okysličovadlo z lahve a nehrozí tím pádem ono vcucnutí plamene do lahve. Zatím však nedokážu představit, jak na to kostrukčně - okoysličovadlo s dvojicí hrdel a redukčních ventilů? Předpokládám, že tohle se u modelářských motorů "neřeší", nebo je to jinak? Díky za odpověď...