что нужно для ракеты

megavolt_lab

Записки сумасшедшего ракетчика

В этом блоге я буду много писать о ракетах и космических аппаратах, но для начала давайте разберемся с тем, что же такое ракета и за счет чего она летает. Ведь кроме ракеты есть еще немало видов техники, умеющей летать.

Есть тип летательных аппаратов, которые могут обходиться вообще без двигателя. Это аэростаты (воздушные шары). Летают только засчет силы Архимеда. В сети есть много видео, где люди развлечения ради запускают самодельные воздушные шары с камерой, как они пишут, в космос. Вот пример такого видео:

Но как же подняться выше предельных высот для самолетов и воздушных шаров? Вот тут-то нас и выручит ракета. Основное отличие ракеты от других видов летательных аппаратов состоит в том, что полет ракеты практически никак не зависит от внешних условий (плотности воздуха, его состава и т. п.), поскольку все, что ей нужно для полета у нее с собой.

Для того, чтобы ракета полетела, нужно чтобы сила, с которой она отталкивается от рабочего тела (эту силу называют тягой двигателя) превышала вес ракеты. Параметр, показывающий, во сколько раз тяга двигателя превышает вес ракеты, называется тяговооруженность ракеты.

Современная ракета Союз очень тяжелая. Ее масса вместе с топливом и поднимаемым ей космическим кораблем составляет 307,7 тонн. Для того, чтобы поднять такую массу, ракете нужно выбрасывать рабочее тело с огромной скоростью: от 2,5 км/с, до 3 км/с, что примерно в 9 раз превышает скорость звука у поверхности Земли.

Вот, как выглядит старт этой ракеты:

Но для успешного полета ракете мало только двигателя и топлива. Нужна еще, как минимум, система стабилизации. Дело в том, что сила тяги двигателя прикладывается к ракете снизу, гораздо ниже ее центра тяжести, поэтому ракета в течение всего полета находится в состоянии неустойчивого равновесия. Чтобы понять смысл этих слов попробуйте удержать карандаш острием на пальце.

Работает она очень просто: «крылышки» (называются стабилизаторы) увеличивают площадь поверхности корпуса ракеты позади центра тяжести. При отклонении ракеты от курса набегающий поток воздуха давит на боковую поверхность корпуса тем сильнее, чем больше эта поверхность. Поскольку позади центра тяжести поверхность больше, чем впереди, воздух давит на нее сильнее, заставляя ракету повернуться вокруг центра тяжести и вернуться на курс.

Разумеется, такая система работает только в атмосфере. В космосе, где воздуха нет, аэродинамические стабилизаторы бесполезны. Для космических ракет применяется активная система стабилизации. Она состоит из гироскопа, бортовой электроники и маленьких подруливающих двигателей.

Вот здесь можно посмотреть на то, как работает гироскоп:

Основываясь на показания датчиков, следящих за положением гироскопа относительно ракеты, бортовая электроника выдает команды исполнительным механизмам на изменение положения маленьких подруливающих двигателей, расположенных рядом с основным двигателем. Они изменяют направление вектора тяги, создавая вращательный момент, возвращающий ракету в заданное положение.

На этой фотографии изображен двигатель центрального блока ракеты Союз. Кроме основных четырех сопел видны четыре маленьких сопла, расположенные по краям блока. Это и есть подруливающие двигатели. Они закреплены на кардановом подвесе, поэтому могут поворачиваться.

На этом пока все. В следующей статье я расскажу о том, как ракеты выводят на орбиту космические аппараты.

Источник

Большая Карамельная Ракета

Ракетостроение, даже не ракетомоделизм из кружков (Model Rocketry или High Power Rocketry), пожалуй отличное хобби для технаря, и, конечно айтишника. Даже сам Джон Кармак (один из создателей Doom, кто не знает) в детстве занимался ракетостроением, что уже после id Software переросло в свою ракетную компанию Armadillo Aerospace.

