Топливо для ракет моделей: Любительское ракетостроение, как я делаю ракеты и мои ошибки на которых я учусь (part 1)

Любительское ракетостроение, как я делаю ракеты и мои ошибки на которых я учусь (part 1)

Написанное в этой статье не является инструкцией к применению. Вы всё делаете на свой страх и риск. Соблюдайте технику безопасности

Корпус — варианты материала и различные факторы выбора корпуса

Корпус каждый для своей ракеты выбирает свой и для каждого в приоритете свои факторы выбора материала. Я выбираю корпуса с учётом на

наименьший вес и наибольшую прочность

. Вес нужно уменьшать для более стабильного и высокого полёта, а прочность нужна что-бы корпус в полёте не расплавился и не разлетелся от давления.

Сначала я выбирал ПВХ трубки для корпусов ракет. Они достаточно прочны, но весят не то что-бы сильно много, но вес нужно сводить к минимуму. Именно из-за веса я потерпел фиаско в пробных запусках, но об этом позже.

После я искал другие материалы или новую технику изготовления корпуса и нашёл технику склеивания бумаги в тубус. После суток клей застывает и корпус становиться прочным как ПВХ труба и в теории легче. Пока-что я эту технику не проверял, но в теории всё звучит достаточно заманчиво.

Виды топлива и двигателей

Топливо

Чаще всего в любительском ракетостроении используются твердотопливные двигатели. Так как для жидкого топлива нужны системы трубопроводов, отдельная камера сгорания, для твёрдого топлива сам двигатель является камерой сгорания и больше ничего от двигателя не требуется.

Есть много твёрдого ракетного топлива, но для любительского ракетостроения подходит больше всего

карамельное топливо

. Оно достаточно лёгкое в изготовлении и не такое уж и милое как его название. Это топливо достаточно мощное и при правильном его изготовлении выдаёт внушительную тягу.

Состав этого топлива следующий: 70% калиевой селитры, 25% сахарной пудры и 5% древесного угля. Это топливо сильно воспламеняется при малых температурах. Будьте максимально аккуратны.

Двигатели

Давайте сначала разъясним каких размеров сам двигатель и куда он ставится. Двигатель не должен быть размером во весь корпус. Лично я выбираю вариант размера двигателя разделяя высоту основного корпуса на 1.5. В корпусе должно оставаться ещё место для электроники, парашюта, и разных датчиков температур и высоты. Это свободное место называется «Отсек полезной нагрузки». Сам корпус для двигателя выбирается по тому-же принципу как и основной корпус, нужна наименьшая масса и наибольшая прочность.

Пробные запуски и возможная причина неудач

Вот видео первого пробного запуска двигателя от моей ракеты Starship-1

В видео видно что в начале двигателю

не хватает тяги

и он поднимается только когда заканчивается топливо. Скорее всего проблема недостатка тяги возникла из-за маленького отверстия под сопло. В результате была маленькая струя подачи тяги и двигатель поднялся в воздух только когда заканчивалось топливо. Но проблема скорее всего не только в подаче тяги, но и в массе двигателя. Эта тяга не могла поднять ПВХ трубу ещё и топливо в нагрузку.

Вывод: проблемы с двигателем возникли в результате:

1. Малой тяги из-за мелкого отверстия под сопло.
2. Массы топлива и ПВХ трубы.

Ракета РК-1

Сделать простую, но эффектно летающую, модель ракеты несложно даже в домашних условиях. Для этого не нужно никаких специальных знаний и навыков. Тем не менее, нужно соблюдать некоторые правила, на которые я буду обращать внимание по ходу статьи. Информации по данному вопросу в инете достаточно, но для начинающего самодеятельного ракетостроителя в этих статьях, на мой взгляд, есть ряд недостатков. Либо это очень простые ракеты на уровне пиротехнических (движок с палочкой), либо сложные — с керамическими соплами, вареным топливом, электрическим запалом и т.д. и т.п. Кроме того те правила, которые надо соблюдать при изготовлении ракет никем четко не систематизированы, или на них не делается акцент, по-видимому подразумевая их само собой разумеющимися.     В моем понимании ракета, пусть даже простейшая – это система: двигатель, планер, стартовая установка, система зажигания. Это конечно минимально допустимый набор, поскольку в более широком смысле в нее надо добавить еще полезную нагрузку в виде системы спасения, измерительной аппаратуры и т.п., но, во-первых, этот пункт является самым сложным в ракете, во-вторых, осваивать его надо научившись запускать небольшие легкие ракеты без нагрузки. Я очень подробно расскажу, как сделать 15-ти миллиметровую ракету на карамельном порошковом топливе, которая может подняться на высоту более 200 м. Конструкция разработана и тщательно отработана мною во множестве экспериментальных запусков.

Двигатель.    Схема движка представлена на Рис.1. И сразу первое правило: 1) ничего не делать «на глаз». Необходим простейший набор измерительных и чертежных инструментов: линейка, штангенциркуль, карандаш.    Корпус двигателя делается из 10-ти слоев высококачественной офисной бумаги. Для этого из стандартного листа А4 отрезаются по длине две полоски шириной 69 мм. Далее берется оправка – ровный гладкий и прочный, лучше металлический, стержень (или трубка) длиной более 80 мм и диаметром 15 мм. Чтобы корпус не прилипал к оправке, можно отрезать кусок широкого скотча по длине оправки и накатать его на оправку в поперечном направлении. Затем на оправку наматываются последовательно полоски бумаги, которые в процессе намотки обильно, без пропусков, промазываются силикатным клеем. Прилегающую к оправке сторону первого витка промазывать клеем, конечно, не надо.    Наматывать, точнее, накатывать бумагу надо на твердой ровной поверхности, так, чтобы витки ложились друг на друга практически без сдвига и очень плотно, без пузырей. Подложите газетный лист, чтобы не только сохранить в чистоте поверхность, но и убрать излишки клея, выделяющиеся в процессе накатки. Чтобы не было сдвига витков, я рекомендую сначала накатать полоску «всухую», так чтобы она правильно пошла, затем сделать аккуратный «откат» до первого витка, не отрывая оправку от стола, затем опять начать накатку уже с промазкой клеем. Обязательно надо промазать начальный край полоски так, чтобы он четко приклеился на первом витке. Нужен, конечно, некоторый опыт, чтобы эта операция удалась. Однако некондиционные корпуса не выбрасывайте. Они пригодятся для подгонки диаметра сопла, заглушки, для изготовления разных кондукторов и стопорных колец. После того как полосы проклеены, можно прокатать корпус на оправке с помощью ровной досочки, чтобы уплотнить витки. Делать это надо только в направлении намотки.    После этого неплохо прогнать еще сырой корпус через внешнюю оправку – металлический цилиндр с внутренним диаметром 18 мм. Корпус движка должен достаточно плотно проходить через эту оправку, этого надо добиться обязательно, поскольку в дальнейшем придется проводить набивку корпуса топливом, что без плотно сидящей внешней оправки делать нельзя. Если такую трубку найти не удастся, надо будет изготовить внешнюю оправку намоткой не менее 15-ти слоев офисной бумаги на уже готовый корпус двигателя, так – же на силикатном клею. Слегка подсушив корпус, надо снять его с оправки предварительно провернув против намотки. Дальше, пока корпус полностью не высох надо вставить с одной стороны готовое сопло. Для этого конечно необходимо, чтобы сопло уже было подготовлено.    Итак, изготавливаем сопло. Рекомендую сделать сразу два сопла, далее будет понятно почему. Обычно несложно найти деревянный стержень диаметром 16-18 мм, лучше из твердого дерева вроде бука или граба. Аккуратно торцуем его, т.е. делаем ровный перпендикулярный оси спил на одном конце. Для этого надо отрезать ровную полосу ватмана, шириной ~100мм и плотно намотать на стержень точно виток над витком. По краю этой намотки постепенно поворачвая стержень и удерживая ватман на месте делаем круговой пропил. Слегка зачистив шкуркой место спила получаем четкий торец. Здесь мы подошли вплотную ко второму правилу, непосредственно вытекающему из первого: 2) при любых операциях требующих геометрической точности использовать всевозможные оправки, шаблоны, кондукторы .    Торцанув деревяшку, по той же схеме отпиливаем от нее цилиндр высотой 12 мм. В этой заготовке по центру вдоль оси сверлим отверстие диаметром 4,0мм. Делать это лучше на сверлильном станке, хотя бы сделанном из дрели со специальной сверлильной подставкой. Она не слишком дорогая, но позволяет делать вертикальное сверление. Если такого устройства нет, можно использовать любой простейший кондуктор, в конце концов сделать сверление вручную. Особая точность в данном случае не нужна, поскольку фишка в следующей технологии. Просверлить заготовку по центру не удастся даже на сверлильном станке. Поэтому я просто надеваю заготовку на шпильку М4 и зажимаю с двух сторон гайками. Затем зажав в патрон дрели, обтачиваю до нужного диаметра (15 мм) напильником и шкуркой. Если есть отклонения от перпендикулярного направления относительно оси торцевых поверхностей, это тоже можно поправить при обточке. Дрель для этого надо, конечно, как-то закрепить на столе, такие приспособления тоже есть в продаже. После такой операции отверстие сопла находится точно по центру. На боковой поверхности сопла, так же на дрели, по центру делаем проточку квадратным или круглым надфилем глубиной 1,0-1,5мм. Подгонку диаметра лучше всего делать, имея заготовку корпуса двигателя, можно некондиционную, которые у вас появятся в процессе производства. Наконец сопло готово. Оно не отличается жаропрочностью и в процессе работы движка прогорает до диаметра 6 — 6,5 мм. Некоторые называют такие движки даже бессопловыми. Я бы не совсем с этим согласился, поскольку это простейшее сопло все-таки обеспечивает четко направленный стартовый вектор тяги. Кроме того, такое сопло «автоматом» регулирует давление в движке, позволяя простить некоторые ошибки начинающих ракетомоделистов.    Теперь надо изготовить заглушку. Это то же сопло, но без центрального отверстия. Тут можно придумать разные технологии изготовления. Проще всего использовать в качестве заглушки еще одно сопло, только под него при сборке придется подложить, например, советскую копейку, ее диаметр как раз 15 мм, или залить отверстие эпоксидкой после установки в корпус. К тому же оно пригодится для центровки основного сопла.    Первый этап сборки двигателя — установка сопла. Делать это надо пока корпус еще не просох, т.е. практически сразу после намотки. Сопло устанавливается в корпус с одного торца на силикатном клею заподлицо с краем корпуса. Вот мы и подошли к третьему правилу: 3) строго соблюдать соосность всех центральных каналов и осевую симметричность всех деталей ракеты. Конечно, это правило интуитивно понятно, но частенько про него забывают.    Гарантий, что канал сопла направлен строго по оси нет, поэтому делаем простейший кондуктор. Для этого с противоположной стороны корпуса двигателя вставляем еще одно сопло(которое мы приготовили для заглушки), без клея естественно, и соединяем оба сопла металлическим стержнем диаметром 4,0мм. Соосность обеспечена.     Давление при работе в таком несложном движке может достигать 10 атмосфер, поэтому надеяться, что клей удержит сопло, мы не будем, а сделаем так называемую «перетяжку». Для этого делаем круговую линию на корпусе, отступив 6мм от края движка со стороны сопла, отметив, таким образом, положение боковой проточки сопла.    Далее берем прочную капроновую веревку толщиной 3-4 мм, привязываем ее к чему-то прочно-неподвижному, я, например, к гире 20 кг которую еще удерживаю ногой. Делаем один оборот веревки по отмеченной линии и, удерживая движок перпендикулярно веревке, сильно натягиваем. Чтобы не порезать руку можно привязать к концу веревки какую-нибудь палку. Операцию повторяем несколько раз, провернув движок относительно оси, пока не образуется четкая канавка-перетяжка. Промазываем ее клеем и наматываем 10 витков х/б нитки №10. Нитку сверху промазываем еще раз клеем. Для завязки нитки очень удобно использовать рыбацкий узел. Теперь можно считать сопло полностью установленным, надо только хорошенько просушить корпус двигателя не менее суток.

Топливо.    Непосредственно назрел вопрос о топливе. Конечно, его надо решить в первую очередь, перед тем как приступать к производству ракеты, но я веду рассказ, так сказать, в порядке логической очередности. Соблюдать этот порядок при изготовлении ракеты конечно не обязательно. Самым доступным, безопасным и одним из самых эффективных считается карамельное порошковое топливо, состоящее из смеси тонко измельченного сахара 35% и калиевой селитры 65%. Процентовка только по весу. Достать компоненты несложно. Про сахар я не говорю, а селитру ищите в садоводческих магазинах и рынках. Лучше всего, конечно, купить качественную селитру в специализированной фирме (Русхим, Вектон). Точное соблюдение весовых соотношений обязательно. Отсюда и четвертое правило: 4) точно соблюдать пропорции химических компонентов, степень измельчения и технологию производства топлива .     Мне могут возразить, что, например, весовые соотношения могут варьироваться в некотором диапазоне. Но, во-первых, данное соотношение оптимально, поскольку проверено и применяется многими «профи», во-вторых, наша задача кроме изготовления хорошо тянущего топлива, обеспечить еще и повторяемость результатов. Только при таком условии можно вести отработку конструкции ракеты, добиваясь максимальных результатов.     Однако вернемся к нашим баранам. Компоненты сначала надо тщательно измельчить. Мельчить сахар совсем не обязательно – можно просто купить сахарную пудру. А вот селитру придется не только измельчить – где-то 30-40 сек в кофемолке, заходами по 15-20 сек – но и предварительно хорошенько просушить. Сушить можно на верхней полке духовки на самом маленьком огне при приоткрытой дверце в течение не менее получаса, рассыпав селитру нетолстым слоем на бумажном листе. Затем компоненты надо отвесить. Именно на этом моменте «молодежь» часто допускает вольности, отмеряя компоненты по объему на глаз. Это грубое нарушение правила №4. Отсутствие весов – не аргумент. Ведь компоненты топлива смешиваются «в пропорции», т.е. сам вес нам не нужен, нужно соотношение. Короче, у кого нет, срочно делаем весы. Нам надо всего около 11г топлива на один движок. Так чтоб с запасом надо сделать около 15г.     Когда компоненты отмерены, можно их смешать. Есть несколько способов перемешивания. К сожалению они все имеют недостатки. Лучший результат дает перемешивание в кофемолке, секунд 30, но этот способ считается опасным, поскольку возможно возгорание смеси. Неплохой результат дает активная тряска компонентов в закрытой стеклянной банке в течение 3-5мин. Такой способ полностью безопасен. Готовое топливо надо засыпать в герметично закрывающуюся банку, типа майонезной, во избежание отсыревания оного. Правило пятое: 5) топливо надо обязательно проверить .     Для этого прессуем небольшую тонкую таблетку-лепешку из топлива и в безопасном месте на гладкой негорючей поверхности поджигаем ее с одного края. Таблетка должна гореть активно, пламя должно иметь четкую направленность, сама таблетка должна вести себя беспокойно, норовя сорваться с места. После сгорания не должно остаться практически никаких шлаков. Такое топливо можно считать подходящим.     Если корпус движка просох можно приступать к набивке. К этой операции я призываю отнестись с максимальной серьезностью. От качества ее проведения зависит не только качество работы движка, но и само его существование. Проще говоря, некачественная набивка может привести к взрыву.     Сначала разбираем систему центровки сопла и помещаем корпус движка во внешнюю оправку, о которой я уже упоминал. Это обязательно, поскольку при набивке возникают усилия, которые могут повредить корпус. Напомню, корпус должен входить во внешнюю оправку свободно, но плотно, без люфтов. Сначала при помощи подходящего стержня или хвостовика сверла плотно запрессовываем топливом канал сопла. Только аккуратно без фанатизма — сопло может расколоться. Затем помещаем движок в оправке на ровную прочную поверхность. Засыпав небольшую порцию топлива, при помощи подходящего по диаметру (~14,5мм) прочного стержня с плоским торцом и молотка прессуем эту порцию. Здесь важно, чтобы порции топлива были все время одинаковыми – приблизительно объем маленькой ложечки от мороженного Баскин-Роббинс «с горкой», чтобы удары молотком шли по нарастающей от слабого к довольно сильному, и количество их было одинаковым. Движок при этом надо удерживать на столе вертикально без перекосов, дабы не повредить его. Продолжаем эту нудную, но ответственную операцию до тех пор, пока до верхнего края движка останется незаполненным 12 мм по высоте. Высота топливного заряда будет составлять 45 мм. Аккуратно почистив стенки свободного объема, берем заглушку, смазываем силикатным клеем и вставляем ее в верхнюю часть. Не вынимая корпус из внешней оправки, подпрессовываем молотком заглушку пока она плотно не сядет на топливо. Теперь достаем движок из оправки и делаем перетяжку на корпусе, фиксирующую заглушку, по схеме, описанной для сопла. Единственное, что надо будет предварительно сделать, это, поскольку корпус уже приобрел приличную прочность, сначала продавить его по линии отметки перетяжки каким-нибудь металлическим предметом имеющим тонкую, но не острую кромку. Можно воспользоваться стальной проволокой 2мм (спица от велосипеда). Обязательна обмотка нитками на клею в месте перетяжки.    Если наша заглушка делается из второго сопла, т.е. имеет «технологическое» отверстие, то напоминаю, надо либо переед установкой подложить под неё копейку, либо залить отверстие эпоксидкой. В данный момент как раз пора воспользоваться смолой.    Теперь приступаем к организации канала, увеличивающего площадь горения топлива. Для этого через сопло, сверлом того же диаметра высверливаем в топливе канал длиной 35мм. Для соблюдения соосности канала используем кондуктор из некондиционного корпуса, внешней оправки и еще одного сопла. Я думаю, несложно сообразить, как его организовать. Все теперь движок практически готов. Надо только дождаться когда просохнет клей на заглушке. После просушки надо завернуть движок в целлофан, чтобы не отсырело топливо. Неплохо на движке записать его основные параметры. Эта привычка может пригодиться в дальнейшем.

