Tekninen muovituote. Hybridimoottorin polttoaineosan valmistus. Esityksen sisältö

Transkriptio

1 Tekninen muovituote Hybridimoottorin polttoaineosan valmistus TTY 2005 Tommi Berg Antti Linna Mari Valtonen Esityksen sisältö Rakettitekniikkaa, moottorityyppien vertailu Aiheena olevan moottorin tarkempi esittely Käytettyjen materiaalien esittely Polttoaineosan materiaalien toiminta ja valmistus Muotoilu, hinta ja patentointi Kysymykset + keskustelu + videoita

2 Rakettimoottori Polttoaine palaa hapettimen kanssa palokammiossa ja muodostaa suuren paineen kammioon Suuripaineiset palokaasut päästetään kammiosta ulos kammion peräosassa olevan suuttimen kautta Suuttimessa yliäänennopeuksinen virtaus Palokaasujen suurempi nopeus = suurempi työntövoima = parempi moottori Eri moottorityyppien vertailu Kiinteä (hapetin ja polttoaine kiinteitä) kaikkein yksinkertaisin rakenteeltaan ja käytöltään, vaarallinen esim. tulipalossa Nestemoottorissa paras hyötysuhde, mutta se on monimutkaisin ja vaarallisin laukaisun yhteydessä Hybridi (kiinteä polttoaine ja nestehapetin) edellisten väliltä: työntövoima säädettävissä turvallinen varastoida ja käyttää hyötysuhde sama tai vähän parempi kuin kiinteällä, huonompi kuin nestemäisellä vähän käytetty tekniikka, nykyisin tutkitaan ahkerasti

3 Tuotteen rakenne Tutkitaan kaupallista HyperTEKmerkkistä pientä rakettimoottoria Yksinkertainen perusrakenteeltaan, kolme osaa: hapetintankki hapetinsuutin polttoaineosa/palokammio Tässä työssä keskitytty muovirakenteiseen ja kertakäyttöiseen polttoaineosaan Polttoaineosaan kuuluu itse polttoaine (ohut kerros kammion sisällä), suutin ja ulkokuori (painesäiliö) Käytetyt materiaalit Fenoli, suutin ABS, kuori IPDI = uretaani, polttoaine HTPB = polybutadieeni, polttoaine

4 Fenolimuovit PF muoveja käytetään vaativissa kohteissa Kova Jäykkä Kulutusta kestävä Iskuja kestävä Kestää korkeita lämpötiloja 2 /kg ABS Kolmikomponenttinen seka- tai kopolymeeri Voidaan työstää kaikilla kestomuovien työstömenetelmillä Kauppalajikkeiden välillä voi olla suuria ominaisuusvaihteluja

5 ABS:n ominaisuuksia Hyvät: Sitkeys Pintakovuus Pinnanlaatu Kohtuullinen hinta Lujittaminen mahdollista Huonot: säänkesto Liuotinkesto Stabiloituja lajeja vaikea työstää Alhainen pehmenemislämpötila Polyuretaanit Keskihintaisia teknisiä kertamuoveja Vaihtelevat ominaisuudet pehmeitä elastomeerejä kovia ja jäykkiä muoveja solumuoveja kuidut

6 PU:n ominaisuuksia Termoelasti tai kertamuovi Hyvä tarttuvuus Huono säänkesto Käytetään: liimoissa, maaleissa, solumuoveissa Polubutadieeni Elastomeerilla kolme erilaista molekyylirakennetta, joiden suhteellinen osuus vaikuttaa ominaisuuksiin amorfinen tai osittain kiteinen. Käytetään autonrenkaissa, tiivisteissä, letkuissa ja leluissa.

7 Polybutadieenin ominaisuuksia Hyviä: lämmönkesto pakkasenkesto kimmoisuus kulumisenkestävyys Huonoja työstöominaisuudet, tämän takia käytetään harvoin yksin, seostetaan toisten kumien kanssa mekaaniset ominaisuudet Polttoainemateriaali Pääkomponentit: HTPB = hydroksiterminoitu polubutadieeni IPDI Risiiniöljy Hiili

8 Polttoainemateriaali Kiinteää, kumimaista, räjähtämätöntä Yleisti käytetty rakettien polttoaineena HTPB/IPDI rakenteessa tyydyttymättömyyttä alttius hapettumiselle huonontaa mekaanisia ominaisuuksia ja polttoaineen suorituskykyä HTPB Inertti ja kirkas kumi Alhainen lämmönjohtavuus ja lasittumislämpötila Hyvä adheesio toisiin materiaaleihin Hydrofobista Käytetään: adhesiivina, eristeenä, vedenpitävänä päällysteenä, kalvona ja räjähteissä.