Конструкция ракеты

Конструкции большинства ракет в основном схожи между собой. Они удовлетворяют в большинстве случаев, так скажем, идеальной «эмпирической ракете»:

длина ракеты полная: L= 15

длина головного обтекателя: Ln = 2.5

размах стабилизатора: S = 1

общая площадь стабилизаторов: F= 0,7

запас устойчивости: k = 1,5

«Эмпирическая ракета» Rocki

В зависимости от поставленных целей и используемых компонентов параметры ракеты могут варьироваться, конечно же, но почти всегда укладываются в вышеобозначенные границы.

Стабилизаторы стоит изготавливать из достаточно лёгкого, но прочного материала. Например пластика, фанеры или бальзы. Форма и размер стабилизаторов зависят от размеров ракеты, а если быть точным, то от расположения центра тяжести ракеты и центра давления.

Модель устойчивости ракеты Rocki об устойчивости ракеты

Ракета никогда не летит прямо, а все время поворачивается от направления полета то в одну, то в другую сторону, т.е. рыскает. На ракету набегает встречный поток воздуха, направление которого строго противоположно направлению полета. Получается, что ракета все время поворачивается боком к набегающему потоку на некоторый угол. В аэродинамике такой угол называется углом атаки. Мы уже установили, что ракета, как любое твердое тело, поворачивается относительно ЦТ, но результирующая сила давления воздуха приложена совсем к другой точке, т.е. к ЦД. Если ракета имеет симметричную форму относительно оси, то ЦД потока воздуха расположен на оси ракеты. Если ЦД расположен ближе к хвосту ракеты, то давление воздуха стремится вернуть ракету навстречу набегающему потоку, т.е. на траекторию. Ракета будет устойчива. Тут вполне допустима аналогия с флюгером. Если ракету насадить на стержень, проходящий поперек оси ракеты через ЦТ и вынести её на улицу, где сильный ветер, то устойчивая ракета повернется навстречу ветру. Из этих же соображений делается простейшая проверка ракеты на устойчивость с помощью веревки: привязываем веревку к ракете в месте расположения центра тяжести и начинаем вращать ракету вокруг себя. Если ракета при вращении ориентируется строго по направлению движения, то она аэродинамически устойчива, если ракету крутит в разные стороны или она летит хвостом вперед, то ракета неустойчива.

Центр тяжести ракеты определяется простым методом «взвешивания». Положив ракету на руку, нужно найти точку, в которой достигается равновесие.

Интерфейс Rocki-design и модель будущей ракеты

Есть готовые программные решения для расчёта параметров ракеты. Я использую Rocki-design, но чаще, тем более в англоязычном мире используют OpenRocket. Подобрав нужный размер стабилизаторов, вырезаем их из заготовки и прикручиваем винтами к корпусу, используя металлические уголки. Крепление должно быть жёстким. Для лёгких ракет сгодится и просто приклеивание, но для тяжелой ракеты лучше перестраховаться.

Система спасения

Заготовка для мортирки

Вырезаем парашют

Конструкция крепления системы спасения

Головной обтекатель также подвязывается к фалу.

В сборе внутренние компоненты ракеты ракеты занимают весь внутренний объем.

Модель ракеты со всеми компонентами

Двигатель

Топливные шашки

Из шашек формируется сборка двигателя с единым топливным каналом. При этом шашки укладываются в теплоизоляционную (негорючую) трубку из тефлона\бумаги, пропитанной силикатным клеем. Теплоизоляция нужна для того, чтобы не допустить разрушения двигателя из-за температуры (фронта горения и горячих газов) при горении топлива.

Схема двигателя

График тяги График давления

Для расчёта двигателя используются расчёты на основе закона горения. Безусловно, есть готовые решения для расчёта параметров двигателя.

Кроме того, обязательно проводятся стендовые испытания движков. Это позволяет отработать надёжность двигателя на земле, а также снять реальные показания тяги двигателя (которые могут отличаться от расчётных).

Кластерный двигатель на тяго-измерительном стенде

Электроника

В качестве бортового компьютера я использую собственную схему, в основе которой находится Arduino Nano.

Схема полётного компьютера

Источник

Ракета от Амперки, часть 1: Теория ракетных двигателей. Карамельное топливо

Вступление

Всем привет! Мы — команда ютуб-канала Амперки, в студии и пилим видео по проектам и железкам. Однако, в какой-то момент все изменилось.