Зажигание.    Пора делать систему зажигания. Простейшая система состоит из стопина и замедлителя (фитиля). 6) Время до срабатывания двигателя должно быть таким, чтобы можно было отойти на безопасное расстояние .     Соблюдение шестого правила обязательно. Безопасное расстояние для ракеты данного класса – не менее 30 м. Стопин делается элементарно. Кусочек коктейльной трубки не толще 3-4 мм длинной 50мм плотно набивается топливом «карамелькой». Для увеличения поджигающей способности стопина, в конец трубки можно вставить спичечную головку. Я делаю немного сложнее – намазываю смесь спичечной серы с нитроклеем. Удачно подобранная толщина такой намазки позволяет зафиксировать стопин в канале движка без дополнительных ухищрений. Один пробный стопин надо испытать, т.е. просто поджечь его на негорящей поверхности и проконтролировать, чтобы горение было активным, ровным без перебоев и вспышек. Делайте такие проверки на открытом воздухе, иначе в помещении будет долго и противно пахнуть. Стопин надо вставить в топливный канал двигателя на глубину 10 мм. До самого конца задвигать стопин не следует, поскольку пластик трубки может забить сопло, что приведет к взрыву. Чтобы стопин зафиксировать, можно проложить параллельно х/б нитку или полоску тонкой бумаги. Важно чтобы фиксация происходила в верхней точке, чтобы стопин не вывалился по мере сгорания. Замедлитель изготавливается из куска тонкой х/б бельевой веревки, которая состоит из нитей и оплетки Веревку надо сутки вымочить в крепком растворе калиевой селитры. Раствор приготовляется из 25 г селитры залитой 2/3 стакана горячей воды. Вымоченная веревка просушивается и от нее по мере надобности отрезается кусочек 3-4 см, что собственно и является замедлителем. Время срабатывания замедлителя можно проконтролировать, спалив один кусочек определенной длины и замерив длительность горения. Замедлитель должен давать задержку не менее 20 сек. Замедлитель крепится к свободному концу стопина простым наворачиванием торцевой части на глубину 5мм. Это правда лучше делать перед самым запуском ракеты и установкой ее на стартовый стол. Предварительно можно гвоздем диаметром 3мм провертеть посадочный канал в нитях замедлителя, что облегчит задачу крепления замедлителя на стопине. При запуске поджигаем замедлитель, спокойно отходим на нужное расстояние и спокойно наблюдаем за стартом. Но об этом позднее. Кстати тут нарисовалось следующее правило 7) все, что можно, должно быть испытано и замерено заранее . Профессионалы от ракетомоделизма в этот список включают и сами движки, испытывая их на стендах и отрабатывая характеристики. Я не буду настаивать на этом, поскольку понимаю, что изготовление первого двигателя для начинающего ракетчика все-таки целое событие и просто спалить его – непозволительная роскошь. К тому же, если четко следовать всем приведенным инструкциям, то вероятность успешного запуска очень велика. Но, если разнесет – я предупреждал.

Планер.    Теперь будем делать собственно ракету. Можно конечно примотать движок к рейке и запустить из бутылки, но, по-моему, это низведение достаточно изящного процесса ракетостроительства до изготовления простой шутихи. Я применяю реечный вариант только для отработки движков, когда надо испытать несколько вариантов, результат запуска которых заранее неизвестен. Поэтому я расскажу, как сделать очень простую, но все-таки ракету, со всеми ее атрибутами. Поскольку на этом этапе всегда возникает соблазн проявить инициативу и творчество, сразу предупреждаю, усложнять здесь для начала не стоит, поскольку вероятность потерять ракету после запуска очень велика, на стадии отработки я потерял подряд три ракеты. Улетают они — будь здоров! Схема ракеты показана на рис.2.    Конструкция, которую я предлагаю, очень проста. Корпус фюзеляжа делается так же как и у движка, только для этого берется один кусок офисной бумаги шириной 110мм и наматывается на оправку диаметром 18мм. Надо проконтролировать, чтобы движок с трением, но свободно вставлялся в корпус ракеты. Можно сделать корпус ракеты немного больше диаметром, а движок подогнать намоткой колец бумаги по краям движка. Стабилизаторы делаются склейкой двух заготовок, см. Рис.3, из тонкого картона, типа визиточного. Всего надо сделать три штуки. В месте крепления к корпусу на заготовках делается отгиб 4мм в разные стороны, что после склейки половинок создает удобную поверхность для приклеивания к фюзеляжу. Размер и форма стабилизаторов дело весьма произвольное, естественно в определенных рамках. Так что лучше для начала не экспериментировать, а сделать по приведенной схеме. Клеятся стабилизаторы на корпус быстросохнущим клеем типа «Супермомент», по предварительно сделанной четкой разметке. Определить положение стабилизаторов совсем несложно, для этого не нужно даже вспоминать школьные формулы. Первая отметка, т.е. положение первого стабилизатора — клеевой шов на фюзеляже. Далее берем тонкую металлическую линейку, упираем ее нулевой отметкой в клеевой шов и прокатываем на столе на один оборот. Положение клеевого шва после оборота покажет нам периметр фюзеляжа. Поделив его на 3, получаем положение двух других стабилизаторов относительно первого. Путем такой же накатки линейкой делаем отметки на фюзеляже.    Опыт показал, что клеевого соединения недостаточно, поэтому в стабилизаторах впритык к корпусу делаются шилом два отверстия, сквозь которые, с помощью иголки наматывается не менее пяти витков х/б нитки №10. Под нижнюю намотку предварительно вставляется один направляющий кольцевой зацеп. Нитки промазываются силикатным клеем. Такой же направляющий зацеп крепится с помощью ниток и клея в носовой части ракеты строго над нижним. Направляющие зацепы делаются из маленьких канцелярских скрепок, с таким расчетом, чтобы в них легко проходил стержень диаметром 5 мм.    Носовой обтекатель ракеты можно сделать из винной деревянной пробки, обточив ее как сопло, на дрели. Пробковый материал довольно сложен в обработке, поэтому действовать надо аккуратно, используя не очень грубую шкурку. Тут надо поэкспериментировать.    Теперь надо вклеить стопорное кольцо, для фиксации двигателя. От некондиционного корпуса движка отрезаем кольцо шириной 12мм, или делаем его специально по двигательной технологии. Вставляем с хвостовой части ракеты двигатель до совмещения нижних торцов корпуса ракеты и двигателя, а с носовой части вставляем стопорное кольцо, промазав его клеем. Проталкиваем кольцо внутрь, пока оно не упрется в движок. Выталкиваем движок, а кольцо оставляем клеиться. Собственно ракета готова. Пусть постоит посохнет, а мы займемся стартовой установкой.

Пусковая установка.    «Пусковая установка» — это звучит гордо! На самом деле это направляющий стержень-металлический пруток диаметром 5-6мм и длинной 70-100см, который втыкается просто в землю или в толстую доску размером 40х40см. На стержень плотно наматываются несколько витков толстой медной проволоки с таким расчетом, чтобы не дать ракете опуститься на землю, зафиксировав ее на небольшой высоте, позволяющей свободно крепить стопин и замедлитель. Важно проверить, чтобы намотка не мешала сходу ракеты с направляющей. И учтите, что 8) запуск ракеты без направляющей недопустим. Поскольку центр тяжести у такой ракеты находится спереди от центра давления и точки приложения тягового усилия, недостаточно разогнавшись, ракета может перейти в горизонтальный полет и догнать незадачливого моделиста. Кстати, к такому развитию событий надо быть готовым даже при наличии качественной направляющей и не зевать в случае чего.    Перед запуском 9) надо проверить аэродинамическую устойчивость ракеты, т.е. способность ракеты придерживаться выбранного направления полета. Я не буду сейчас вдаваться в теорию, просто расскажу, как это сделать на практике. Для этого устанавливаем двигатель на ракету и находим ее центр тяжести. В центре тяжести привязываем нитку длинной около метра. Теперь начинаем вращать ракету на нитке вокруг себя, стараясь чтобы вначале ракета пошла хвостом вперед. Если ракета, в конце концов, начинает ориентироваться носом вперед и не меняет эту ориентацию при вращении, то она аэродинамически устойчива. Лучше если полная стабилизация происходит в течение 1-2-х полных оборотов. Если процесс стабилизации затягивается дольше, или стабилизация совсем не наступает надо увеличить устойчивость ракеты. Для этого надо либо поменять размер и форму стабилизаторов в сторону увеличения и смещения назад, либо загрузить носовую часть ракеты балластным грузиком.

Запуск    Запуск ракеты самый интересный момент. Но и тут нельзя расслабляться. Надо обязательно 10) обеспечить безопасность окружающих. Ваше увлечение не должно быть источником опасности для других. Поэтому надо найти площадку, на которой в радиусе 200м нет посторонних людей, строений, легко воспламеняющихся объектов.    Итак, ракета на старт! Втыкаем направляющую в землю с небольшим наклоном от себя поперек направления ветра. Это важно! (помните о горизонтальном полете?). Устанавливаем на ракету двигатель, стопин, замедлитель. Надеваем ракету на направляющую. Еще раз убеждаемся, что ракета легко сдвигается с места установки. Спокойно поджигаем замедлитель, спокойно отходим на 30м в поперечном к ветру направлении, спокойно наблюдаем за стартом. Стопин горит с большим выделением дыма, поэтому переход от замедлителя к стопину всегда заметен издали. Если после отработки стопина ракета осталась на месте, не спешите бежать к ней. Надо выждать не менее 5мин, иначе можно нарваться на неприятности. Работу системы зажигания лучше контролировать с помощью бинокля. Ракета обычно стартует очень активно, поэтому, чтобы отследить ее полет надо проявить достаточную сноровку.

Расчет    Для самых дотошных привожу результаты расчета двигателя РДК-1 по моей программе Rocki-motor . Класс С11 время работы t=0.81 сек Kn максимальный Knmax=64 давление в камере Pmax=0.68 МПа тяга максимальная Fmax=18.8 H тяга средняя Favg=11.9 H импульс полный Itot=9.4 Н*сек импульс удельный Isp=97.9 сек На графике рис.4 приведено изменение числа Kn по времени, т.е. отношения площади горения к площади критического сечения сопла по времени. На графике рис.5 приведено изменение давления в камере движка по времени. (Один МегаПаскаль соответствует 10-ти атмосферам). На графике рис.6 приведено изменение тяги по времени.    Обратите внимание, тяга такого небольшого простейшего движка может превысить 1,5кг. И это для ракеты весом 30-35г!    Точность расчета оставим на моей совести. Думаю все же, результаты достаточно близки к истине, т.к. сравнение результатов многочисленных запусков с разными параметрами движка и результатов соответствующих расчетов выявили явное соответствие. Освоить расчетную методу я очень рекомендую, тем паче, что она не сложна. При проектировании своего двигателя очень полезно оценить все критические параметры, дабы не получить вместо движка петарду. Полезно также бывает провести сравнительные вычисления по какому-нибудь параметру (например, по диаметру критики), чтобы не проводить кучу экспериментальных запусков, результаты которых порой заценить достаточно проблематично без соответствующей аппаратуры.    Высоту полета ракеты, максимальную скорость и время подъема тоже можно легко рассчитать по программе Ричарда Накка EzAlt. Несмотря на простоту, программа похоже дает приличную точность. По крайней мере, для данной ракеты расчет и измерение по триангулярному методу показали одинаковый результат для высоты подъема с работающим двигателем — 90м. Выше ракета летит уже по инерции не оставляя за собой следа, да еще с бешеной скоростью, поэтому замерить максимальную высоту полета проблематично. Расчет по EzAlt при самых неблагоприятных условиях дает 300м! Хочется в это верить.    Вот и все о простейшей ракете. Над чем можно работать дальше, если это занятие понравилось? Да над тем же, над чем работают опытные. Зайдите на их сайты, на форум Авиабазы и т.п.. Полезная нагрузка, система спасения, эффективность сопла, подбор топлива и технологичность двигателя и т.д. и т.п.. Короче, если это интересно, то здесь непочатый край разного рода задач. Я бы даже сказал так – сделать ракету не сложно, но выжать из нее максимум – труднейшая задача. Учитесь у опытных, но будьте очень осторожны с сайтами всяких пиротехников, на которых зачастую даются советы опасные для здоровья. Даю адреса сайтов, заслуживающих, на мой взгляд, внимания и доверия: http://www.nakka-rocketry.net. http://airbase.ru/users/serge77/index.htm. http://oonoh.narod.ru/main.html. http://kirov-rockets.by.ru/index.shtml.    Ну, а кому эта ракета показалась слишком простой, предлагаю попробовать «на зуб» свой следующий, заметно более серьезный, ракетный проект РК-2 или его адаптированный для новичков вариант проект Арлекин.

P.S.    Внимательный читатель заметит некоторые, правда непринципиальные, несоответствия фоток и текста. Так получилось, что фотки делались заранее и немного отстали от времени. Я надеюсь это не помешает при изготовлении модели. Sorry! /03.09.2007 kia-soft/ ***

Твердое ракетное топливо | Энергия

Что такое твердое ракетное топливо?

Первые виды твердого ракетного топлива были похожи на оружейный порох и использовались в военной технике, а также при запуске фейерверков. В настоящее время такое топливо применяется только для моделей ракет. Типичный двигатель для модели ракеты — это маленький цилиндр размером с палец, начиненный материалом, похожим на порох. Он поджигается горячей проволокой и горит 1—2 секунды. Благодаря тяге, которая обеспечивается таким маленьким двигателем, можно запустить маленькую ракету (длиной около 0,5 м) на высоту несколько сотен метров, если, конечно, ракете дать возможность стартовать после того, как топливо начнет гореть.

Базовое твердое топливо содержит горючее, окислитель и катализатор, который способствует поддержанию устойчивого горения после воспламенения. Эти составляющие топлива в исходном состоянии находятся в виде порошка. Затем из них создается однородная плотная смесь, чтобы обеспечить ровное, непрерывное, длительное горение. Типичный твердотопливный двигатель военной ракеты работает на смеси древесного угля — углерода (в качестве горючего), нитрата калия (в качестве окислителя) и серы (в качестве катализатора). Эта комбинация называется черным порохом. Другая комбинация материалов, которую можно использовать, чтобы сделать твердое топливо для ракеты, включает хлорат натрия, хлорат калия (бертолетову соль), порошок магнезии или порошок алюминия. Смесь этих веществ называют белым порохом.

Как работает ракетный двигатель на твердом топливе

Как только происходит воспламенение, топливо начинает гореть с управляемой скоростью, обеспечивая тягу, так как продукты горения в виде горячего газа выбрасываются через сопло (открытое отверстие сзади).

После того как в двигателе поджигается топливо, оно горит до тех пор, пока не закончится. Нет никакой возможности выключить двигатель или остановить горение топлива, пока цикл не завершится. Это можно считать недостатком твердотопливных двигателей в сравнении с двигателями на жидком топливе. Однако в реальных космических аппаратах твердое топливо применяется обычно только для начальных стадий полета, а на конечной стадии оно не используется, поэтому на практике это не становится существенной проблемой.

Изготовление модели ракеты спортивного класса S6A

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

Стр.

1.Пояснительная записка..……………………………………………………..3

2.Цель и задачи занятий…………………………………………………………4

3.Теоретический материал для проведения занятий………………….. …4

^{3.1. Классификация моделей ракет ……………….. ………………………….4}

3.2.Общее устройство модели ракеты ………..……………………………..6

4. Практическая работа………………………………………………………………7

4. 1. Изготовление модели ракеты спортивного класса S6A ……………..7

4.1.1. Чертеж модели ракеты класса S6A …………………………7

4.1.2. Этапы изготовления модели ракеты класса S6A ………….8
4.2. Запуск модели ракеты класса S6A …………………………………..11

Приложение ..………………………………………………………………………….13

1. Пояснительная записка.

 

Задача педагогов дополнительного образования спортивно-технической направленности – пробуждать у ребят желание заниматься техническим творчеством, формировать мотивацию к инженерной деятельности в школьном возрасте посредством занятий техническим моделированием и конструированием.

Цель занятий в технических объединениях – развивать у обучающихся техническую смекалку, конструкторские и изобретательские способности, расширить область применения полученных знаний на практике.

Большой популярностью среди детей пользуется объединение ракетомоделистов. Как показывает опыт, большой интерес для школьни­ков представляют модели ракет спортивного класса, так как эти модели являются примерами полноценных ракет со всеми основными функциями и ха­рактерными признаками. И еще одним достоинством ракетомоделизма является то, что модели можно испытывать на не­оборудованных площадях. Все это делает ракетомоделизм ин­тересным, доступным и достаточно дешевым видом моде­лизма.

Данная методическая разработка — это результат работы педагога дополнительного образования МОУ ДОД «Валуйская городская станция юных техников» Белгородской области Мерзликина Евгения Петровича. Мерзликин Е.П. руководит творческим объединением «Ракетомоделирование», имеет среднее образование, первую квалификационную категорию, педагогический стаж работы 33 года, награжден нагрудным знаком «Почетный работник общего образования Российской Федерации.

Тема «Одноступенчатая модель ракеты с одним двигателем. (S-3, S-6)» изучается на занятиях первого года обучения. Основные типы занятий — сообщение новых знаний, комбинированные, занятие — соревнование. Методы, которые педагог использует на занятиях — наглядный, практический, частично-поисковый. Для изготовления модели ракеты спортивного класса S6A понадобилось 30 учебных часов (15 занятий).

Для изготовления модели были использованы следующие материалы и инструменты:

• Чертежная бумага (ватман) толщиной 0,13 мм

• Бумага толщиной 0,16 – 0,18 мм

• Хлопчатобумажная нить диаметром 0,5 – 0,6 мм

• Лавсановая пленка толщиной 0,03 мм

• Резинка – амортизатор

• Лак

• Наждачная бумага

• Клей ПВА

• Цилиндрические оправки диаметром 39,7 мм, 10,3 мм

• Коническая оправка

• Линейка

• Ножницы

• Нож для резки бумаги

• Модельный ракетный двигатель (МРД)
   

2. Цель и задачи занятий.

 

Цель: изготовить модель ракеты спортивного класса S6A для участия в областных соревнованиях по ракетомоделизму.

Задачи:

• Ознакомить обучающихся с классификацией моделей ракет, общим понятием об особенностях конструкции моделей ракет разных классов;

• Учить выполнять технические рисунки, эскизы, рабочие чертежи отдельных частей объемных моделей;

• Познакомить с правилами сборки, регулировки, испытаний моделей;

• Провести пробные и тренировочные запуски моделей;

• Совершенствовать навыки работы с разными материалами и инструментами;

• Прививать интерес к ракетомоделизму.

 

 

3. Теоретический материал для проведения занятий.

^{3.1 Классификация моделей ракет.}

По определению Международной подкомиссии при ФАИ — руководящего и контролирующего органа ракетомоделистов — действующей любительской ракетой можно назвать модель, которая движется в воздухе под действием силы тяги, а не аэродинамических сил.