9 IPDI Kovettaa polttoaineen Kiteytymislämpötila on 60 C Leimahduspiste 155 C Käytetään: vesipohjaisessa polyuretaanidispersiopäällystyksessä päällystämään tekstiilejä, nahkaa ja muoveja. Risiiniöljy ja hiili Risiiniöljy helpottaa sekoittumista Hiili lisää lämmönjohtavuutta

10 Teknisiä ominaisuuksia Palaminen Ulkokuori Suutin Palaminen 1/2 Lämmitettäessä muovi syttymispisteeseen asti, tapahtuu yleensä seuraavat reaktiot: - sulaminen (kestomuovit) - lämpöhajoaminen - syttyminen - palaminen Toiminta

11 Palaminen 2/2 Muovilaadun lisäksi palaminen riippuu: - palamisolosuhteista - muovituotteen muodosta - käytetyistä lisäaineista Mitä ohuempi muovituote on, sitä helpommin se syttyy ja sitä nopeammin se palaa Ulkokuori Tehtävänä pitää polttoaine sisällään Alttiina lämpökäsittelyille Toimia palotilana sisäinen paine Eristää hapetinsäiliöstä Kestää korroosiota ja lämpösokkia Siisti vaihtaa uuteen ja hävittää

12 Suutin Ideaalinen raketin suutin olisi vähän lämpölaajeneva ja hyvin lämpöä johtava Suuttimen tulee kestää muutama sekunti liekkisuihkua Fenolivalos pitää muodon ja kestää korkeitakin lämpötiloja Valmistustekniikkaa Suuttimen muottiin valu Ulkokuoren ruiskuvalu (suutin inserttinä) Polttoaineen valu ulkokuoren sisään

13 Suuttimen muottiin valu Asetetaan grafiitti-insertti muottiin Suljetaan muotti Sekoitetaan kvartsitihiekka ja fenolimuovi Kaadetaan seos muottiin Hartsi polymerisoituu Tuote irrotetaan muotin puoliskoista Ulkokuoren ruiskuvalu Asetetaan suutin inserttinä muottiin Suljetaan muotti Ruiskutetaan plastisoitunut muovi muottiin Jälkipaine ja jäähdytys Muotin avaus Ulostyöntö

14 Polttoaineen valu Asetetaan ulkokuori valusydämen ympärille Sekoitetaan HTPB 84,57 %, IPDI 10,34 %, hiili 5,00 % ja risiiniöljy 0,09 % Seos valetaan suoraan ulkokuoren sisälle alipainevalumenetelmällä Polttoseos vulkanoidaan uunissa Tuote poistetaan muotista Avaruusajan muotoilu Tuotteen pitää olla edullinen ja toimiva Polttoaine valettu suoraan palotilaan etteivät palokaasut vuotaisi käytön aikana Toimii palokammiona ei teräviä kulmia Kierteet helpottavat polttoaineen vaihtamista Tiiviys hapetinsäiliöön varmistettu o- renkaalla

15 Hinta HTPB -hartsi maksaa noin 2,5 /litra (Sartomer Corp.) IPDI noin 85 /litra (Rhodia Inc.) ABS noin 2 /kg (Borealis) Fenoli -hartsi noin 2 /kg (Borealis) Valmis hybridipolttoaine maksaa noin 23 Markkinat Valmistajat lähes poikkeuksetta Pohjois- Amerikassa Tärkeimmät markkina-alueet USA ja Kanada Ostajat yleensä high power rakettiharrastajia Vähäisen määrän polttoaineita kuluttavat myös erilaiset yliopistojen tutkimusprojektit

16 Patentointi 1995 USA:laiselle keksijäjoukolle Environmental Aeroscience Corporationissa US Patents 5,715,675, 6,058,516 ja 6, Kysymyksiä&keskustelua Mmmmitä? Onko tämä kuva tamperelaisen hybridiraketin kyydistä? video1 video2