Под катом — история постройки нашей ракеты.

Шла весна 2020 года и карантин самоизоляция не щадила никого. В том числе и нас, отлученных от студии, дабы не подвергались опасности заражения заморской бациллой. Вот в этот-то период и начали активизироваться в голове старые идеи сделать то, что давно хотелось, но что было отложено в долгий ящик “когда время будет”. Наконец, то_самое_время пришло, и из того самого ящика была извлечена мысль о постройке собственной ракеты, еще и подстёгнутая недавним успешным пуском в эксплуатацию “батута” от SpaceX.

Так как сделать такой серьезный проект за один заход не получится, разделим его для удобства на составные части (список будет пополняться по мере работы):

Также просим учесть, что статьи, как и серии выпускаются не по выполненным этапам, а по привязке ко времени, то есть, что сделали за неделю, то и пишем/показываем.

Ракетостроение, в целом, наука комплексная, сложная и многогранная. Релевантного опыта у нас не было, не кончали мы институтов по этому направлению, но есть руки, голова, желание — а это уже многое, так что, как говаривал Юрий Алексеевич, поехали.

Теория ТТРД

Что такое реактивное движение, (для тех, кто, вдруг, не в курсе) много говорить не будем: если в двух словах, то это движение за счет отброса массы в противоположную сторону от направления движения. Про всякие экзотические конструкции двигателей типа ядерных, ионных и иже с ними говорить не будем — одна не предназначены для работы в атмосфере, другие слишком сложны и не воспроизводимы в любительских условиях и т.д., поэтому остановимся на простых, но доступных простому обывателю конструкциях, которые при желании можно повторить практически в домашних условиях, а именно — химических. В таких двигателях реактивная струя получается за счет химической реакции топлива и окислителя (в некоторых случаях роль окислителя может играть атмосферный кислород).

Итак, химические двигатели (ХРД), по агрегатному состоянию топлива классифицируются на жидкостные (ЖРД) и твердотопливные (ТТРД), так что выбирать будем из них. ЖРД весьма удобны, так как позволяют управлять тягой, однако требуют применения в своей конструкции сложных систем форсунок в камере сгорания и не менее сложных систем подачи топлива. Одно только проектирование ЖРД, даже самого примитивного, займет у нас месяцы, а, следовательно, это не наш вариант. Альтернативой могут стать ТТРД за счет простоты своей конструкции и значительно меньшими требованиями к топливу. Да, у нас не выйдет точно дозировать тягу. Точнее, мы ее совсем не сможем дозировать. Однако, есть некоторые аспекты, на которых мы можем сыграть, об этом и пойдет речь дальше.

Виды смесевого топлива

Намного лучший результат показывают смесевые составы из горючего и окислителя. Чаще всего в качестве такой пары применяют окислители из перхлоратов с горючим из порошка металлов и полимеров или широко известное в кругах моделистов-любителей “карамельное топливо”, где в качестве окислителя используются нитраты (селитры) и сложные углеводы (сахар, сорбит) в роли горючего. Вот как раз последние два варианта (перхлоратное и карамельное) топливо мы и выбрали в качестве подопытных для нашей ракеты.

Расчет двигателя

Важнейшая характеристика твердого топлива — это скорость его горения, зачастую это значение — константа для определенного состава топлива. Горение распространяется по поверхности. Если просто поджечь конец цилиндрической топливной шашки, то мы получим торцевое горение, которое даст длительное равномерное прогорание, однако, получить при этом достаточную тягу для подъема ракеты в воздух не выйдет. Для повышения эффективности нужно сделать в топливе канал, по которому будет распространяться горение, повысив тем самым его площадь. Также нужно учитывать, что по мере выгорания профиль канала будет меняться, следовательно, будет меняться эффективная площадь. Можно, конечно, долго экспериментировать с различными профилями, однако, это все уже сделано до нас и упаковано в удобный программный инструментарий.

В программу можно внести все необходимые параметры и получить графики тяги, которую будет развивать ракета. В графе Grain configuration под знаком вопроса есть описательный мануал по различным профилям канала.