Модели ракет, так же как и их прототипы, отличаются друг от друга по длине, калибру (наибольшему диаметру), удлинению (отношению длины к диаметру), числу двигательных установок (одноступенчатые или многоступенчатые) и назначению.

По назначению все известные типы моделей ракет можно условно разделить на 4 основные группы: наглядные пособия, модели-игрушки, экспериментальные (с двигателем и без двигателя) и спортивные модели.

По определению ФАИ, спортивной моделью ракеты считается изготовленная из неметаллических материалов модель, которая поднимается в воздух за счет тяги, создаваемой модельным ракетным двигателем, без использования аэродинамических подъемных сил. Причем спортивная ракета должна обязательно иметь устройство для ее безопасного возвращения на землю.

К модельному ракетному двигателю (МРД) требования особые: на спортивных моделях разрешается использовать только двигатели промышленного производства, работающие на твердом топливе.

Спортивные модели ракет разделены на 7 категорий:

• S-1—высотные,

• S-2—транспортные,

• S-3— парашютирующие,

• S-4— ракетно-планерные,

• S-5— масштабные высотные (модели-копии на высоту полета),

• S-6—модели с триммером (тормозной лентой),

• S-7— масштабные модели (модели-копии на реализм полета).

Высотные модели ракет (S-1) в зависимости от взлетной массы (до 500 г) и мощности двигателей — полного импульса (до 80 Н  с) подразделяются на 4 класса, обозначенных буквами S-1-A, S-1-B и т. д. В моделях этих классов разрешается использовать любое число двигателей, в любой комбинации, но при условии, что их суммарная мощность не будет превышать допустимую мощность двигателей моделей данного класса. На соревнованиях взлетающая модель ракеты не должна исчезать из поля зрения судей-наблюдателей, поэтому моделисты стараются раскрашивать свои модели поярче. Очки начисляются в зависимости от высоты, на которую поднялась модель.

Транспортные модели ракет (S-2) в отличие от высотных несут стандартный полезный    груз,    установленный    ФАИ.    Это сплошной, обычно свинцовый цилиндр массой 28,3 г и диаметром 19,1 ±0,1 мм. Размещается он внутри модели таким образом, чтобы его можно было в любой момент извлечь оттуда. Транспортные модели ракет разделены на 3 класса: одиночный (S-2-A), двойной (S-2-B) и открытый (S-2-C). В нашей стране ракетомоделисты соревнуются только в одиночном классе. Модели этого класса отличаются друг от друга по полетной массе, максимальному импульсу двигателя (двигателей) и полезной нагрузке (масса груза — цилиндра). Модели одиночного класса поднимают один цилиндрик (общая масса модели—90 г, импульс—90—100 Н-с), двойного — 2 (180 г, до 40 Н • с) и открытого — 3 (500 г, до 80 Н •  с).

Модели парашютирующих ракет (S-3) и ракет с тормозной лентой (S-6) соревнуются   на   продолжительность   полета.

Модели категорий S-3 опускаются на парашюте, а категорий S-6— на тормозной ленте. Время полета ограничено: моделей с парашютом — от 240 до 600 с, с лентой — от 120 до 300 с. Обе категории разбиты на классы, по 4 в каждой. Классы моделей обеих этих категорий отличаются друг от друга массой и импульсом движения. Если в соревнованиях ракетомоделей категории S-6 могут участвовать одноступенчатые модели ракет с одним двигателем и с одной тормозной лентой, сделанной из ткани, тонкой бумаги или пленки, то моделям категории S-3 разрешается иметь несколько парашютов (двигатель тоже один). Время полета секундомеры начинают отсчитывать по первому движению модели на пусковой установке, а кончают — в момент приземления. Отсчет времени заканчивается и в том случае, если модель вышла из поля зрения судей-хронометристов более чем на 10 с. Окончательный результат спортсмена подсчитывается по сумме трех полетов.

Ракетно-планерные модели (категория S-4). Такие ракеты еще называют ракетопланами, это крылатые ракеты. В воздух они поднимаются, как и все модели ракет, за счет силы тяги ракетного двигателя, без использования аэродинамических сил, а потом, когда двигатель отключается, планируют с высоты и плавно приземляются. Основная задача моделей этой категории — продержаться в полете заданное (контрольное) время, можно чуть больше, но не меньше. От того, насколько удачно спроектированы крылья ракетоплана, зависят аэродинамические качества модели, а значит и время полета. В категории S-4 модели делятся на 5 классов: S-4-A—«Воробей», S-4-B—«Стриж»,   S-4-C—«Ястреб»,   S-4-D — «Орел», S-4-E —«Кондор». Эти модели отличаются друг от друга по максимальным массе и времени полета, а также мощности двигателя или двигателей.

Высший класс спортивного мастерства — это конструирование и постройка масштабных моделей-копий. В качестве прототипов для постройки моделей ракетомоделисты чаще всего берут зондирующие, геофизические и метеорологические ракеты, ракеты-носители искусственных спутников и космических кораблей. Самые искусные мастера конструируют даже целые ракетные системы со стартовым столом, транспортером и вспомогательным оборудованием. Масштабные модели-копии соревнуются на высоту полета и реализм полета (категории S-5 и S-7).

 

3.2 Общее устройство модели ракеты.

 

Любая летающая модель ракеты имеет следующие основные части:

• корпус,

• стабилизаторы,

• парашютирующую систему,

• направляющие кольца,

• головной обтекатель

• двигатель.

Корпус служит для размещения двигателя и парашютирующей системы. К нему крепятся стабилизаторы и направляющие кольца. Для придания модели хорошей аэродинамической формы верхняя часть корпуса оканчивается головным обтекателем. Стабилизаторы нужны для устойчивости модели в полете, а парашютирующая система— для замедления свободного падения. С помощью направляющих колец модель крепят на штангу перед взлетом. Двигатель создает необходимую тягу для полета.

4. Практическая работа.

 

4.1. Изготовление модели ракеты спортивного класса S6A.

 

4.1.1. Чертеж модели ракеты класса S6A.

 

 

 

1 – головной обтекатель, 2 – соединительная втулка (юбка), 3 – нить крепления тормозной ленты, 4 – резинка амортизатор, 5 — тормозная лента (стример), 6 – корпус, 7 – хвостовой отсек, 8 – контейнер МРД, 9 – стабилизатор, 10 – двигатель.

 

 

4.1.2. Этапы изготовления модели ракеты класса S6A.

Технология изготовления модели ракеты спортивного класса S6A следующая.

1. Корпус (рис. 1) склеивают в один слой из чертежной бумаги толщиной 0,13 мм на оправке диаметром 39,7 мм. Волокна бумаги необходимо располагать вдоль оправки. В этом случае бумага скручивается без изломов. Заготовку из бумаги немного увлажняют, оборачивают вокруг оправки и смазывают клеем ПВА шов шириной 5 – 6 мм. После высыхания полученный корпус обрабатывают мелкой наждачной бумагой и покрывают лаком.

Рис. 1

2. Хвостовой отсек (рис. 2) склеивают на конической оправке из той же бумаги.

Рис. 2

3. Контейнер МРД (рис. 3) делают из бумаги на цилиндрической оправке диаметром 10,3 мм.

4. Соединяют корпус, хвостовой отсек и контейнер между собой внахлест. Ширина пояса склейки – 2 мм.

5. Стабилизаторы (рис. 3) делают из картона или из бальзы. Выбрав форму стабилизатора (рис. 7), изготавливают шаблон, который переносят на бальзовую пластину толщиной 2 мм и вырезаются с помощью канцелярского ножа. Вырезанные заготовки, шлифуются и покрываются лаком. Готовые стабилизаторы приклеивают к контейнеру МРД клеем ПВА. К одному из стабилизаторов прикрепляют хлопчатобумажную нить системы спасения (стример).

Рис. 3

6. Головной обтекатель (рис. 4) – конус длиной 105 мм, тоже делают из бумаги. Из нее же изготавливают соединительную втулку. Между собой детали скрепляются при помощи шпангоута. Изнутри к «юбке» втулки приклеивают второй конец нити подвески, в середине которой закрепляют отрезок резинки (амортизатор) длиной 150 мм.

Рис. 4

7. Тормозная лента (стример) – изготавливают из лавсановой пленки. Ширина ленты от 100 до 130 мм, длина – от 1100 до 1500 мм. Фал (рис. 5) приклеивают лентой «скотч». По краям ленты для усиления подклеить еще узкие полоски. Для увеличения времени полета модели необходимо повысить сопротивляемость тормозной ленты. Для этого ленту – стример предварительно изгибают различными способами (рис. 6). Подвеска тормозной ленты к фалу модели должна быть осевой – типа «вымпел» (рис. 5). Готовую тормозную ленту протирают тальком.

Рис. 5

Рис. 6

8. Перед тем как вложить тормозную ленту в ракету необходимо изготовить пыж. Для этого из трубы диаметром 39,7 мм изготовить резец. Закрепить его в токарном станке и на больших оборотах высверлить отверстие в куске пенопласта толщиной 3 см. Выдавить из трубы полученный кругляк и довести его до нужного диаметра катанием. Готовый пыж вставить в корпус ракеты.

 

 

Рис. 7 Виды хвостового оперения: 1 – вид сверху, 2 – вид сбоку.

4. 2. Запуск модели ракеты класса S6A.

 

С целью отбора участника команды ВГСЮТ для участия в областных соревнованиях по ракетомоделизму проводятся соревнования среди обучающих в ракетомодельном объединении (Приложение 1).

Соревнования моделей ракет спортивного класса S6A должны содержать в себе все основные элементы соревнований по ракетомодельному спорту.

Каждому участнику предоставляется три попытки, в зачет идет лучший результат, показанный в одной из них.

Стартует модель ракеты класса S6A на двигателе МРД 5 (рис. 8).

 

Рис. 8 Устройство модельного ракетного двигателя:

1. Сопло; 2. Оболочка; 3. Топливо; 4. Замедлитель;

5. Вышибной заряд; 6. Пыж

 

Модели ракет, как правило, стартуют с пусковой установки, набирая на ее направляющих скорость, необходимую для самостоятельного устойчивого полета.

Стартовое оборудование состоит из пускового устройства, пульта управления запуском, проводников для подачи электропитания и воспламенителя.

Пусковое устройство должно ограничивать движение модели по вертикали до тех пор, пока не будет достигнута скорость, надежно обеспечивающая безопасный полет по намеченной траектории. Применять механические приспособления, встроенные в пусковую установку и помогающие при запуске, запрещается Правилами соревнований по ракетомодельному спорту.

Пусковое устройство для моделей ракет:
1 – направляющий штырь, 2 – модель ракеты, 3 – стартовая плита,

4 – отражатель, 5 – электрозапал.

 

Первым условием проведения различных испытаний моделей ракет является выполнение требований техники безопасности, поскольку нет ракет абсолютно безопасных.

Автор: педагог дополнительного образования

Мерзликин Евгений Петрович

По материалам сайта http://www.uovaluiki.narod.ru/

Ракетный фестиваль Академгородка

Результаты ракетного фестиваля 2021

Видео образовательного комплекса «Наша школа» о ракетном фестивале

В честь 60-летия первого в истории полета человека в космос 12 апреля 2021 года с 12:00 до 14:00 состоится Ракетный фестиваль. 
Адрес проведения мероприятия — ул. Институтская 4/3, территория ИТПМ СО РАН (за серыми баллонами).
Технический осмотр ракет и выдача стартового номера с 11-30. 

ПРОЙТИ ОБЯЗАТЕЛЬНУЮ ЭЛЕКТРОННУЮ РЕГИСТРАЦИЮ ДО 15-00 9 АПРЕЛЯ 2021 

В программе фестиваля: осмотр технической готовности ракет, подтверждение регистрации участников и выдача стартового номера, парад ракет, инструктаж пусковой команды ракеты, заправка топливом, проведение пусков.

Для участия в фестивале необходимо: собрать команду из двух и более человек, изготовить модель ракеты на основе 1.5 литровой пластиковой бутылки. Каждая команда представляет 1 ракету.

ПРОСИМ ВСЕХ УЧАСТНИКОВ РАКЕТНОГО ФЕСТИВАЛЯ НЕ ЗАБЫВАТЬ ПРО МАСОЧНЫЙ РЕЖИМ  

Памятка конструкторам

11:30-12:00 — Регистрация

1. Проходим технический осмотр и получить наклейку о допуске (ориентируемся на флаг)
2. Подтверждаем электронную регистрацию и получаем стартовый номер
3. Готовимся к параду! 

12:00 —  Открытие Ракетного фестиваля:

1. Строимся на парад конструкторов
2. Слушаем инструктаж о правилах и порядке пуска ракет
3. Выбираем  топливо для ракеты на заправочном пункте и получаем сопло
4. Готовимся к пускам ракет согласно стартовым номерам — внимательно слушаем ведущего!
5. Пуски с трех стартовых столов

13:30 — Космический перекус

 

Вручение дипломов самым-самым

 

О конструкции ракеты

1. Принцип действия аппарата: в 1,5-литровую бутылку наливается дигидрогена монооксид и закачивается азотно-кислородная газовая смесь, взаимодействие компонентов создает реактивную тягу;

2. В основе корпуса ракеты — пластиковая бутылка объемом 1.5 литра любой формы, ориентированная горлышком вниз;

3. В бутылке не должно быть отверстий, она не должна протекать и пропускать воздух при закрытой крышке; 

4. Допускается установка внешних частей ракеты, а также оформление ракеты с помощью красок, клея, дерева, резины, бумаги и пластика;

5. В конструкции не допускается использование острых и металлических элементов; 

6. Вес готовой и незаправленной ракеты не должен превышать веса исходной бутылки более чем в 3 раза. 

Принцип действия ракеты

Наверняка все видели, что происходит, если надуть воздушный шарик и, не завязывая, отпустить его. Воздух из него начинает резко вылетать, и шарик начинает летать по комнате. Почему это происходит?

Все дело в том, что воздух в шарике находится под давлением. И, когда открывается отверстие, воздух из шарика движется в одну сторону, а шарик – в другую. Точно по той же самой причине движется и ракета. Топливо горит в камере сгорания, давление полученного газа в ней резко увеличивается, и раскаленные продукты сгорания с огромной скоростью вылетают из сопла в одну сторону, а ракета движется в другую. Такой двигатель, в котором рабочее вещество (например, газ) выбрасывается в одну сторону, а сама ракета движется в другую, называется реактивным.

Для реактивного двигателя нет разницы, что именно использовать в качестве выбрасываемого рабочего вещества. Но чем тяжелее это вещество и чем больше скорость, с которой оно отбрасывается, тем большую скорость развивает ракета.

На ракетном фестивале будут представлены сконструированные школьниками ракеты, в которых в качестве рабочего вещества используется вода с добавлением звездной пыли и секретных космических веществ. Реактивный двигатель ракеты представляет собой пластиковую бутылку, в которой примерно на четверть налита вода. С помощью насоса в бутылку под давлением накачивается воздух. Затем ракета устанавливается на стартовый стол, и, когда горлышко бутылки открывается, вода из нее начинает стремительно вытекать вниз, а сама ракета взмывает вверх.

Управление ракетой

Начинающие ракетостроители часто допускают типичные ошибки проектирования водяных ракет, из-за которых она  не может улететь высоко. Некоторые правила мы сейчас рассмотрим.

• Ракета должна быть симметричной. Существенную роль в том, как будет лететь ваша ракета, играет ее аэродинамика. Если говорить просто, то это та сила, которую оказывает воздух на ракету. Если ракете сделать  несимметричное хвостовое оперение, то она будет поворачивать в сторону, и красивого долгого и высокого полета не получится.

• Хвостовое оперение должно быть жестким. Оно нужно ракете, чтобы задавать направление полета и не должно развеваться на ветру.

• Центр тяжести ракеты должен быть расположен в передней половине. Все видели волан для бадминтона. У него тяжелая головка расположена впереди, а оперение – в задней части. Поэтому он всегда летит головкой вперед. Для ракеты, конечно, не нужно делать такого большого хвостового оперения, иначе она будет быстро тормозиться, но главное – чтобы нос ракеты был тяжелее ее хвоста.

• Ракета не должна быть слишком тяжелой. Ведь, чем тяжелее ракета, тем труднее будет запустить ее в воздух. Поэтому при создании ракеты помните, что нельзя применять тяжелые материалы для ее оформления.

Удачи в освоении новых высот!

Контакты: 

Тел: 8 (383) 330-42-79
e-mail: [email protected]

 

Как я делаю ракетные двигатели. Ракетное топливо своими руками Как сделать ракетное топливо

Несколько десятилетий назад, когда человечество бредило освоением космоса, увлечение ракетостроением было повальным. И школьники, и взрослые мужчины с энтузиазмом конструировали в гаражах и на кухнях из подручных материалов. Сейчас ажиотаж немного спал, но что может быть увлекательнее, чем запустить в воздух собственноручно сделанный летательный аппарат? Как же заставить ракету взлететь? Самое доступное и практичное — использовать карамельное топливо, смесь селитры и углевода.

Что потребуется

Набор составляющих не так уж велик.

1. Сахар или сорбит — сырье для карамелизации.

2. Селитра (можно использовать разную, об этом подробнее ниже).

3. Металлическая емкость — чаще всего берут обычные консервные банки, хотя предпочтительнее брать посуду с толстыми стенками — для более равномерного нагрева. Еще лучше — эмалированную или из нержавейки, чтобы не было реакции раствора с материалом посуды.

4. Электроплитка — готовить топливо на газовой плите нельзя!

5. Газета или другая бумага с хорошими впитывающими свойствами (если ваша цель — сделать не просто карамельное топливо, а карамельную бумагу). Ее также используют в двигателях ракет, пропитывая готовой «карамелькой» и высушивая (без нагрева).

6. Средства защиты: очки и перчатки.

7. Вентиляция.

Три способа изготовления

Сделать карамельное топливо можно по-разному. Самое легкое — просто смешать компоненты. Еще «карамельку» варят — просто или с выпариванием. При обычном смешивании топливо ссыпают в стеклянную банку и встряхивают несколько раз, затем плотно закрывают, чтобы исключить впитывание воды. При непосредственном использовании в двигателях ракет этот вид горючего надо хорошо уплотнить, иначе возможен взрыв.

Варят, или, скорее, плавят карамельное топливо при температуре 120-145 градусов до полного преобразования сахара и образования массы, по консистенции похожей на жидкую манную кашу. Предварительно измельчать компоненты не нужно. Очень важно постоянно мешать ее, чтобы не образовались пузырьки воздуха. Варка с выпариванием подразумевает добавление воды с последующим ее испарением. Недостатки этого способа: в топливе остается влага, и это снижает скорость его горения.

Рецепт № 1

Карамельное топливо из — самый лучший вариант. Ингредиенты берутся в следующих пропорциях: сахар или сорбит — 35 %; селитра — 65 %. Селитру сушат на плоской широкой сковороде про 100-150 градусах около двух часов. Затем измельчают в течение примерно 20 секунд — можно использовать ступку или кофемолку.

Закладывают равными порциями, по 50 граммов. Чтобы не возиться с измельчением сахара, лучше купить уже готовую сахарную пудру. Для «вареного» карамельного топлива ничего ни молоть, ни сушить не нужно. Чтобы усилить эффективность, в смесь можно добавить 1%-ный оксида железа (Fe 2 O 3).

Рецепт № 2

Карамельное топливо из натриевой селитры. Особенности этой смеси — она более гигроскопична. Потребуется 70 % селитры, 30 % сахара и два объема воды (200 %).

Рецепт № 3

Пользоваться им не рекомендуется. топливо на (аммоний азотнокислый). Почему лучше обратить внимание на другие рецепты? Потому что это неустойчивое соединение, и при нагревании все что угодно может пойти не так. В результате затея, вполне вероятно, закончится пожаром!

Кроме того, при изготовлении «карамельки» из аммиачной селитры выделяются крайне токсичные пары. Поэтому все рецепты с использованием аммиачной селитры содержат дополнительные компоненты для преобразования ее в натриевую или калиевую. Проще всего вариант с натриевой. Берем 40 % селитры, 45 % пищевой соды и 200 % воды. Отмечаем уровень жидкости и выпариваем, пока не пропадет запах аммиака. Потом доливаем воду до первоначального уровня (она же выпарилась частично), добавляем 15 % сахара и дожидаемся его растворения.

Катализаторы

Для увеличения эффективности «карамельки» в нее добавляют различные катализаторы. Самый популярный — оксид железа. Менее известно карамельное топливо с алюминием. Внимание! Смесь алюминия с нитратами может воспламениться в присутствии воды. Особенно опасно наличие любых щелочных примесей, которые могут присутствовать в селитре, недостаточно чистой или сделанной самостоятельно. Поэтому в горючее на основе нитратов с алюминием в качестве катализатора обязательно добавление 0,5-1 % какой-нибудь слабой кислоты, причем не факт, что этого количества хватит, — все зависит от качества селитры. Борная — наилучший вариант. Щавелевая и уксусная не годятся — алюминий реагирует с ними. Если в процессе варки смесь сильно нагревается, пенится и испускает резкий запах аммиака — нужно незамедлительно снять ее с плитки и погрузить в воду.

Вообще, экспериментировать с катализаторами лучше опытным ракетостроителям, освоившим простейшие виды топлива. Да и подучить химию не помешает: пользоваться готовыми советами просто, но значительно ценнее знание и понимание того, что ты делаешь, и какие реакции происходят в смеси.

Алюминий добавляется в калиевую «карамельку». Допустимые вариации — от 2,5 до 20 %. Разное количество дает разное изменение скорости горения топлива. Рекомендуется использовать сферический алюминий АСД-4.

Как остаться целым и здоровым

Опаснее всего готовить карамельное топливо путем плавления сахара и селитры, но зато этот вариант и самый результативный. Емкость, в которой варят «карамельку», должна быть идеально чистой — посторонние вещества могут вызвать возгорание.

Рядом не должно быть источников открытого пламени — взрывы на кухне нам ни к чему. Очень важно следить за температурой смеси — выше 180 градусов она не должна подниматься ни при каких обстоятельствах!

При размешивании лучше использовать деревянную палочку во избежание побочных реакций. Мешать следует очень тщательно, но равномерно: пузырьки воздуха в готовом топливе при использовании приводят к взрыву ракеты. При розливе этого горючего в формы также нужно следить, чтобы не было пузырьков. Работать необходимо с вытяжкой или на свежем воздухе, особенно это касается рецепта с аммиачной селитрой.

Не перемалывайте сахар и селитру в кофемолке вместе! Молоть нужно отдельно, смешивать, встряхивая, в стеклянной посуде.

Новичкам не стоит связываться с нитратом аммония: сначала попробуйте самое простое и безопасное (на основе калиевой селитры) карамельное топливо. Изготовление любого самодельного горючего должно проходить под тщательнейшим контролем качества ингредиентов, температуры, содержания влаги и с соблюдением всех мер безопасности!

Где достать ингредиенты

Селитра продается в магазинах сельскохозяйственных товаров и отделах для дачников в качестве удобрения. Сорбит — заменитель сахара для диабетиков. Продается, соответственно, в аптеке. Fe 2 O 3 — оксид железа — раньше продавался под названием Можно попробовать сделать его самостоятельно, изучив соответствующую литературу. Минерал гематит — этот тоже Алюминий продается фирмами-производителями химреактивов.

Мало кто из моих ровесников не увлекался постройкой моделей ракет. Может, сказывалось всемирное увлечение человечества пилотируемыми полетами, а может, кажущаяся простота постройки модели. Картонная трубка с тремя стабилизаторами и головным обтекателем из пенопласта или бальсы, согласитесь, намного проще даже элементарной модели самолета или автомобиля. Правда, энтузиазм большинства молодых Королевых, как правило, улетучивался на этапе поиска ракетного двигателя. Оставшимся ничего не оставалось, как осваивать азы пиротехники.

Александр Грек

Между Главным конструктором наших ракет Сергеем Королевым и Главным конструктором наших ракетных двигателей Валентином Глушко шла негласная борьба за звание Самого Главного: кто же действительно важнее, конструктор ракет или двигателей для них? Глушко приписывают крылатую фразу, якобы брошенную им в разгар такого спора: «Да я к своему двигателю забор привяжу — он на орбиту выйдет!» Впрочем, эти слова — отнюдь не пустое бахвальство. Отказ от «глушковских» двигателей привел к краху королевской лунной ракеты H-1 и лишил СССР каких-либо шансов на победу в лунной гонке. Глушко же, став генеральным конструктором, создал сверхмощную ракету-носитель «Энергия», превзойти которую до сих пор никому не удается.

Двигатели из патронов

Та же закономерность работала и в любительском ракетостроении — выше летала ракета, у которой был более мощный двигатель. Несмотря на то что первые ракетомодельные двигатели появились в СССР еще до войны, в 1938 году, Евгений Букш, автор вышедшей в 1972 году книги «Основы ракетного моделизма», взял за основу такого двигателя картонную гильзу охотничьего патрона. Мощность определялась калибром исходной гильзы, а производились двигатели двумя пиротехническими мастерскими ДОСААФ вплоть до 1974 года, когда было принято решение об организации в стране ракетомодельного спорта. Для участия в международных соревнованиях потребовались двигатели, подходящие по своим параметрам под требования международной федерации.

Их разработка была поручена Пермскому НИИ полимерных материалов. Вскоре была выпущена опытная партия, на основе которой и начал развиваться советский ракетомодельный спорт. С 1982 года с перебоями заработало серийное производство двигателей на государственном казенном заводе «Импульс» в украинской Шостке — в год выпускали 200−250 тысяч экземпляров. Несмотря на жесткий дефицит таких двигателей, это был период расцвета советского любительского модельного ракетостроения, который закончился в 1990 году одновременно с закрытием производства в Шостке.

Двигательный тюнинг

Качество серийных двигателей, как нетрудно догадаться, для серьезных соревнований не годилось. Поэтому рядом с заводом в 1984 году появилось мелкосерийное опытное производство, обеспечивавшее своей продукцией сборную страны. Особенно выделялись двигатели, частным образом изготовленные мастером Юрием Гапоном.

А в чем, собственно, сложность производства? По своей сути ракетомодельный двигатель — простейшее устройство: картонная трубка с запрессованным внутри дымным порохом марки ДРП-3П (дымный ружейный порох 3-й состав для прессованных изделий) с керамической заглушкой с соплом-дыркой с одной стороны и пыжом с вышибным зарядом — с другой. Первая проблема, с которой не справлялось серийное производство, — точность дозировки, от которой зависел и конечный суммарный импульс двигателя. Вторая — качество корпусов, которые часто давали трещины при прессовании под давлением в три тонны. Ну и третья — собственно, качество запрессовки. Впрочем, проблемы с качеством возникали не только в нашей стране. Не блещут им и серийные ракетомодельные двигатели другой великой космической державы — США. А лучшие модельные двигатели делают микроскопические предприятия в Чехии и Словакии, откуда их контрабандой провозят для особо важных мероприятий.

Тем не менее при социализме двигатели, пусть неважные и с дефицитом, но были. Сейчас же их нет вообще. Отдельные детские ракетомодельные студии летают на старых, еще советских запасах, закрывая глаза на то, что срок годности давно вышел. Спортсмены пользуются услугами пары мастеров-одиночек, а если повезет, то и контрабандными чешскими двигателями. Любителям же остается единственный путь — перед тем как стать Королевым, сначала стать Глушко. То есть делать двигатели самим. Чем, собственно, и занимались я и мои друзья в детстве. Слава богу, пальцы и глаза у всех остались на месте.

Из всех искусств

Из всех искусств для нас важнейшим является кино, любил поговаривать Ильич. Для ракетомоделистов-любителей середины прошлого века — тоже. Ибо кино- и фотопленка того времени делалась из целлулоида. Туго свернутая в небольшой рулончик и засунутая в бумажную трубку со стабилизаторами, она позволяла взлететь простейшей ракете на высоту пятиэтажного дома. У таких двигателей было два главных недостатка: первый — небольшая мощность и, как следствие, высота полета; второй — невозобновимость запасов целлулоидной пленки. Например, фотоархива моего отца хватило всего на пару десятков запусков. Сейчас, кстати, жалко.

Максимальная высота при фиксированном суммарном импульсе двигателя достигалась при кратковременном четырехкратном скачке мощности на старте и дальнейшем переходе на ровную среднюю тягу. Скачок тяги достигался формированием отверстия в топливном заряде.

Второй вариант двигателей собирался, так сказать, из отходов деятельности Советской армии. Дело в том, что при стрельбах на артиллерийских полигонах (а один из них как раз находился неподалеку от нас) метательный заряд при выстреле выгорает не до конца. И если хорошенько поискать в траве перед позициями, можно было найти довольно много трубчатого пороха. Самая несложная ракета получалась в результате простого заворачивания такой трубки в обычную фольгу от шоколадки и поджигания с одного конца. Летала такая ракета, правда, невысоко и непредсказуемо, зато весело. Мощный двигатель получался при собирании длинных трубок в пакет и заталкивании их в картонный корпус. Из обожженной глины изготавливалось и примитивное сопло. Работал такой двигатель очень эффектно, поднимал ракету довольно высоко, но часто взрывался. К тому же на артиллерийский полигон не особо походишь.

Третий вариант представлял собой попытку почти промышленного изготовления ракетомодельного двигателя на самодельном дымном порохе. Делали его из калиевой селитры, серы и активированного угля (он постоянно заклинивал родительскую кофемолку, на которой я его измельчал в пыль). Признаюсь честно, мои пороховые двигатели работали с перебоями, поднимая ракеты всего на пару десятков метров. Причину я узнал лишь пару дней назад — запрессовывать двигатели нужно было не молотком в квартире, а школьным прессом в лаборатории. Но кто бы, спрашивается, меня в седьмом классе пустил запрессовывать ракетные двигатели?!

Два редчайших двигателя, которые удалось достать «ПМ»: МРД 2, 5−3-6 и МРД 20−10−4. Из советских запасов ракетомодельной секции в Детском доме творчества на Воробьевых горах.

Работа с ядами

Вершиной же моей двигателестроительной деятельности стал довольно ядовитый двигатель, работавший на смеси цинковой пыли и серы. Оба ингредиента я выменял у одноклассника, сына директора городской аптеки, на пару резиновых индейцев, самую конвертируемую валюту моего детства. Рецепт я почерпнул в жутко редкой переводной польской ракетомодельной книжке. И двигатели набивал в папином противогазе, который хранился у нас в кладовке, — в книжке особый упор делался на токсичность цинковой пыли. Первый пробный запуск был проведен в отсутствие родителей на кухне. Столб пламени из зажатого в тисках двигателя с ревом устремился к потолку, прокоптив на нем пятно диаметром в метр и наполнив квартиру таким вонючим дымом, с каким не сравнится и коробка выкуренных сигар. Вот эти-то двигатели и обеспечили мне рекордные запуски — метров, наверное, на пятьдесят. Каково же было мое разочарование, когда через двадцать лет я узнал, что детские ракеты нашего научного редактора Дмитрия Мамонтова летали в разы выше!

1, 2, 4) При наличии заводского ракетного двигателя с постройкой простейшей ракеты справится и школьник начальных классов. 3) Продукт самодеятельного творчества — двигатель из патронной гильзы.

На удобрениях

Двигатель Дмитрия был проще и технологичнее. Основной компонент его ракетного топлива — это натриевая селитра, которая продавалась в хозяйственных магазинах как удобрение в мешках по 3 и 5 кг. Селитра служила окислителем. А в качестве горючего выступала обычная газета, которая и пропитывалась перенасыщенным (горячим) раствором селитры, а затем высушивалась. Правда, селитра в процессе сушки начинала кристаллизоваться на поверхности бумаги, что приводило к замедлению горения (и даже гашению). Но тут вступало в действие ноу-хау — Дмитрий проглаживал газету горячим утюгом, буквально вплавляя селитру в бумагу. Это стоило ему испорченного утюга, но зато такая бумага горела очень быстро и стабильно, выделяя большое количество горячих газов. Набитые свернутой в тугой рулон селитрованной бумагой картонные трубки с импровизированными соплами из бутылочных пробок взлетали на сотню-другую метров.

Карамель

Параноидальный запрет российских властей на продажу населению разных химреактивов, из которых можно изготовить взрывчатку (а ее можно изготовить практически из всего, хоть из древесных опилок), компенсируется доступностью через интернет рецептов практически всех видов ракетного топлива, включая, например, состав горючего для ускорителей «Шаттла» (69,9% перхлората аммония, 12,04% полиуретана, 16% алюминиевой пудры, 0,07% оксида железа и 1,96% отвердителя).

Картонные или пенопластовые корпуса ракет, топливо на основе пороха кажутся не очень серьезными достижениями. Но как знать — может, это первые шаги будущего конструктора межпланетных кораблей?

Безусловным хитом любительского ракетного двигателестроения сейчас являются так называемые карамельные двигатели. Рецепт топлива прост до неприличия: 65% калиевой селитры KNO3 и 35% сахара. Селитра подсушивается на сковородке, после чего измельчается в обычной кофемолке, медленно добавляется в расплавленный сахар и застывает. Итогом творчества становятся топливные шашки, из которых можно набирать любые двигатели. В качестве корпусов двигателей и форм прекрасно подходят стреляные гильзы от охотничьих патронов — привет тридцатым! Гильзы в неограниченном количестве есть на любом стрелковом стенде. Хотя признанные мастера рекомендуют использовать не сахарную, а сорбитовую карамель в тех же пропорциях: сахарная развивает большее давление и, как следствие, раздувает и прожигает гильзы.

Назад в будущее

Ситуация, можно сказать, вернулась в 1930-е годы. В отличие от других видов модельного спорта, где недостаток отечественных двигателей и прочих комплектующих можно компенсировать импортом, в ракетомодельном спорте это не проходит. У нас ракетомодельные двигатели приравниваются к взрывчатым веществам, со всеми вытекающими условиями по хранению, транспортировке и провозе через границу. Не родился еще на земле русской человек, способный наладить импорт таких изделий.

Выход один — производство на родине, благо технология тут вовсе не космическая. Но заводы, имеющие лицензии на производство таких изделий, за них не берутся — им этот бизнес был бы интересен лишь при миллионных тиражах. Вот и вынуждены начинающие ракетомоделисты из крупнейшей космической державы летать на карамельных ракетах. Тогда как в Соединенных Штатах сейчас стали появляться уже многоразовые модельные ракетные двигатели, работающие на гибридном топливе: закись азота плюс твердое горючее. Как вы думаете, какая страна лет через тридцать полетит к Марсу?