Опытным путем, применяя различные конфигурации канала мы нашли оптимальные параметры для нашей ракеты. Для получения таких же показателей нужно ввести такие значения:

Форму канала мы выбрали Moon burner. Умный Meteor c учетом введенных данных построил нам вот такой график:

Из этой диаграммы понимаем, что двигатель со старта получит хороший пинок и будет развивать весьма неплохую тягу на протяжении всего времени работы. По расчетам программы пиковое значение тяги получилось без малого 312 Н при пиковом давлении в 24.5 бар. Средние значения оказались около 265 Н и 19.5 бар соответственно.

Еще одним неоспоримым плюсом программы является возможность прямого экспорта рассчитанных значений в другую не менее полезную для нас программу — OpenRocket, при помощи которой мы будем рассчитывать стабильность ракеты, оперение, балансировку и другие важные показатели, но это будет уже в следующей серии.

Однако, не топливом единым жив начинающий ракетостроитель. Не менее важное значение имеет сопло. По этому принципу РД делятся на сопловые и бессопловые. Последние, технически, имеют дозвуковое сопло, являющееся, по сути, просто отверстием или конусом в нижней части двигателя. Дозвуковым оно называется по той причине, что истекающие через него газы не могут достигать, а уж тем более, превосходить скорость звука, сколько бы не наращивалось давление в камере сгорания, об этом нам говорит гидродинамика. А против физики, как известно, не попрёшь. Тем не менее, такие сопла за счет своей простоты применяются в малых любительских ракетах, а также в фейерверках. Но мы же делаем ракету, значит, дозвуковые сопла — не наш путь.

Альтернативным решением является сверхзвуковое сопло или, как его еще называют по имени изобретателя, — сопло Лаваля. В упрощенном варианте представляет собой два усеченных конуса, сопряженных узкими концами. Место сопряжения называется критической точкой.

Принцип его действия напоминает принцип, на котором работает холодильник: газы, проходя “узкое горлышко” и попадая в бОльший объем резко охлаждаются, за счет чего уменьшается их объем, что приводит увеличению скорости их истечения. В результате, за счет перепада диаметра выпускного отверстия мы получаем на выходе струю газа, движущегося со сверхзвуковой скоростью. Таким образом, применив сопло Лаваля мы значительно повышаем КПД ракеты.

К слову, Meteor проводит расчеты, подразумевая, что на двигателе установлено как раз сверхзвуковое сопло, расчет и изготовление которого также оставим на следующий выпуск.
Итак, характеристики, параметры и габариты двигателя у нас есть, можно приступать к варке топлива.

Изготовление топливных шашек

Первым топливом у нас будет карамельное, готовить будем из сорбита и калиевой селитры. Сорбит можно купить в аптеке, он используется как сахарозаменитель. Калиевую селитру можно найти в садово-огородном отделе, но там она довольно грязная, поэтому купили ч/чда в Русхиме.

Простейший способ — измельчить компоненты до состояния мелкодисперсного порошка и смешать, но тогда топливо остается сыпучим и не будет держать форму. Решено сплавить компоненты вместе. Некоторые бесстрашные любители делают это в сковородках, на открытом огне, даже, бывает на костре, но нам дороги наши пальцы и глаза. Придется делать нагреватель с контролем температуры и песчаная баня, для которого нам понадобятся:

Meteor заботливо подсчитал массу топлива, которая составила 838г, возьмем с запасом, еще пригодится. Решено было сделать топливный заряд из нескольких шашек для простоты их изготовления. Потом можно будет их просто склеить между собой и вставить в корпус двигателя.

Не забываем про технику безопасности: вблизи топлива не должно быть никаких источников открытого огня, раскаленных предметов и чего-либо, что может вызвать возгорание.

Возьмем по массе 65% калиевой селитры и 35% сорбита, аккуратно засыпаем в чашу и добавляем немного воды. Это и нервы успокоит, и избавит от необходимости измельчать компоненты в пыль, так как в воде они и без того хорошо растворятся и смешаются. Ставим на огонь, выставляем температуру и ждем, постоянно помешивая. Постепенно полученная каша расплавится и станет похожа на овсянку. Надо дождаться выпаривания всей лишней воды (это можно будет понять по прекратившемуся выходу кипящих пузырьков).