Классикой ракетомоделисты называют топливо, состоящее по весу из 35% сорбита и 65% калийной селитры, без каких-либо добавок. Это топливо достаточно хорошо изучено, имеет характеристики не хуже, чем у черного пороха, но изготовить его гораздо проще, чем правильный порох.
Для классики годится только калийная селитра. Если вы не найдете ее в продаже, придется изготовить самостоятельно из натриевой или аммиачной и сульфата или хлорида калия. Все это легко купить в магазинах,
торгующих минеральными удобрениями. Раньше в фотомагазинах продавали еще поташ (карбонат калия), он тоже годится для получения калийной селитры из аммиачной. При смешивании горячих насыщенных растворов натриевой селитры и хлорида калия калийная селитра сразу выпадет в осадок. Самодельную селитру придется очистить перекристаллизацией, для этого ее нужно растворить в небольшом количестве горячей кипяченой воды, профильтровать через вату и поставить раствор в холодильник. Затем слить раствор, селитру высушить на батарее, а потом и в духовке при примерно 150°С один-два часа. Тут главное — соблюдение температурного режима. При более высокой температуре селитра расплавится и станет непригодна к дальнейшему процессу. Сорбит (заменитель сахара] продается и в аптеках, и в продуктовых супермаркетах. Температура плавления чистого сорбита — 125°С, и по этой температуре его можно отличить от моногидрата сорбита, который иногда продается тоже под видом сорбита. Моногидрат плавится при 84°С и для топлива не годится.
Несмотря на несерьезное название, карамельное ракетное топливо — это в первую очередь ракетное топливо, и обращаться с ним надо уважительно. Первое и главное правило техники безопасности — ни в коем случае не готовьте карамель на открытом огне! Только электроплитка с закрытым нагревателем и регулятором температуры. Если нет подходящей электроплитки, можно воспользоваться обычным утюгом, только нужно сделать подставку, удерживающую его в перевернутом положении, подошвой вверх. Положение регулятора «три точки» отлично подходит для изготовления карамели.
Не следует отмеривать компоненты на глазок или по объему — только на весах. На вид кучки в 35 г сорбита и 65 г калийной селитры по объему почти одинаковы. И это нам на руку, так как легче смешивать топливо. Если селитра крупная, ее придется растолочь в ступке или смолоть в кофемолке. Но не перестарайтесь: кристаллики должны быть как у мелкой соли — если смолоть селитру в пыль, с топливом будет трудно работать, так как оно станет слишком вязким. 20 секунд — то что надо.
Теперь можно смешать порошки селитры и сорбита и выложить слоем не больше сантиметра толщиной на сковороду. Желательно мешать смесь непрерывно. Для перемешивания удобно использовать деревянную палочку от эскимо. Постепенно сорбит начнет плавиться, через некоторое время, по мере перемешивания, порошок превратится в однородную субстанцию, похожую на жидкую манную кашу. В расплавленном сорбите часть селитры растворяется, поэтому готовое топливо остается достаточно жидким и при 95°С. Перегревать топливо не следует, потому что при 140°С растворимость селитры скачком увеличивается и так же, скачком, увеличивается вязкость этого состава.
Как только последние комочки селитры размешаны, топливо готово — теперь его надо заливать в форму. Идеальная простота! Хорошо бы и двигатель сделать максимально простым, и такой вариант существует -если не требуются рекордные параметры, предпочтительным становится бессопловик. Он состоит только из корпуса и заряда. Несмотря на то что без сопла часть энергии топлива расходуется впустую, за счет экономии веса корпуса и сопла можно залить больше топлива и скомпенсировать потери.
Для корпуса понадобится картонная трубка с толщиной стенок 1-2 мм. Диаметр ее может быть от сантиметра до трех, но для первых опытов лучше брать не самую маленькую, так как с маленькими двигателями неудобно работать — и топливо застывает быстрее, и сложно его упаковать в маленькую трубку. Длина ее должна быть в 7-15 раз больше диаметра. Можно и в 20, но заливать топливо уже очень неудобно.
Еще потребуется стержень для формирования канала в топливе — в двигателях на карамели топливо горит по поверхности канала, а не с торца заряда, у торца не хватает площади. А для центрирования стержня потребуется деревянная или пластиковая бобышка, подходящая по диаметру и к картонной трубе, и к центральному стержню. Диаметр канала должен быть примерно втрое меньше внутреннего диаметра трубы.
Вставив бобышку в нижний конец трубы и стержень в нее, в оставшееся пространство заливаем «манную кашу» из селитры и сорбита. Топливо остывает и затвердевает, но не до конца. Из его остатков надо скатать палочку-образец — обычно размером с мужской мизинец. По ней измеряют скорость горения получившегося топлива — для этого ее снимают на видео и по видео засекают время. Конечно, длину палочки надо измерить до поджигания. Нормально изготовленная сорбитовая карамель должна гореть со скоростью от 2,6 до 2,8 мм/с, то есть палочка длиной 5 см сгорит за 17-19 с.
Примерно через шесть часов — пока топливо еще мягкое — нужно вынуть бобышку и стержень. Осталось сделать заглушку из эпоксидной смолы там, где была бобышка: на обнажившуюся поверхность топлива наклеить кружок скотча, чтобы прикрыть канал, и из скотча сделать бортик вокруг картонной трубки, после чего залить туда эпоксидную смолу с отвердителем. Уровень смолы должен быть на 0,5 см выше края трубки, чтобы смола впиталась в торец. Иногда еще делают
три-четыре отверстия диаметром 3 мм, в свободной от топлива части трубки, чтобы эпоксидная пробка лучше держалась.
После затвердевания клея двигатель к запуску готов. Для его воспламенения отлично подходят китайские «электрические спички», продающиеся в интернет-магазинах, надо лишь удлинить провода и вставить запал в двигатель до упора, до эпоксидной заглушки — если двигатель загорится в середине, полной тяги он не выдаст.
Но, полетав на «классике», ракетолюбитель часто чувствует потребность ее как-то усовершенствовать. Тут и начинается изобретение разных составов и технологий. Волшебное слово «перхлорат» волнует сердца конструкторов-самодельщиков. Но напрямую заменить нитрат калия на перхлорат калия не получится — топливо будет иметь другие характеристики. Без третьего компонента — катализатора — состав демонстрирует пульсирующее горение вплоть до взрыва. А с катализатором плавить топливо опасно, вот и приходится использовать вакуумное прессование с подогревом и прочую экзотику.

Новое топливо для ракет из термореактивного пластика

Уже совсем скоро американская компания Virgin Galactic объявит дату первого коммерческого полета своей ракеты SpaceShipTwo, поэтому техническая подготовка постепенно заканчивается. И теперь компания заявила, что она решила, какое топливо будет использоваться на суборбитальном космическом аппарате в ходе первых полетов с пассажирами на борту. Твердое ракетное топливо, которое будет использоваться в самом большом в мире гибридном двигателе, будет состоять из термореактивного пластика, схожего с нейлоном. Ракета SpaceShipTwo будет запущена с того места, куда ее отвезет авианосец WhiteKnightTwo. На орбиту ее выведет гибридный двигатель, разработанный компанией Sierra Nevada Corporation, которая использует твердое ракетное топливо и оксид азота в качестве окисляющего компонента. Окисляющий газ обеспечит отключение двигателя по желанию, в отличие от обычных ракетных двигателей твердого топлива (РДТТ). В предшественнике новой модели ракеты — SpaceShipOne – использовался полибутадиен с концевыми гидроксильными группами (HTPB), который является традиционным топливом для РДТТ. Однако после анализа данных, собранных в ходе статических огневых испытаний, компания Virgin Galactic решила поменять топливо на другое на время проведения оставшихся тестов и первых коммерческих полетов. Вместо HTPB, двигатель ракеты будет работать на топливе, в составе которого содержится полиамид, класс термореактивных пластиков, которые больше всего известны как нейлон. Он используется везде: от одежды до подушек безопасности и промышленных пластиков – и имеет дополнительное преимущество, которое заключается в том, что конструкцию двигателя менять не надо, так как последний был разработан так, чтобы заряды топлива были взаимозаменяемые. Ракета SpaceShipTwo вмещает 6 пассажиров. Ракета отправиться в суборбитальный полет из космопорта «Америка» компании Virgin Galactic, который расположен в пустыне Мохаве (США). Как только ракета окажется на месте назначения, пассажиры смогут посмотреть на Землю сверху и насладиться невесомостью в течение нескольких минут. Согласно компании, космический аппарат также может быть оборудован штативами для экспериментов, а технологию также можно адаптировать для запуска микроспутников на низкую опорную орбиту Земли. На видео ниже можно посмотреть статические огневые тесты двигателя ракеты. http://nauka21vek.ru

Источник: http://portaltele.com.ua/news/technology/26336-2014-06-01-16-52-30.html

Данный материал является частной записью члена сообщества Club.CNews.
Редакция CNews не несет ответственности за его содержание.

Модель ракетного двигателя

Летающие модели ракет — относительно безопасный и недорогой способ для студентов. познать основы сил и реакция транспортных средств на внешние силы. Как самолет, модель ракеты подвергнутый силы веса, тяга и аэродинамика во время своего полет. Тяга обеспечивается небольшим твердотопливным ракетным двигателем.

Есть две основные категории ракетных двигателей; жидкие ракеты и твердые ракеты.В жидкая ракета, топливо и источник кислород ( окислитель ) необходим для горение хранятся отдельно и закачиваются в камеру сгорания сопло где происходит горение. В твердотопливная ракета топливо и окислитель смешиваются в твердое топливо который упакован в прочный цилиндр. В нормальных температурных условиях порох не горит; но топливо будет гореть при воздействии внешний источник тепла.Некоторый тип воспламенителя используется для инициирования горения твердотопливного ракетного двигателя на конце ракетного топлива, обращенном к соплу. Когда топливо горит, горячий выхлопной газ произведенный, который используется для приведения в движение ракеты, и образуется «фронт пламени», который перемещается в порох. Как только начнется горение, это будет продолжаться до тех пор, пока все топливо не сгорит. С жидкостной ракетой вы можете остановить тягу, отключив поток топливо или окислитель; но твердотопливной ракетой необходимо разрушить корпус, чтобы остановить двигатель.Жидкие ракеты, как правило, тяжелее и тяжелее. сложный из-за насосов, используемых для подачи топлива и окислителя, и вы обычно загружаете топливо и окислитель в ракету просто перед запуском. Твердотопливная ракета намного проще в обращении и может простоять годами перед стрельбой.

Относительная безопасность строительства и летающих моделей ракет является результатом производство и наличие готовой твердотопливной ракеты двигатели. Двигатели выпускаются несколькими производителями и доступны в различных размерах с диапазоном производительность двигателя.Двигатели можно купить в большинстве магазинов для хобби и в некоторых магазинах игрушек для скромная цена (средняя текущая цена 3 двигателя по 5 долларов). Двигатели используются один раз и выбрасываются; новый двигатель вставлен в ракета для следующего полета. Перед этим стали доступны двигатели, многие молодые ракетостроители потеряли конечности или жизнь в процесс смешивания ракетных топлив. С этими двигателями вы все еще можете получайте удовольствие от создания и запуска ракет, изучите основы, а затем перейти к более опасным и сложным проблемам движения.

На этом слайде мы показываем чертеж деталей модельного ракетного двигателя. так что вы можете узнать, как это работает. Мы положили двигатель набок, и «разрезать» двигатель пополам, чтобы мы могли видеть, что внутри. Никогда не трогайте, не резайте и не модифицируйте реальный ракетный двигатель. Пропеллент может загореться в любой момент при наличии источника тепла. Двигатель установлен в ракете, показанной на рисунке пунктирными линиями. Корпус двигателя представляет собой цилиндр из плотного картона, в котором сопло, метательные вещества и другие заряды взрывчатого вещества.С правой стороны двигателя находится сопло, относительно простое устройство, используемое для ускорения горячих газов и создания тяги. Модель ракеты сопла обычно изготавливаются из глины или керамики из-за высокой температура выхлопа. Горячие газы для модели ракеты выпускается твердое топливо , показанное на зеленый. Электровоспламенитель используется для запуска модели ракеты. Когда пламя прожигает топливо, ракета испытывает пилотируемый рейс .Когда фронт пламени достигнет крайнего левого края пороха, тяга переходит в ноль, и задержка заряда , окрашенная в синий цвет, начинает гореть. В течение задержка, тяга не создается, и ракета достигает максимальной высоты. Длительность задержки варьируется между двигателями от 2 до 8 секунд и величина задержки указана на кожухе двигателя. Когда задерживающий заряд полностью сгорает, зажигается выброс заряда , показанный красным.Это производит небольшой взрыв, который выбрасывает горячий газ выходит из передней части двигателя через опору двигателя , выбрасывает носовой обтекатель и раскрывает парашют для безопасного восстановление.

---

Экскурсии

• Силовая установка:
• Модель ракеты:

---

Деятельность:

---

Сайты по теме:
Rocket Index
Rocket Home
Beginner’s Guide Home

Какое топливо используют модели ракет? (Типы и стоимость) — SimpleRocketry

Мы можем приложить огромные усилия для создания наших моделей ракет.Но они никуда не поедут без двигателя, который их поднимет. Вот почему необходимо понимать, какое топливо используется в моделях ракет, как они работают и как выбрать подходящий двигатель для вашей модели ракеты.

Начнем с того, что выясним, какой тип ракетного топлива использует модель ракеты…

Как правило, модели ракет летают с использованием расходуемых двигателей с твердым топливом (например, дымным порохом или композитом). Что касается жидкого топлива, то в модельной ракетной технике они практически не используются.Но некоторые модели ракет могут использовать гибридные двигатели, сочетающие жидкие окислители и твердое топливо для оптимального управления.

Не поймите неправильно. Жидкое и гибридное топливо можно использовать в модельной ракетной технике, но в 99,9% ракет используется только твердое топливо. Так что я буду (в основном) говорить о них.

Я думаю, что это краткое объяснение может быть слишком запутанным. Поэтому ниже я все объясню более четко. Но для этого я должен быстро рассказать вам о двигателе, который используется в ракетной технике…

Что такое модель ракетного двигателя?

Модель ракетного двигателя (двигателя) — это пиротехническое устройство, регулирующее сгорание ракетного топлива (пропеллента) для полета наших ракет.(Вы, вероятно, догадались сами, но у ракетного двигателя есть второстепенная функция.) Он также разворачивает парашют, чтобы модель ракеты спустилась и приземлилась безопасно.

Он делает это без какой-либо электроники. Но как?

Как работают модельные ракетные двигатели?

Перед запуском в ракетный двигатель через сопло вставляется воспламенитель. А когда зажигание гаснет, зажигается ракетное топливо. Пламя пороха концентрируется и регулируется соплом.Это позволяет модели ракеты лететь ровно и стабильно. Но…

Всего за несколько секунд ракетное топливо сгорает полностью. Но последние остатки пороха также воспламеняют заряд замедления. Который, как следует из названия, представляет собой таймер медленного горения, который активирует выброс заряда. Когда это произойдет, катапультирующий заряд вытолкнет парашют, и это заставит модель ракеты безопасно вернуться на землю.

Хорошо, теперь мы знаем, что делает и как работает модельный ракетный двигатель.Так ответь мне на вопрос. Что происходит с двигателем, когда его топливо израсходовано? Модель ракетного двигателя выброшена или заправлена ​​топливом? (оба…)

Какие два типа моделей ракетных двигателей?

Обычно после запуска модель ракетного двигателя выбрасывается. Это потому, что в модельной ракетной технике мы почти всегда используем одноразовые двигатели. Это настолько распространено, что большинство случайных ракетчиков даже не подозревают, что существует другой тип двигателя …

1. Что такое одноразовая модель ракетного двигателя?

Это действительно распространенный тип модели ракетного двигателя, который можно использовать только один раз, потому что он сделан из бумаги и глины.Одноразовые движки популярны, потому что они легко доступны, просты в использовании и не имеют возрастных ограничений. Они могут иметь как дымный порох, так и композитное топливо.

Цены на одноразовые двигатели варьируются от всего лишь 1,5 доллара за двигатель до 36 долларов за двигатель. Стоимость зависит от того, насколько мощный двигатель вам нужен и какой в ​​нем вид топлива.

2. Что такое перезаряжаемый ракетный двигатель?

Перезаряжаемые ракетные двигатели имеют алюминиевый кожух, что делает их многоразовыми.Отработанный перезаряжаемый двигатель можно заправить с помощью комплекта метательного взрывчатого вещества. Это со временем снижает стоимость запуска. А вот перезаряжаемые двигатели могут использовать только ракетчики от 18 лет и старше.

Ракетные двигатели с перезаряжаемыми моделями стоят намного дороже, чем одноразовые двигатели. Но в конце концов они окупаются (если вы не потеряете ракету).

Следует отметить, что перезаряжаемые двигатели обычно используются в ракетной технике большой мощности, но редко в модельной ракетной технике. Так что вариантов размеров, подходящих для модельной ракеты, гораздо меньше.

В целом, я считаю, что новичкам следует использовать только одноразовые двигатели, потому что это безопаснее и проще.

Какое твердое топливо используется в модельных ракетах?

Большинство ракетных двигателей моделей имеют внутри либо черный порох, либо композитное топливо. Между ними есть различия в стоимости, производительности и использовании…

Что представляет собой модель ракетного порохового двигателя?

В двигателях с черным порохом

в качестве топлива используется черный порох (порох).Это наиболее распространенные двигатели, используемые в ракетной технике малой и средней мощности. Двигатели на черном порохе дешевле, проще в использовании и более доступны, чем двигатели из композитных материалов.

Что такое модель ракетного композитного двигателя?

Композитные двигатели обычно используют APCP в качестве топлива. Они могут изготавливаться в любом диапазоне импульсов, но обычно используются в ракетной технике средней и большой мощности. Композитные двигатели прочнее и надежнее, чем двигатели на черном порохе, но они также стоят дороже, их немного сложнее купить и использовать.

APCP — это резиноподобный материал, в котором взвешены частицы перхлората аммония и порошка алюминия. Это похоже на то, что используется в ускорительных двигателях космического корабля «Шаттл».

Итак, у двигателей на дымном порохе и на композитном топливе есть свои плюсы и минусы. Ни один из них определенно не лучше другого.

Что представляет собой модель ракетного двигателя на жидком топливе?

Модель ракетного жидкостного двигателя смешивает и сжигает жидкое топливо и окислитель в своей камере сгорания.Это производит горячий выхлоп, который используется для приведения в движение ракеты. Однако жидкостные двигатели редко используются в ракетных моделях, потому что они плохо работают в таких малых масштабах.

Самое замечательное в жидкостных двигателях то, что вы можете контролировать, какую тягу они производят, регулируя количество дымовых газов и окислителя, попадающих в камеру сгорания.

Что представляет собой модель ракетного двигателя с гибридным топливом?

Модель ракетно-гибридного двигателя создает тягу за счет сжигания топлива, состоящего из твердого топлива и жидкого (или газового) окислителя.Гибридные двигатели безопаснее твердотопливных двигателей и менее сложны, чем жидкостные. Но они также плохо работают с небольшими размерами, поэтому гибридные двигатели редко используются в модельной ракетной технике.

Можно ли сделать в домашних условиях модельное ракетное топливо?

Да, вы можете сделать свои собственные модели ракетных двигателей, и это даже не так сложно. Очень часто построенный двигатель сделан из сахара и средства для удаления пней. Это дешево и прекрасно работает. Но изготовление моделей ракетных двигателей, хотя и не является незаконным по федеральному закону США, может быть ограничено постановлениями штата.

Теперь, когда мы освежились в основах моделирования ракетных двигателей и их топлива … давайте (наконец) поговорим о том, как вы можете выбрать свой ракетный двигатель!

Как выбрать модель ракетного двигателя?

Для новичков лучший способ выбрать модель ракетного двигателя — это выбрать один из двигателей, рекомендованных производителем модели. Они уже провели испытания и выяснили, какие двигатели работают на вашей конкретной ракете. Более продвинутые ракетчики могут использовать программное обеспечение для моделирования ракет, чтобы определить оптимальный ракетный двигатель для своих ракет.

Итак, вот два способа выбрать подходящую модель ракетного двигателя. Но, вероятно, для вашей ракеты будет несколько двигателей, так как вы их различите?

Понимание классификации ракетных двигателей

Ракетные двигатели модели

имеют код, напечатанный на их сторонах. Этот код сообщает нам, насколько мощный двигатель, какую в среднем тягу он производит и как долго длится заряд задержки.

Для примера возьмем двигатель с кодом «B4-2».Буква B говорит нам, что его мощность попадает в диапазон класса B. Двигатели класса B до двух раз сильнее, чем двигатель класса A, и до двух раз слабее двигателя класса C.

Далее, 4 означает, что в среднем двигатель развивает тягу в 4 Ньютона секунды. Чем больше это число, тем быстрее будет лететь модель ракеты.

Наконец, цифра 2 в нашем примере показывает, как долго будет гореть задерживающий заряд, прежде чем сработает выброс, который выталкивает парашют.Мы не хотим, чтобы он вышел слишком рано или слишком поздно.

Ну вот и все.

Надеюсь, я смог вам помочь…

Любительский ракетный двигатель (двигатель) Топливо

Главная || Ракетная техника большой мощности || Экспериментальная ракетная техника

Типы топлива

Существует довольно много топлива, используемого в экспериментальной ракетной технике и часто люди привязываются к тому или иному типу и становятся довольно осведомлен об этом порохе.Три наиболее распространенных типа пропелленты — прессованный порох, обычно черный порох, сахарный пропеллент. (чаще всего сахароза, декстроза и совсем недавно сорбитол) и композит пропеллент с использованием нитрата аммония или перхлората аммония в качестве окислитель и металлический порошок (обычно алюминий или магний) в качестве топлива). Есть три известных человека, которые являются «экспертами» в каждом из этих пороховые вещества: Дэвид Слитер (Teleflite Corporation) есть книга на черном порошковые двигатели »Любительское ракетостроение.» У Джона Викмана есть книга «Как сделать любительские ракеты» и его любимое топливо составное пропеллент. Ричард Накка — специалист по сахарным ракетам и самый полный веб-сайт экспериментальной ракетной техники без исключений.

Примечание : Вы увидите термин « зерно » используется на этом веб-сайте. В порохах черных и бездымных порохах, размер зерна относится к размеру каждой частицы порошка, который достаточно маленькие, порядка 1/16 дюйма.В ракетной технике топливо прессованные или отлитые в большие формы размером чуть меньше диаметра двигателя. В двигателе может использоваться от одного до семи или более зерен в двигателе или пропеллент можно заливать прямо в двигатель (зерна со связкой в ​​корпусе), в котором В этом случае вся масса метательного взрывчатого вещества называется зерном.

Компрессорное топливо

Сжатый пропеллент готовится в сухом виде, но на некоторых этапах эксплуатации может быть влажным. подготовка.Он загружается в корпус двигателя путем сжатия с постоянное механическое или гидравлическое давление или удар, например, от ударов молоток или молоток. Скорость горения зависит от качества компонентов. грунта, насколько тщательно он перемешан, и плотность, которая определяется насколько он сжат. Сжатые порохы обычно загружаются в намотанную бумажную трубку, которая имеет меньшую прочность на разрыв, чем ПВХ или металл. Любитель обычно использует удары, чтобы сжать порох, а это означает степень сжатия может варьироваться, и поэтому получается постоянный ракетный двигатель становится затруднительным и может привести к взрыву двигателей или двигателей с более низким толкать.Вот почему я перешел на сахарный пропеллент. это также легко расколоть кожух, потому что удары молотка могут создать огромные гидравлическое давление на корпус. Обычный способ избежать этого — используйте внешний зажим по всей внешней стороне корпуса. Набор хомутов можно использовать, но на их установку уходит много времени все и сними их все. Я использовал деревянный зажим, который вы можете увидеть в мое бесплатное руководство. Дэвид Слитер использует сборный стальной зажим, но много у людей нет инструментов для этого.

Цинк-сера

На заре экспериментальной ракетной техники порошковые цинк и сера были обычное топливо. Это также называлось «микрозернистость». Оптимальная смесь составляла 2,04 части цинка на одну часть. сера по весу. Скорость его горения зависит от того, насколько мал размер частиц. есть для каждого и насколько он сжат. Чем он плотнее уплотняется, тем медленнее скорость горения.Скорость его горения составляет от 14 до 290 дюймов в секунду. При 160 фунтах / фут ³ и 1000 фунтах на кв. Дюйм было измерено следующее *:

Скорость горения — 90 дюймов / сек

Температура пламени — 2600 F

Эффективная скорость выхлопа — 1490 фут / сек

Удельный теплообменник — 1,25

Молекулярный вес — 97,45 фунтов / моль

Удельный импульс — 45 сек

* из «Как сделать любительские ракеты», Джон Х.Викман, 2-е изд., Стр. 3-3

Поскольку так сложно сжать порошок до известного значения соответственно, ракетные двигатели, изготовленные по этой формуле, обычно либо не имеют большую мощность и могут не оторваться от стартовой площадки или взорваться от избыточное давление. Сегодня он не используется серьезными ракетчиками.

Черный порошок

Черный порошок производится из нитрата калия (KNO ₃ ), древесного угля и серы.В общее соотношение 75:15:10. Как и цинк-сера, скорость горения зависит от размер частиц и степень их сжатия. Черный порошок может быть используется в качестве пропеллента с большей консистенцией, чем цинк-сера, и является топливо, используемое в небольших ракетных двигателях коммерческих моделей. Мой 1979 в руководстве объясняется, как изготавливать и использовать черный порох для ракетных двигателей. Дэвид Слитер поднял разработку на новый уровень и опубликовал свою книгу, Любительские ракетные двигатели .Скорость горения черного пороха может замедляться за счет добавления других компонентов. Я использовал кальций карбонат. Дэвид использует пищевую соду. Дэвид также варьирует тип древесный уголь используется для получения различной скорости горения и для контроля наддува. Он добавляет Красная камедь в качестве связующего (я использовал камедь акации) и воду, спирт или ацетон добавляется перед загрузкой, чтобы порошок больше сжался. я сделал то же самое, но также загрузил его всухую с хорошими результатами.

Черный порошок, независимо от степени измельчения, в исходной сухой смеси состояние не очень мощное.Его необходимо смешать с небольшим количеством воды до тех пор, пока это более темный цвет, а затем снова сушится. Пока мокрый, можно проталкивается через оконную сетку, чтобы сформировать зерна. Этот зерновой порошок чрезвычайно быстрое горение. Или его можно снова измельчить до порошка и тогда он все еще очень быстро горит. Вполне вероятно, что смачивание растворяет KNO ₃ , затем покрывает им уголь и частицы серы, так что он находится в более тесном контакте с ними. Ричард Накка отмечает, что сера используется только в обычном черном порохе, поэтому он легче воспламеняется от искры, которая используется в кремневых ружьях. Он делает черный порошок из 80% нитрата калия и 20% древесного угля по весу. для одного из его воспламенителей и, предположительно, это также применимо к черному порошковые моторы, но я еще не пробовал.

Сахар-КНО ₃

Сахар и нитрат калия — ингредиенты для общей «карамели». конфеты «пропеллент.Обычно он нагревается до густого шлама, но он также можно просто смешать вместе в сухом виде, а затем сжать в трубке двигателя в так же, как черный порох. Как и все сжатые топлива, размер частиц составляющих и степень уплотнения — вот что определяет скорость горения и эффективность топлива, и поэтому сложно получить единообразный продукт. Смешанный таким образом, он тоже не такой мощный, как если бы он был более тщательно перемешан путем плавления или растворения в воде, а затем в нагревании.Соотношение такое же, как у плавленого. сорт: 65% нитрат калия, 35% сахар. Увидеть Кармель Candy Propellant страница для больше информации о расплавленном способе приготовления этого пороха.

Композитное топливо

Есть некоторые вариации в определении составного ракетного топлива . Обычно считается, что это топливо, в котором окислитель и горючее (восстановитель) тщательно перемешивается со связующим. Некоторые определяют составное топливо как резиноподобную консистенцию и тогда связующее — это то, что придает это свойство. Однако асфальт был ранним связующим, и готовый продукт не был очень эластичным. Много также считают, что эпоксидные пропелленты классифицируются как композитные, и хотя скорее жесткий, чем хрупкий, он определенно не эластичный. Другой Проблема с определением состоит в том, что связующее также является топливом. Оно может служат единственным топливом в порохе, основным топливом с меньшими количествами другого топлива, или другое вещество может быть основным топливом со связующим будучи меньшим участником.В годы развития некоторые пропелленты, такие как те, которые используют синтетический каучук, были отлиты при повышенных температуры, когда они были жидкими, а затем стали твердыми при охлаждении. Другие, по сути, все топливо для любительских ракет и многие для коммерческие ракеты, теперь жидкие при комнатной температуре и отвердитель добавлен, который химически реагирует со связующим, заставляя его затвердеть на период времени, обычно от нескольких минут до нескольких часов.Другие вещества, которые могут быть добавлены, — это пластификаторы и модификаторы скорости горения. А в некоторые можно добавить пластификатор, чтобы уменьшить вязкость (сделать его тоньше) так что топливо легче наливается и облегчает процесс заливки. Оксид железа может быть добавлен в небольших количествах для увеличения скорости горения и там другие химические вещества, которые могут быть добавлены, чтобы замедлить его (нечасто). Есть несколько типов оксида железа, разные химические формулы, с различное количество железа и кислорода.Например, оксид железа (Fe ₂ O ₃ ) красный, оксид железа (FeO) черный и оксид железа (Fe ₃ O ₄ ) зеленый.

Этот тип пороха решает одну из самых больших проблем других типы пороха и это хрупкость. Любое топливо, которое хрупкий может треснуть, и это неизменно вызывает избыточное давление мотор из-за увеличенной площади ожога и катастрофического отказа.Трещины могут возникают не только из-за грубого обращения, но и из-за высокого давления, термического напряжение и перегрузки, испытываемые в полете. Чем больше размер зерна, тем больше вероятность появления трещин.

Практически все двигатели для любительского использования и большинство композитных топлив для В коммерческих или военных ракетах в качестве окислителя используется перхлорат аммония. Окислитель составляет от 50% до 80% от общей массы. Топливо обычно металлический порошок, алюминий или магний.Частица размер окислителя и металлического порошка будет иметь значение скорость записи, чем меньше размер, тем выше скорость записи. Эти пропелленты труднее воспламеняются, чем черный порошок или сахар на основе топлива и требуют более длительного горения и более интенсивного воспламенителя.

Джон Викман — его великая книга Как сделать любительские ракеты дает эти две формулы для составного пороха:

Перхлорат аммония Алюминий Папка R45M

68% 18% 14%

Аммиачная селитра Магний Папка R20LM

60% 20% 20%

Методы приготовления топлива

Шлифовальный

Измельчение проводится для уменьшения количества химикатов до очень мелких частиц. Это необходимо для двигателей со сжатым порошком и для сухой плавки. (растапливание смеси без воды.) Вы можете измельчить химикаты отдельно или можете измельчить их вместе В ОПРЕДЕЛЕННЫЕ СИТУАЦИИ. При совместном шлифовании не должно быть металла участвуют в работе, поэтому не должно быть искр и выделяемого тепла должно быть очень низким. В противном случае вы можете воспламенить порошок. Все пропелленты, смешанные в сухом виде, легко воспламеняются. Шаровая мельница с неметаллическими «шарами» — единственный приемлемый метод и даже затем следует принять меры предосторожности в случае возгорания. Пыль внутри может быть взрывоопасным.

Ступка и пестик

Маленький количество можно сделать с помощью ступки и пестика, но человек обычно ищет для альтернативы довольно быстро. Это все еще может быть хорошим способом, когда экспериментирование с разными формулами, потому что его можно быстро смыть и легко готовится к следующему химикату.Это тоже хорошо метод приготовления смесей для воспламенителей, которые не требуют больших затрат для каждого один.

Блендер

Вы, вероятно, прочитаете на многих веб-сайтах, что блендер — не лучший метод. шлифовальных химикатов. Одна из причин заключается в том, что их сложнее чистить и вы должны убедиться, что на нем нет остатков от предыдущего другого химический перед измельчением следующего.Кроме того, блендер не работает, хорошо с твердыми частицами. Тем не менее, это возможность и ее можно использовать. Иногда вам нужно продолжать проталкивать химикат в лезвия, потому что он имеет тенденцию накапливаться и прилипать к стенкам контейнера. Быть в курсе что вы можете быстро затупить лезвия, поэтому не используйте кухонный блендер. Купите один в благотворительном магазине и посвятите его своему собственному проекту.

Когда я впервые начал экспериментировать с двигателями из черного пороха, тридцать лет назад я употребляла нитрат калия и серу из аптеки.Я заземляю древесный уголь брикетов для древесного угля. Есть связующие в древесном угле что делает его плохим источником, и, вероятно, поэтому я обнаружил, что формула 68% KNO3, 20% древесного угля и 12% серы лучше всего подходят для моих химикатов. а не нормальные 75%, 15% 10%. Мне нужно было больше угля, чтобы сделать это работают из-за примесей. Я разбил брикеты внутри ногу старой пары джинсов сначала молотком, потом налил немного этого в блендер и еще больше измельчите.Наконец, я просеял это немного шелка, который я использовал для авиамоделей, с очень плотным переплетением (лучше, чем через нейлон). Это был трудный, грязный и трудоемкий процесс, но в результате получился порошок такой же мелкой, как и покупной воздух. уголь. Я рекомендую не тратить время на это и просто покупать ваши химикаты.

Кофейная мельница

Кофемолка работает так же, как блендер, но работает немного лучше. Вы можете измельчать понемногу, но он лучше сохраняет материал затянут в лезвия. Он был разработан для измельчения твердых частиц, поэтому лучший выбор. Можно купить новую кофемолку (дешевую) примерно за 15 долларов. У него та же проблема очистки, но с низким цена, человек мог бы иметь более одного, если бы ему нужно было измельчить более одного ингредиент. Это также немного быстрее, хотя вы можете только измельчать понемногу, вы можете сделать это быстро и получить приличное количество измельчить химикаты в разумные сроки несколькими партиями.Проверять для комков, которые не были измельчены ни в блендере, ни в кофе измельчите перед использованием. Возможно, вы захотите пропустить его через тонкий экран, чтобы убедитесь, что у вас нет шишек.

Шаровая мельница

Шаровая мельница — лучший способ измельчения, и вы также можете измельчать все ингредиенты для черного порошка вместе. Шаровая мельница действительно скала стакан.Стакан для камней обычно изготавливается из твердой резины, по крайней мере, на внутри. У меня есть алюминиевая пластина внутри резиновой крышки, чтобы помочь придайте ему жесткость, но когда он закрыт, не будет обнаженного металла. При полировке камней стакан наполняется примерно на три четверти камни, затем к нему добавляется вода и абразив. При шлифовании химикаты или порошок, используется аналогичный процесс, за исключением того, что нет воды добавлен. Дэвид Слитер в своей книге прописал приклад из латунных прутков.я проверил это, и когда я увидел цену, я решил, что есть другой способ. Я попробовал несколько камней (в конце концов, это действительно рок-тумблер). я использовали те для измельчения нитрата калия. Это сработало нормально, поэтому я тоже использовали камни для измельчения древесного угля (после их мытья). Это тоже сработало отлично. Я все еще немного беспокоился об использовании камней для измельчения черный порошок со всеми ингредиентами (взрывчатые вещества), потому что некоторые камни могут по-прежнему образуют искры, хотя маловероятно.Поскольку я уже отказался от прутка из латуни, Я подумал о стеклянном шарике. Они дешевые, круглые, искрящиеся бесплатно. Они отлично поработали, создавая пыль для всего, что я пробовал в нем — уголь, нитрат калия и черный порошок.

Это моя шаровая мельница. Это 1 галлоновый каменный стакан, который я получил в Сиэтле от поставщика гранильной фабрики, около 30 много лет назад.Мотор от стиральной машины.	Там один ведомый резиновый ролик, прикрепленный к большому шкиву. Там есть небольшой шкив на моторе. Это двойная редукционная система. Фактически барабан вращается примерно со скоростью 2 об / мин. Барабан имеет рифленую пластиковая гайка. Паз проходит в прорези наверху белого угловой кронштейн, чтобы он не смещался вдоль оси ролика и машина.	В барабан полностью резиновый и, как можно видеть, имеет несколько плоских сторон. Это помогает содержимому скатываться, а не скатываться. Белый остаток — это KNO 3 остаток, оставшийся от моей последней измельченной партии, которая был измельчен до талькоподобного порошка с использованием 400 стеклянных шариков стандартного размера которую я купил в долларовом магазине за 100 долларов за 1 доллар. Это имеет емкостью 1-1 / 4 галлона и измельчит за одну партию около двух фунтов. Начиная с кусков размером примерно в половину мрамора и меньше, он измельчение в пыль занимает около шести или восьми часов.
Крышка состоит из четырех частей, как показано на рисунке слева: внутренняя крышка, внешняя крышка, шайба и пластиковая гайка с рифлением. Внутренняя крышка резиновая, в нее впрессован алюминиевый диск. жесткость. В нижнюю или резиновую сторону внутренней крышки можно увидеть на картинке на Правильно.Внутренняя крышка плотно прилегает к барабану и обеспечивает полностью резиновая зона фрезерования, а также водонепроницаема. (Рок галтовка производится водой, абразивом и камнями). Когда устанавливается внешняя крышка, это помогает прижать барабан к внутренней крышке.

Сухое сжатие

Черный порошок

Этот метод в основном используется для черного пороха.Какие бы компоненты ни были не в виде мелкого порошка, его нужно сначала измельчить. Обычно сера уже представляет собой порошок, по крайней мере, если у вас есть «серная мука» или «серная мука» или что-то подобное. Если вы делаете свой собственный древесный уголь по кусочкам, потом его нужно будет разломить на мелкие кусочки сначала, а затем измельчить до мелкого порошка. Древесный уголь «на воздухе» может быть куплены, и их совсем не нужно фрезеровать. Наконец, нитрат калия, вероятно, не мелкодисперсный порошок, и его, вероятно, придется измельченный.Отдельные компоненты обычно сначала измельчаются отдельно. Между использованием различных химикатов мельницу необходимо тщательно мыть. Затем измельчаются все нужные пропорции. Наконец, порошок смешивается с достаточным количеством воды (можно использовать спирт или ацетон. потому что они сохнут быстрее), чтобы смочить всю партию и, если она будет использоваться в ракетном двигателе он может быть загружен напрямую и забит на место с помощью удары молотком по стержню в трубке бумажной ракеты.Это также может быть сначала дайте высохнуть, а затем повторно измельчите и загрузите насухо. Увидеть Подробности см. В руководстве 1979 г. (обратите внимание на это ревизия)

сахар и Нитрат калия

Как упоминалось выше, та же формула пропеллента из расплавленных карамельных конфет может измельчить отдельно, затем смешать вместе и загрузить в сухом виде в мотор для бумаги тюбик так же, как черный порошок.Их трудно достать быть последовательными, и у них не такая большая общая мощность (удельный импульс), как с использованием горячего метода.