Дальше надо действовать решительно: в заранее подготовленную водопроводную ПВХ-трубу, зафиксированную в держателе с внутренним креплением под круглую ось будем запрессовывать топливо.

После извлечения оси у нас как раз останется канал запала по всей длине шашки. Запрессовывать удобно при помощи держателя для дрели, такой очень удачно нашелся в студии. Важно запрессовать топливо таким образом, чтобы внутри шашки не оказалось пузырей и полостей, иначе это потом негативно скажется на горении.

Трубу с топливом откладываем и оставляем до остывания. Затем ее можно будет распилить и достать шашку. Мы сделали несколько штук, одну из них сожжем в целях эксперимента.

В следующем выпуске займемся корпусом двигателя, соплом и испытательным стендом.
А пока мы его готовим, рекомендую почитать следующую книжку про проектирование ЗУРов. Из нее была почерпнута бОльшая часть информации.

Источник

megavolt_lab

Записки сумасшедшего ракетчика

Загорелся я идеей сделать маленькую твердотопливную ракету. Какого-либо опыта в этом деле у меня совершенно нет, но на счастье в интернете есть полно информации как по приготовлению топлива, так и по аэродинамическим расчетам фюзеляжа. Проштудировав несколько тематических сайтов (приведены в предыдущей записи), я приступил к делу.

Для начала я решил попробовать известный среди ракетчиков-любителей топливный состав, именуемый карамелькой: 65% калиевой селитры и 35% сорбита смешиваются и сплавляются. Я приготовил 50 граммов топлива и отлил из него цилиндрическую шашку в бумажной форме. В качестве испытания я попросту поджег топливо спичкой:

Шашка сгорела практически полностью, осталось только немного шлака и бронировка (та самая бумажная форма) с потеками жидкого стекла, которым она была склеена:

С топливом разобрался, пора делать двигатель. В одной из прошлых статей я достаточно наглядно объяснил, как устроен твердотопливный двигатель, не вижу смысла повторяться.

Затем заглушил их торцы шайбочками с отверстиями по центру. В роли шайбочек прекрасно подошли крышечки от баночек из-под фотопленки. В отверстия вставил обычную отвертку. Она сформирует канал шашке, а шайбочки с отверстиями обеспечивают центровку. В получившуюся конструкцию я залил расплав топлива. Когда он застыл, я вынул отвертку, снял шайбы и получил готовую топливную шашку.

Пришлось проделать эти операции пять раз, чтобы получить 5 шашек. Далее я приступил к изготовлению корпуса двигателя. Взял деревянную палку подходящего диаметра, обернул ее полиэтиленовой пленкой для более легкого снятия корпуса с этой болванки и намотал в несколько слоев бумагу, пропитанную эпоксидкой. Когда эпоксидка застыла, у меня получилась прочная труба.

В лаборатории такой игнитор сработал без проблем:

Однако, при попытке поджечь с его помощью топливную шашку игнитор сработал, но топливо не зажглось. Очевидно, такого крохотного «плевка» шашке недостаточно, нужно придумать нечто помощнее.

Один товарищ подогнал мне отрезок нихромовой проволоки, и я решил сделать игнитор из нее. Небольшой кусочек проволоки я согнул пополам и обмазал разведенным в воде спичечным составом, а сверху присыпал пороховой мякотью:

Такой игнитор при испытании в лаборатории давал неплохое пламя, хоть и срабатывал с некоторой задержкой:

Посмотрим, как он справится с топливной шашкой:

Как видно, испытания прошли успешно. Для установки игнитора в двигатель я пропустил провода от него сквозь бумажный кружок, зафиксировал клеем и вклеил кружок в корпус двигателя вплотную к топливной шашке, поместив игнитор в канал.

Бумажное кольцо, приклеенное к торцу корпуса нужно для того, чтобы эпоксидку можно было залить чуть выше краев корпуса для лучшего сцепления. излишки бумаги я потом срезал канцелярским ножом. Однако, на представленной выше фотографии внимательный читатель, вероятно, заметил стоящую на заднем плане некую трубу, из которой торчит металлический прут.