Цинк-сера

Это третий тип сжатого топлива, но он не считается надежное топливо сейчас, так как есть так много информации и химикатов доступны для других видов топлива. Метод будет таким же, как и для сахара. и кн.Цинк нужно было покупать уже в порошкообразном виде. состояние, так как его нельзя фрезеровать. Затем он будет смешан в сухом виде и сжатие ударами молотка по дюбелю.

Сухой мокрый Отопление

Эти методы используются исключительно для пропеллентов карамельных конфет. подробно на этой странице.

Холодное смешивание

Этот метод учитывает все остальные типы пороха, у которых есть хотя бы один нежидкий компонент и включает, в частности, композитный пропеллент и эпоксидную смолу. пропеллент.Их просто тщательно перемешивают, а затем добавлен отвердитель, который заставит жидкую суспензию затвердеть на короткое время. период времени, обычно от получаса до нескольких часов.

Главная || Ракетная техника большой мощности || Экспериментальная ракетная техника

Изготовление модели ракетного двигателя в домашних условиях. | Орион Харбалл

Ракетные двигатели в настоящее время являются наиболее эффективным методом спуска с поверхности планеты.Для компаний, занимающихся исследованием космоса, таких как SpaceX и Blue Origin, разработка наиболее эффективного двигателя является ключом к сохранению статуса возможности повторного использования. Но насколько сложно построить одно из этих устройств?

В этой копии я попытаюсь построить простую модель ракетного двигателя, которая используется различными частными космическими компаниями.

Так как же работают ракетные двигатели?

Ракетные двигатели — это устройства, используемые для управления серией взрывов, доставляющих полезную нагрузку из точки A в точку B под действием силы тяжести Земли.Серия взрывов создает тягу, силу, которая отталкивает нашу ракету от Земли.

Из чего состоит ракетный двигатель?

Схема двигателя на жидком топливе, показывающая основной принцип смешивания топлива и окислителя.

Проще говоря, ракетные двигатели состоят из топлива и окислителя. Топливо и окислитель объединяются и воспламеняются для создания большой тяги (серия взрывов). Тяга может быть сконцентрирована в одной точке (просто небольшое отверстие для выхода горячих взрывных газов), позволяя управляемому взрыву просто направить ракету к месту назначения.

Какие типы ракетных двигателей существуют?

Химические ракетные двигатели трех типов: жидкостные, твердотельные и гибридные.

• Жидкостные двигатели: и топливо, и окислитель хранятся в баках.
• Твердые двигатели: топливо и окислитель смешиваются в твердое вещество.
• Гибридные двигатели: полутвердые, полужидкостные.

Преимущества / недостатки каждого типа:

Жидкостные двигатели:

Посмотрите, насколько сложна конструкция этого жидкостного двигателя F1!

• Обладает максимальной управляемостью среди двигателей любого другого типа.
• Самые эффективные двигатели благодаря управляемости.
• Самые дорогие из-за сложности.

Твердотопливные двигатели:

Твердотопливные двигатели состоят из трубки и сопла, что довольно просто.

• Может создавать большую тягу за более короткие периоды.
• Супер простой дизайн, супер дешево в сборке.
• Не очень легко контролировать, что делает их менее эффективными.

Гибридные двигатели:

Так же, как твердотопливный двигатель, но топливо и окислитель разделены.

• Сочетание простоты твердотопливных двигателей (дешевле) и управляемости / безопасности жидкостных двигателей.
• Более эффективны, чем твердотопливные двигатели.
• По-прежнему менее эффективен, чем двигатели на жидком топливе.

Итак, создадим модельный гибридный двигатель!

• Нам нужно что-то, что было бы проще в управлении и простом в сборке, поэтому гибридный двигатель кажется подходящим вариантом (я люблю жидкостные двигатели, но с ними слишком опасно работать).
• В нашем гибридном двигателе будет использоваться твердое топливо и «жидкий» окислитель (я использую газ, потому что жидкий кислород стоит дорого!).
• Наше топливо может быть практически любым! При условии, что он легковоспламеняющийся и может поместиться в трубопровод двигателя.

Двигатель тоже будет из латуни, которая не очень жаростойкая. Но больше всего страдает только сопло. Эту деталь легко заменить на более жаропрочные металлы, например сталь, но давайте пока попробуем латунь.

Наш гибридный двигатель состоит из трех простых компонентов:

• Клапан для управления баком окислителя под давлением.

• Камера сгорания, в которой топливо хранится в удлиненной трубе.

• Сопло для концентрации и направления потока выхлопных газов.

Чтобы получить эти компоненты, мне пришлось придумать различные формы деталей. Клапан для кислорода был прост, ему просто нужно было подсоединить кислородный баллон к остальной части двигателя. Камера сгорания должна хранить топливо, длинная трубка должна давать место для камеры сгорания внутри двигателя.Сопло должно конденсировать горячие газы в меньшее пространство, направляя поток и увеличивая давление в двигателе.

Топливо и окислитель двигателя также будут закуплены в магазине…

Окислитель: кислородный баллон для сварки.

Купленные в строительном магазине, эти резервуары недорогие и модульные. Они содержат 100% чистый кислород, идеально подходящий для сжигания этого топлива!

Топливо: Бумажные изделия.

Картонные трубки, казалось, работали лучше всего, они могли быть подходящего размера и обеспечивать достаточное количество материала для реакции внутри камеры сгорания.Были и другие варианты топлива, но я был слишком куриным, чтобы их пробовать!

Как мы запустим двигатель:

Простой предохранитель или небольшой кусок дерева могут сделать это невероятно легко. Мне нужно было только зажечь кончик предохранителя зажигалкой, прежде чем я быстро отошел от самого двигателя и включил кислородный клапан.

Испытание двигателя:

Испытательные стрельбы были не очень впечатляющими по тяге (мы даже не смогли бы измерить его, если бы захотели!) , но пламя выглядело великолепно!

Кое-что я узнал…

1. Заправить огонь легко, а перемещать полезный груз сложно.

Да, в качестве ракетного топлива можно использовать все легковоспламеняющиеся… Однако есть причина, по которой мы не используем бумагу ни в одной из наших современных ракет.

Топливо и окислитель составляют 80 процентов массы ракеты. Из-за того, сколько места занимает топливо, эффективность является ключом к тому, чтобы вывести остальные 20 процентов из-под земной гравитации. Итак, топливо должно быть чрезвычайно реактивным, создавая большие взрывы с меньшей массой. Многие виды топлива обладают такой способностью, но у них есть и свои недостатки.

2. Хорошее топливо имеет свою цену.

Хорошее топливо может быть коррозионным, легковоспламеняющимся, токсичным или даже всеми тремя. Даже простое элементное топливо, такое как водород, может легко убить многих, поскольку оно очень активно взаимодействует с окружающей средой. Материал, который я использовал, не очень реагирует с окружающей средой, он должен иметь такую ​​же плотность энергии (возможно, меньше), как древесина на этой диаграмме , которая имеет менее половины плотности энергии обычного ракетного топлива и даже меньше энергии, чем у древесины на этой диаграмме. чистый водород (одно из лучших ракетных топлив, так как у него более высокое соотношение между массой и плотностью энергии) .

Где сияет жидкое топливо:

Если ракета предназначена для перевозки большего количества грузов на большие расстояния, жидкостные двигатели работают намного лучше, поскольку жидкое топливо может иметь гораздо более высокую плотность энергии, чем их твердые аналоги.

3. Даже некоторый контроль больше, чем его отсутствие.

Наиболее распространенные ракетные двигатели, используемые любителями ракетостроения, работают на твердом топливе. Твердое топливо недорогое и простое в использовании, но им очень трудно управлять. В более крупном масштабе твердотельные двигатели имеют более высокий шанс взаимодействия с окружающей средой, поскольку топливо и окислитель находятся в одном месте, это может быть очень вредно для тех, кто работает с этими двигателями (Кто хочет смерти от ракетного топлива?) .Гибридный двигатель немного сложнее ракетных двигателей, поскольку он использует управляемость жидкостного двигателя, но также простоту твердотельного ускорителя. Гибридные двигатели обеспечивают большую безопасность, поскольку топливо и окислители хранятся отдельно, что упрощает сборку ракеты, не убивая себя.

Различные компании космического туризма продолжат использовать гибриды, поскольку они чрезвычайно надежны и безопасны по своей цене. Virgin Galactic — один из лучших примеров использования гибридного топлива, поскольку им нужно нести только небольшие грузы (туристов) на край космоса.

Простой экономичный ракетный двигатель может позволить сделать более дешевый и легкий космический корабль

Инжиниринг | Пресс-релизы | Исследования | Наука | Технологии

18 февраля 2020

Космический корабль «Союз» запускается с космодрома Байконур в Казахстане в 2017 году с использованием обычного топливоемкого двигателя. Исследователи из UW разработали математическую модель, которая описывает, как работает новый тип двигателя, который обещает сделать ракеты более экономичными, более легкими и менее сложными в конструкции.НАСА / Билл Ингаллс / Flickr

Чтобы запустить что-то в космос, нужно много топлива. Для отправки космического корабля НАСА на орбиту потребовалось более 3,5 миллионов фунтов топлива, что примерно в 15 раз тяжелее синего кита.

Но новый тип двигателя — вращающийся детонационный двигатель — обещает сделать ракеты не только более экономичными, но и более легкими и менее сложными в конструкции. Есть только одна проблема: прямо сейчас этот двигатель слишком непредсказуем, чтобы его можно было использовать в реальной ракете.

Исследователи из Вашингтонского университета разработали математическую модель, описывающую работу этих двигателей. Обладая этой информацией, инженеры могут впервые разработать тесты, чтобы улучшить эти двигатели и сделать их более стабильными. Команда опубликовала эти результаты 10 января в Physical Review E.

.

«Поле вращающихся детонационных двигателей все еще находится в зачаточном состоянии. У нас есть масса данных об этих двигателях, но мы не понимаем, что происходит », — сказал ведущий автор Джеймс Кох, докторант UW по аэронавтике и космонавтике.«Я попытался переработать наши результаты, глядя на формирование паттернов вместо того, чтобы задавать инженерный вопрос — например, как получить наиболее производительный двигатель — а затем бум, оказалось, что это работает».

Обычный ракетный двигатель работает, сжигая топливо, а затем выталкивает его из задней части двигателя для создания тяги.

«Ротационный детонационный двигатель использует другой подход к сжиганию топлива», — сказал Кох. «Он сделан из концентрических цилиндров. Пропеллент течет в зазоре между цилиндрами, и после воспламенения быстрое выделение тепла образует ударную волну, сильный импульс газа со значительно более высоким давлением и температурой, который движется со скоростью, превышающей скорость звука.

«Этот процесс горения в буквальном смысле является детонацией — взрывом — но за этой начальной фазой запуска мы видим ряд устойчивых импульсов горения, которые продолжают расходовать доступное топливо. Это создает высокое давление и температуру, которые выталкивают выхлопные газы из задней части двигателя на высоких скоростях, что может создавать тягу ».

Для начала реакции топливо течет в зазоре между цилиндрами, и после воспламенения быстрое выделение тепла образует ударную волну (начинается через 11 секунд).После этой фазы запуска формируется ряд стабильных импульсов сгорания, которые продолжают потреблять доступное топливо. Кредит: Джеймс Кох / Вашингтонский университет

В обычных двигателях используется множество механизмов для направления и управления реакцией сгорания, так что она генерирует работу, необходимую для приведения в движение двигателя. Но во вращающемся детонационном двигателе ударная волна естественным образом делает все, не нуждаясь в дополнительной помощи со стороны частей двигателя.

«Удары, вызванные сгоранием, естественным образом сжимают поток, когда он движется по камере сгорания», — сказал Кох.«Обратной стороной этого является то, что у этих взрывов есть собственный разум. Как только вы что-то взорвите, оно просто улетучится. Это так жестоко.

Чтобы попытаться описать, как работают эти двигатели, исследователи сначала разработали экспериментальный вращающийся детонационный двигатель, в котором они могли управлять различными параметрами, такими как размер зазора между цилиндрами. Затем они зафиксировали процессы горения на высокоскоростную камеру. Каждый эксперимент длился всего 0,5 секунды, но исследователи записали эти эксперименты со скоростью 240000 кадров в секунду, чтобы они могли видеть, что происходит в замедленном движении.

Исследователи разработали экспериментальный вращающийся детонационный двигатель (показан здесь), в котором они могли контролировать различные параметры, такие как размер зазора между цилиндрами. Линии подачи (справа) направляют поток топлива в двигатель. С внутренней стороны есть еще один цилиндр, концентричный внешней части. Датчики, торчащие из верхней части двигателя (слева), измеряют давление по длине цилиндра. Камера будет с левой стороны, если смотреть со стороны задней части двигателя.Джеймс Кох / Вашингтонский университет

Затем исследователи разработали математическую модель, имитирующую то, что они видели в видеороликах.

«Это единственная модель в литературе, которая в настоящее время способна описывать разнообразную и сложную динамику этих вращающихся детонационных двигателей, которые мы наблюдаем в экспериментах», — сказал соавтор Дж. Натан Куц, профессор прикладной математики из Вашингтонского университета.

Модель позволила исследователям впервые определить, будет ли двигатель этого типа стабильным или нестабильным.Это также позволило им оценить, насколько хорошо работает конкретный двигатель.

«Этот новый подход отличается от общепринятого мнения в этой области, и его широкое применение и новые идеи стали для меня полной неожиданностью», — сказал соавтор Карл Ноулен, доцент исследований в области аэронавтики и космонавтики из Университета штата Вашингтон.

После начальной ударной волны стабильные импульсы горения продолжают расходовать имеющееся топливо. Ранее исследователи не понимали, как формируется определенное количество импульсов и почему они иногда могут сливаться в один импульс, но эта математическая модель может помочь объяснить лежащую в основе физику. Кредит: Кох и др. / Физический обзор E

На данный момент модель не совсем готова к использованию инженерами.

«Моей целью здесь было исключительно воспроизвести поведение импульсов, которые мы видели, — убедиться, что выходные данные модели аналогичны нашим экспериментальным результатам», — сказал Кох. «Я определил доминирующую физику и то, как они взаимодействуют. Теперь я могу взять то, что я здесь сделал, и сделать это количественным. Оттуда мы сможем поговорить о том, как сделать двигатель лучше ».

Мицуру Куросака, профессор аэронавтики и космонавтики из Университета штата Вашингтон, также является соавтором этой статьи.Это исследование финансировалось Управлением научных исследований ВВС США и Управлением военно-морских исследований.

Для получения дополнительной информации свяжитесь с Кохом по адресу [email protected].

Номера грантов: FA 9550-18-1-9-007, N0001417MP00398, FA 9550-17-1-0329

Теги: Carl Knowlen • Колледж искусств и наук • Инженерный колледж • Департамент аэронавтики и астронавтики • Департамент прикладной математики • J. Nathan Kutz

---

«Ракетный твердотопливный двигатель»

«Ракетный двигатель на твердом двигателе» Вернуться на главную страницу Purdue AAE Propulsion.

---

Как работают твердотопливные ракетные двигатели
Подробная информация о различных твердотопливных ракетных двигателях
Сравнительные таблицы различных двигателей

---

Концептуально твердотопливные ракетные двигатели (или ТРД) представляют собой простые устройства с очень мало движущихся частей. Электрический сигнал отправляется на запальник, который создает горячие газы, которые воспламеняют основное пороховое зерно (см. изображение ниже). Пропеллент содержит как горючее, так и окислитель; поэтому эти устройства может работать в вакууме космоса. Тяга развита поскольку высокая тепловая энергия дымовых газов преобразуется в кинетическую энергия в выхлопе.Простота SRM делает их привлекательным выбором. для многих применений в ракетных двигательных установках. Потому что структурных компонентов, SRM эффективен тем, что подавляющая часть его веса составляет действительно пригодное для использования топливо. SRM могут быть воспламенены в мгновение ока и не требуют заправки жидкостей перед работой. С другой стороны, их КПД (удельный импульс) обычно ниже, чем у жидкостных систем, и их нелегко задушить. После зажигания двигатель сгорит до гашение, если не включены специальные положения для прекращения тяги во время стрельбы.

---

Твердотопливные ракетные двигатели

Кордант Тиокол ​​

Многоразовый твердотопливный ракетный двигатель челнока

Семья ЗВЕЗДА

Семья КАСТОР

Пратт и Уитни CSD

Семья Орбусов

Alliant Techsystems

Накладной усилитель GEM

Ракета-носитель Orion

Тепловой ракетный двигатель Sidewinder

Радиолокационный ракетный двигатель AMRAAM

Аэротек

Ракетные двигатели большой мощности на композиционном топливе модели

Эстес

Ракетные двигатели модели Black Powder

---

Накладные бустеры

Марка	Модель	Тяга	Вес	Пропеллент	Общий импульс	Время горения	Приложения
Тиокол ​​	SRSM	3 300 000 фунтов	1300000 фунтов	перхлорат аммония / алюминий		75 с	Шаттл SRB
	Кастор IVA						Delta I, ремень Atlas
Alliant	GEM	112 241 фунтов	28,592 фунтов	88% HTPB	7 090 000 фунтов / с	55 с	Ремень для Delta II

Автономные твердотопливные ракетные ускорители

Марка	Модель	Тяга	Вес	Пропеллент	Импульс общий	Время горения	Приложение
Тиокол ​​	Ролик 120	435000 фунтов	116275 фунтов	HTPB	29 900 000 фунтов / с	81 с	Афина I, II первая ступень, Афина II вторая ступень
Alliant	Орион 50S AL	130500 фунтов	29 581 фунтов	HTPB	7 893 000 фунтов / с	72.4 с	Ускоритель воздушного запуска Pegasus

Двигатели верхней ступени

Марка	Модель	Тяга	Вес	Пропеллент	общий импульс	Время горения	Приложения
Тиокол ​​	ЗВЕЗДА 48A	17300 фунтов	5674 фунтов	Ap / Al	1,528,409 фунтов / с	88 с	Модуль поддержки полезной нагрузки STS
Пратт	Орбус 6	23800 фунтов	6515 фунтов		1738000 фунтов / с	101 с	Инерциальный верхний каскад STS
	Orbus 21S	59 460 фунтов	22703 фунтов		6 190 000 фунтов / с	138 с	INTELSAT-VI ударник перигей

Тактические ракетные двигатели

Марка	Модель	Вес	Пропеллент	Рабочие температуры
Alliant	Сайдвиндер	99 фунтов	RS HTPB	от -65F до 160F
	AMRAAM		156 фунтов	от -65F до 145F

Модель ракетных двигателей

Марка	Модель	Пропеллент	Тяга	Импульс	Вес	Масса пороха	Время горения
Аэротех	F50-4T одноразовый	Композитный материал Blue Thunder	50 N	80 Н-с	83 г	38.3 г	1,6 с
	h280W перезаряжаемый	Белый композит Lightning	180 N	230 Н-с	263,6 г	123 г	1,27 с
Эстес	1 / 2A6-2	Черный порошок	6 N	1,25 Н-с		2,6 г	,21 с
	Д12-7		12 N	17 Н-з		10.8 г	1.42 с

---

Эта страница Copright 1998 Purdue University

Восковое топливо увеличивает мощность гибридных ракет

Фото: Дэн Сэлингер; Стилист: Бирте фон Кампен, .

С момента начала космических полетов было произведено менее 5 500 запусков на орбиту, и только около 300 из них были с космонавтами. Эти попытки всегда были рискованными. Действительно, процент неудач при космических запусках за последние пять десятилетий колеблется в районе 8 процентов.

Ранние самолеты также часто подвергались авариям, но частная промышленность инвестировала в разработку миллиарды, и со временем эти машины становились все более безопасными. Без массового рынка, способствующего подобной эволюции, космические путешествия оставались чрезвычайно опасными. Неудивительно, что для того, чтобы стать космонавтом, все еще требуется приличная порция «правильного материала».

Однако вскоре появление суборбитального космического туризма может, наконец, сделать то, что не смогли сделать десятилетия финансируемых государством НИОКР. Такие компании, как Airbus Defense & Space, Armadillo Aerospace, Blue Origin, Virgin Galactic и Xcor Aerospace, планируют предлагать суборбитальные полеты по ценам, которые могут себе позволить обычные люди — или, по крайней мере, обычные богатые люди.

Однако потеря корабля Virgin Space-ShipTwo и смерть одного из его пилотов во время испытательного полета 31 октября являются отрезвляющим напоминанием о сохраняющихся проблемах. Если космический туризм все же будет процветать, технологии достижения космоса должны стать все более безопасными и надежными. Это принесет пользу множеству космических приложений, включая связь, дистанционное зондирование и научные исследования.

Но это большой , если . Хорошо известные опасности ракетных двигателей возникают просто потому, что поднять на орбиту тысячи килограммов — чрезвычайно сложная задача.Ракеты должны быстро смешивать и реагировать на огромные количества топлива и окислителя в камере сгорания, чтобы каждую секунду выделять достаточно энергии, чтобы огромное количество горячего газа вылетало из сопла на высокой скорости. Различные компоненты ракеты должны выдерживать экстремально низкие и высокие температуры, а также жесткие уровни вибрации и напряжения.

В ракетах, работающих на жидком топливе, неисправность, которая приводит к неконтролируемому сближению топлива и окислителя или приводит к потере тяги после запуска, может вызвать мощный взрыв, разрушающий транспортное средство и повреждающий стартовую площадку.Ракета-носитель Antares недавно испытала именно такую ​​катастрофу.

В твердотопливных ракетах топливо и окислитель уже смешаны и скреплены полимерным связующим. Это снижает сложность, но не устраняет опасности: трещины или дефекты в твердом топливе или его упаковке могут вызвать неконтролируемое возгорание и взрыв, как это трагически произошло с твердотопливными ракетными ускорителями космического челнока Challenger в 1986 году, когда O -кольцевое уплотнение в корпусе мотора вышло из строя.

Нет более безопасных альтернатив? Одна из исследуемых — гибридная ракета. В гибридных ракетных двигателях окислитель хранится в жидком виде, а в топливе — в твердом. Такая конфигурация проста с механической точки зрения и снижает вероятность химического взрыва как в полете, так и во время наземных операций. Это делает гибриды более безопасными, чем твердотопливные ракеты. Гибриды также более гибкие, потому что поток окислителя можно контролировать, а это означает, что тягу можно регулировать или даже отключать и перезапускать во время полета.

Эти преимущества побудили разработчиков Scaled Composites выбрать гибридный ракетный двигатель для SpaceShipOne , транспортного средства, выигравшего Ansari XPrize в 2004 году, когда он дважды отправился в космос в течение двух недель. Это была первая гибридная ракета, когда-либо использовавшаяся в пилотируемом полете. На более крупном суборбитальном аппарате компании SpaceShipTwo также используется гибридная ракета, которая на момент написания этой статьи, похоже, не стала причиной трагической катастрофы в октябре.

Хотя они могут показаться передовыми, на самом деле гибридные ракеты существуют с 1930-х годов, когда в Советском Союзе были разработаны первые образцы.Хотя основная концепция всегда была привлекательной с точки зрения безопасности, такие ракеты так и не нашли широкого применения в космической отрасли. Достаточно легко понять, почему: традиционные гибридные ракеты производят относительно небольшую тягу.

Я и двое моих коллег, Ариф Карабейоглу и Дэвид Альтман, пытаемся устранить этот недостаток с помощью наших исследований в Стэнфордском университете и в небольшой компании по разработке ракет, которую мы основали в 1999 году. Эти усилия могут однажды позволить гибридным ракетам стать конструкцией выбор для многих различных видов космических аппаратов, в том числе для тех, которые требуют максимальной производительности.

Фундаментальная инновация, которая может сделать это возможным, — это изменение состава используемого твердого топлива. Вместо обычного каучукоподобного полимера мы используем обычный парафиновый воск. Да, воск. Так, когда какой-нибудь дерзкий космический турист из будущего пытается подражать астронавту Меркурия Алану Шепарду, крича: «Зажги эту свечу!» при запуске это могло оказаться очень подходящим описанием.

Общая конструкция гибридной ракеты довольно проста. Твердое топливо встроено в камеру сгорания в виде цилиндра с одним или несколькими каналами, полыми вдоль его оси.Когда жидкий окислитель выходит из резервуара для хранения, он становится газом и проходит через эти отверстия. После воспламенения происходит горение между окисляющим газом и материалом, испаряющимся с поверхности топлива, находящейся внутри каналов. Горячие газы под высоким давлением, которые выходят из сопла соответствующей конструкции, создают тягу.

Фото: Хосе Стивенс / SPG Испытание огнем: Гибридный ракетный двигатель, работающий на парафиновом топливе, проходит испытания в Бьютте, штат Монтана.В качестве окислителя использовался жидкий кислород, хотя автор и его коллеги также тестировали конструкцию, в которой в этой роли используется закись азота.

Проблема в том, что топливо. Тепло внутри камеры сгорания вызывает испарение некоторого количества топлива, после чего оно легко сгорает вместе с окислителем. Но, несмотря на сильный жар в камере, полимерное топливо, обычно используемое в гибридных ракетах, испаряется медленно, что очень затрудняет создание большой тяги, необходимой для запуска в космос.

Чтобы компенсировать это, конструкторы часто пытаются увеличить площадь поверхности горючего. Это достаточно просто — просто увеличьте количество каналов. Эта стратегия в некоторой степени работает, но если зайти слишком далеко, масса топлива может выглядеть как кусок швейцарского сыра и может привести к разрушению топлива при его сгорании.

Топливо из синтетического каучука, используемое в двигателе для SpaceShipOne , требовало четырех каналов для сгорания для создания необходимой тяги, что вызывало некоторые трудности.По мере сжигания топлива эти отверстия становились все больше и больше, а стенки из твердого топлива между ними сжимались. Ближе к концу горения расширяющиеся отверстия сделали твердое топливо склонным к разрушению. Действительно, по крайней мере, в одном полете SpaceShipOne большие куски твердого топлива вылетали из сопла, вызывая сильную тряску и снижая характеристики ракеты — и заставляя пилота в какой-то момент подумать, что хвост его корабля оторвался. .

В Стэнфорде мы сосредоточили наши исследования на способах увеличения тяги гибридных ракет без добавления этих проблемных дополнительных каналов.Мы впервые заинтересовались этой проблемой в конце 1990-х годов, когда ВВС США изучали некоторые экзотические криогенные конструкции для гибридных ракет. Одна из схем поменяла бы местами топливо и окислитель — его топливом был жидкий водород, который перетекал бы и сгорел вместе с твердым кислородом. Исследуя эту странную конфигурацию, ВВС также изучали другую комбинацию криогенного топлива: жидкий кислород и пентан, углеводород, который находится в жидком состоянии при комнатной температуре, но в данном случае был заморожен в твердом состоянии с использованием ванны с жидким азотом.

К своему изумлению исследователи ВВС обнаружили, что твердый пентан горит в три или четыре раза быстрее, чем обычное топливо. Эти исследователи любезно поделились с нами своими измерениями, и после тщательного анализа мы выяснили, почему пентан так быстро горит. Оказывается, топливо горело не так, как обычно. Скорее, тепло камеры сгорания вызвало образование слоя жидкости на поверхности твердого пентана. Когда окислитель протекал по нему, крошечные капельки жидкого пентана увлекались потоком газа, а множество капель давало огромную площадь поверхности для испарения и горения.

Обычное полимерное топливо также плавится при горячем сгорании. Но получаемая жидкость слишком вязкая для образования капель, поэтому площадь поверхности, на которой может происходить испарение и горение, ограничена — отсюда обычное отсутствие мощности.

Наше открытие, что пентан производит крошечные капельки и что они увеличивают скорость горения в несколько раз, было совершенно случайным — и очень желанным. Но сам по себе замороженный пентан не был перспективным топливом. В конце концов, было бы непрактично окунуть ракету в чан с жидким азотом перед запуском.Итак, мы начали искать замену замороженному пентану.

Иллюстрация: Эмили Купер Распыление горячего аэрозоля: Топливо на основе парафина придает гибридным ракетам большую мощность, потому что топливо, которое подвергается горению, плавится, распыляется и уносится в проточный окислитель [вставка]. Это увеличивает площадь поверхности, на которой топливо может испаряться и реагировать.

Мы начали с рассмотрения некоторых других распространенных углеводородов.Знакомые примеры включают метан (один атом углерода на молекулу), этан (два атома углерода) и пропан (три атома углерода). По мере увеличения числа атомов углерода в каждой молекуле эти вещества становятся жидкостями комнатной температуры, такими как пентан (пять атомов углерода), и, в конечном итоге, твердыми веществами, такими как воск и полиэтилен, материалом, используемым для изготовления кувшинов для молока.

Нам нужно было что-то, что было бы твердым при комнатной температуре и выделяло бы жидкость с низкой вязкостью при плавлении. Он также должен быть достаточно прочным, чтобы выдерживать высокие температуры, высокое давление и высокую вибрацию камеры сгорания ракетного двигателя.

Уловка заключалась в том, чтобы выбрать молекулу углеводорода с правильной молекулярной массой. При высоком молекулярном весе жидкая форма углеводорода будет слишком вязкой для легкого образования капель. При низком молекулярном весе эти углеводороды представляют собой газы, жидкости или мягкие твердые вещества, которые слишком слабы, чтобы выдерживать жесткие условия камеры сгорания ракеты. Между тем есть вещества Златовласки, содержащие от 25 до 50 атомов углерода на молекулу, которые имеют достаточно прочную структуру и, как известно любому, кто когда-либо наблюдал за вершиной свечи, при плавлении выделяют жидкости с низкой вязкостью: парафин воски.

Трудно представить себе более щадящее и простое в использовании ракетное топливо

Парафин, который мы используем, иногда называют скульптурным или ураганным воском. Он на удивление силен — это я могу засвидетельствовать не понаслышке, поскольку мне приходилось несколько раз использовать кувалду, чтобы разбить его и извлечь из картриджей с отработанным топливом.

Изготовление, обращение и транспортировка традиционного твердого ракетного топлива обычно очень дороги, но с парафиновым топливом будет легко справиться во всех этих отношениях.Это было бы нетоксично и вообще не было бы опасно. Более того, полное сгорание этого топлива с кислородом не приводит к появлению загрязняющих веществ. Побочные продукты — это просто углекислый газ и вода. Трудно представить себе более щадящее и легкое в использовании ракетное топливо.

С растущим энтузиазмом к этому новому топливу мы построили лабораторный гибридный ракетный двигатель, который мог работать на газообразном кислороде и нескольких видах топлива, включая парафин. К нашему удовольствию, мы обнаружили, что рабочие характеристики парафина соответствуют нашим теоретическим предсказаниям: он сгорает значительно быстрее, чем обычное топливо (измеряется по скорости сгорания поверхности топлива), давая большую тягу.

«Зажгите эту свечу!»: Показанный здесь настольный блок предназначен для демонстрации базовой концепции гибридной ракеты. Он горит прозрачным топливом, позволяя видеть внутреннюю часть камеры сгорания. Фотографии: Брайан Кэнтуэлл / САУ (2)

Насколько хорошо это прошло? Чтобы оценить ответ, вам нужно понять, как ракетные инженеры измеряют производительность. Вы не можете использовать только тягу в качестве метрики: большая ракета с плохими характеристиками может производить больше тяги, чем маленькая, которая работает очень хорошо.Вместо этого вам нужно оценивать тягу таким образом, чтобы принимать во внимание количество топлива, используемого каждую секунду. Конструкторы ракет делают это с помощью величины, называемой удельным импульсом, которая прямо пропорциональна скорости газа, выходящего из сопла ракеты. (Чем выше скорость, тем лучше.)

Не менее важным параметром является масса топлива, которое может храниться на борту двигателя заданного размера. Топливо высокой плотности помогает, но это не единственное соображение. В частности, дополнительные каналы сгорания, необходимые для создания адекватной тяги в традиционных гибридных двигателях, уменьшают объем топлива, которое может храниться.И не все это топливо в любом случае можно сжечь, потому что это приведет к разрушению стенок топлива, разделяющих каналы сгорания. В совокупности эти ограничения приводят к существенной потере производительности традиционных гибридов.

Наш самый первый лабораторный прототип, крошечный двигатель всего 5 сантиметров в диаметре, сжигал топливо в три-четыре раза быстрее, чем обычные гибридные ракетные двигатели. Продемонстрировав это, мы были убеждены, что гибридная ракета на основе парафина, требующая только одного канала для сгорания, может выгодно конкурировать с обычными твердыми или жидкими системами.

Для дальнейшего тестирования возможности создания восковой ракеты мы и наши коллеги из Исследовательского центра НАСА в Эймсе в соседнем Маунтин-Вью, Калифорния, вскоре построили двигатель в пять раз больше, который работал с давлением в камере сгорания и расходом топлива. которые были похожи на ракеты, используемые в коммерческих целях. Он тоже сжигал топливо в три-четыре раза быстрее, чем обычные гибриды.

Чтобы разработать эту технологию для коммерческого использования, мы затем создали компанию под названием Space Propulsion Group, базирующуюся в Пало-Альто, Калифорния.За последние восемь лет наша компания успешно провела более 40 испытательных запусков гибридного двигателя, работающего на жидком кислороде и парафиновом топливе, диаметром 28 сантиметров и тягой 25 000 ньютонов. Совсем недавно Space Propulsion Group провела испытания двигателя диаметром 56 см, способного развивать тягу в 100 000 ньютонов, что достаточно для подъема более 10 метрических тонн. Результатом всех наших испытаний — которые однажды включали взрыв двигателя — стало то, что наши конструкции теперь очень надежны и производят очень высокий удельный импульс.

За тот же период мы работали с Грегом Зиллиаком из НАСА в Эймсе над разработкой большого гибрида на основе воска, в котором вместо жидкого кислорода используется закись азота, и этот проект известен как проект Peregrine. Потребовалось несколько лет и серьезная поломка двигателя, чтобы наконец разработать хорошо работающую конструкцию.

Детальная физика того, что происходит внутри гибридной ракеты — горение, такое же интенсивное, как и у любой другой ракеты — остается загадкой.

Эти испытания предназначены не только для того, чтобы показать, насколько большой двигатель мы можем сделать.Они нужны нам для достижения определенных целей дизайна, успех которых трудно предсказать теоретически. Видите ли, гибридные ракетные двигатели, хотя и просты в принципе, на практике имеют некоторые тонкие сложности. В частности, они подвержены определенным низкочастотным нестабильностям, наряду с высокочастотными нестабильностями, характерными для всех типов ракет.

Благодаря многолетней доводке последние моторные испытания Space Propulsion Group и NASA Ames показали отличную стабильность. Несмотря на этот прогресс, детальная физика того, что происходит внутри гибридной ракеты — горение, такое же интенсивное, как и у любой другой ракеты — остается загадкой, поэтому мы продолжаем проводить множество экспериментов.

Насколько хороши могут быть такие гибридные ракеты? Российский керосиновый двигатель РД-180, на котором установлена ​​ракета-носитель Atlas V, сегодня является золотым стандартом для подъема тяжелых грузов. При достаточных инвестициях можно было бы разработать гибридные двигатели, которые приблизились бы к впечатляющей удельной импульсной мощности этого двигателя за небольшую часть стоимости.

Концепции гибридной ракеты уже более 80 лет. В течение большей части этого времени идея находилась в тупике, но за последнее десятилетие произошли важные технические достижения и возрос интерес во всем мире.Исследования гибридных ракет сейчас ведутся в Бразилии, Франции, Германии, Израиле, Италии, Японии, Норвегии и Южной Корее. В Соединенных Штатах такая работа ведется в Aerospace Corp., в Эль-Сегундо, Калифорния, а также в NASA, Penn State, Purdue и, конечно же, в Space Propulsion Group и Стэнфорде, где я и мои коллеги работал.

Итак, есть все основания ожидать, что в ближайшие годы технология гибридных ракет продолжит совершенствоваться. Возможно, парафиновое топливо и другие усовершенствования этой старой концепции в конечном итоге принесут долгожданные улучшения в области безопасности, стоимости и производительности, необходимые для поддержки повседневного доступа в космос.

Эта статья была изменена 24 ноября 2014 года.

Об авторе

Брайан Дж.