Да, это еще один двигатель. Дело в том, что в процессе изготовления топливных шашек мне пришла мысль использовать также единый скрепленный канальный заряд. Это когда топливо заливается сразу в корпус двигателя, который служит бронировкой для получающейся таким образом одной большой топливной шашки. Я не знаю, какая конструкция двигателя будет у меня более эффективна, поэтому решил делать сразу два и сравнить их на тестовом прожиге.

Сопло, игнитор и заглушка второго двигателя точно такие же как и у первого за исключением отверстий, которые я насверлил возле торцов корпуса для более прочного соединения с ним сопла и заглушки.

Готовый двигатель выглядит так (сопло заклеено кусочком изоленты для предотвращения попадания в канал грязи и влаги):

Итак, двигатели готовы, пора проводить огневые испытания. О конструкции тягоизмерительного стенда и порядке проведения испытаний на нем я расскажу потом отдельной статьей, а пока просто смотрим:

Двигатель №1. Шашечный заряд.

После обработки результатов испытания я получил график зависимости тяги от времени и основные характеристики двигателя (кликабельно):

Эти данные надо сравнить с параметрами второго двигателя, так что, особо не задерживаясь, устанавливаем и его на стенд.

Двигатель №2. Единый скрепленный канальный заряд.

Полученные данные (тоже кликабельно):

Как видно по результатам испытаний, второй двигатель выдает несколько большие полный и удельный импульсы, что означает, что он эффективнее расходует топливо, так что в качестве летного экземпляра я выбрал именно конструкцию с единым скрепленным канальным зарядом.

Осмотр двигателя после прожига показал отсутствие прогаров и потери прочности в корпусе, а также незначительный и равномерный разгар сопла.

Пора приступать к изготовлению собственно ракеты. Для этого нужно сделать следующее:
1) Фюзеляж.
2) Головной обтекатель.
3) Аэродинамический стабилизатор.

С первым все просто: отрезок пластиковой трубы у меня уже был, я только залил в нем силовую переборку из эпоксидки. В нее будет упираться двигатель. И еще одну легкую переборку сделал ближе к головной части для того, чтобы ракета обладала положительной плавучестью, так как запускать я ее планирую на берегу моря, соответственно есть вероятность, что ее придется вылавливать с воды.

Головной обтекатель я сделал из отрезка такой же трубы. Я сделал в ней треугольные вырезы, получив нечто вроде короны. Благодаря упругости пластика зубцы этой короны сами сошлись к вершине.

Промежутки между зубцами я заполнил термоклеем. Получилось несколько криво, но для первого раза сойдет.

Для соединения обтекателя с фюзеляжем я сделал переходное кольцо из этой же трубы и вклеил его в обтекатель. Для большей жесткости конструкции я заполнил обтекатель макрофлексом и залил небольшой слой эпоксидки поверх него. Завершающим этапом изготовления головного обтекателя стала покраска.

Сперва я хотел обклеить ракету фольгой, чтобы ее лучше было видно в полете.

Но не понравилось мне, как это выглядит, поэтому фольгу я содрал, а ракету покрасил:

Согласно расчетам параметры полета получившегося аппарата таковы:
— максимальное ускорение 13,98 G
— скорость по окончании работы двигателя 235,3 м/с (847 км/ч)
— апогей 1212,4 м
— время до апогея 14 с

Стартовый стол я сделал из алюминиевых уголков и карниза, а на ракету прикрепил пластмассовые «грибки» в качестве пилонов, которыми она должна удерживаться на направляющей.

И вот, наступил день с благоприятной для запуска погодой. Ключ на старт!

Запуск осуществлен 3 сентября 2016 года в 18.00 с мыса Инониеми.

Удачный старт слегка омрачило только то обстоятельство, что ракета, поднявшись выше деревьев, видимо, получила боковой «пинок» ветром, в результате чего отклонилась от курса и вместо моря, откуда мы ее хотели на лодке вылавливать, полетела в сторону леса, где найти ее крайне проблематично. Наверное, до сих пор где-то там из земли торчит красный стабилизатор 🙂

Источник