Ракета из металла своими руками

Обновлено: 04.10.2024

Самодельная походная ракетная печь своими руками из профильной трубы: размеры, фото и подробное описание изготовления.

Приветствую! Самоделка, которую я сегодня опишу, придется по вкусу любителям отдыха на природе. Как вы уже поняли, речь в статье пойдет об изготовлении печи ракетного типа, при этом, это будет не стационарная конструкция, а разборная.

Её можно легко собрать/разобрать и взять с собой в дорогу. Конструкция компактная и легко уместится в походном рюкзаке, а уж в багажнике автомобиля тем более.

Если кого-то из вас заинтересовал вариант изготовления данной печи, милости прошу, читайте статью, смотрите видео под ней и берите идею на заметку.

Материалы для изготовления:

Инструменты:

* болгарка,
* сварочный аппарат,
* тиски,
* дрель,
* магнитный угольник для сварки,
* круглый надфиль,
* разметочный инструмент (угольник, рулетка и маркер).

Подробные фото пошагового изготовления печи

Из профильной трубы 100х100мм, отрезаем две заготовки длиной 40 и 25 см.

Далее автор берет заготовку длиной 40 см. С одной стороны чертит на всех стенках перпендикулярные линии, отступив от края примерно 1 см. Затем на двух противоположных стенка от прочерченных линий проводит еще по две линии (по углам) к кромкам.

После разметки автор зажимает деталь в тисках и вырезает, как показано на фото, лишнее.
Сразу же, не извлекая заготовку из тисков, внутрь трубы вваривает металлические прутки, получается решетка. Это будет низ трубы, а решетка – колосник.

Оставшиеся «языки» на торце трубы автор подрезает болгаркой с внешней стороны, но не до конца, а примерно на середину толщины стенки. Затем загибает внутрь под прямым углом. После рез заваривает. Все сварные швы, как следует, зачищает болгаркой.

На этом же этапе автор изготовил из листового металла заслонку. Она должна устанавливаться вот так, как показано на фото. С помощью данной заслонки будет регулироваться тяга.

Теперь работаем с заготовкой длиной 25 см. На ней автор намечает середину на каждой стене и по точкам проводит линии. Затем берет вот такой круг для болгарки. Деталь фиксирует на верстаке струбцинами и по линиям выполняет пропилы. Сначала на одной паре противоположных стенок. Разрезав деталь на две части, автор фиксирует их в тисках и сваривает. Затем разрезает по линиям вторую пару стенок, так же зажимает заготовки в тисках и сваривает. После все швы обрабатываются болгаркой. Эти действия автор выполнил для того, чтобы уменьшить сечение трубы. Эта деталь – это топочное отделение, при складывании конструкции, по задумке, оно должно прятаться в основание – тело печи. На фото видно, что получившаяся деталь входит в основание с минимальным зазором.

Здесь автор продолжает работать с будущим топочным отделением. С помощью угольника автор с одной стороны чертит линию под углом в 45 градусов. Затем, зажав заготовку в тисках, отрезает болгаркой лишнее.
Далее деталь прикладывает к основанию и обводит её по контуру.

Сделал вот такие пазы для крепления сьёмного бункера для загрузки дров.

вкрутил в гайки отрезки болтов без шляпок и приварил к ним отрезки труб – получились съемные ножки.

Из двух полос сделал съёмную конфорку.

Вот все готовые детали печи, покрасил вот такой термостойкой краской.
После собрал печь в походное положение.

Получилась очень компактная мини печь ракета, которая легко разбирается, а собранном виде занимает очень мало места и имеет небольшой вес, будет очень кстати для вылазки на природу.

Изготовление печи также показано в этом видео:

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

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.

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.

И таких, как он и я, к счастью не единицы. Хотя и совсем немного по земному шару. Наверное это из-за трудоёмкости, спектра проблем из разных научных областей. У той же Амперки в серии «Ракета против Лёхи» по официальной версии всё закончилось как раз из-за отсутствия возможности столько вкладывать ресурсов. Потому что процесс создания любой ракеты - это череда неудач, начала сызнова и итеративное приближение к цели. И к новой. И к ещё одной.

Для меня увлечение ракетами началось с ролика Побединского. Сама простота и дешевизна такой «ракетой техники» меня подкупила и я решил воспроизвести этот эксперимент. Собственно тогда родилась цель - сделать такую ракету, которая бы взлетела метров на 300-400, ну, до полкилометра, и спокойно бы вернулась обратно на парашюте. С полезной нагрузкой: скажем, с небольшим бортовым компьютером и камерой. Всё тогда казалось просто, если бы не нюансы, коих было… много…

Конструкция ракеты

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

длина ракеты полная: L= 15~25 D

длина головного обтекателя: Ln = 2.5~3.5*D

размах стабилизатора: S = 1~2*D

общая площадь стабилизаторов: F= 0,7~0,8*A,где A=L*D - площадь продольного сечения корпуса,

запас устойчивости: k = 1,5~3*D

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

В моём случае размер ракеты будет определяться исходя из размеров двигателя, парашюта и электроники. Чтобы уместить всё в корпусе ракеты я использую трубу диаметром в 50мм. Трубу можно сделать, в идеале, из стеклопластика, а можно взять ПП канализационную трубу - она сравнительно прочная и лёгкая. Головной обтекатель также делается из этой же трубы - вырезается "корона" (длиной в 2-3 диаметра ракеты) и склеивается вместе, образуя параболическую форму. Хотя, конечно есть и другие варианты - выточить обтекатель из деревянной заготовки на токарном станке или распечатать его на 3D-принтере. Обтекатель должен быть максимально правильной формы, гладким - это необходимо для снижения аэродинамического сопротивления ракеты и снижения вредных срывных течений в носовой части ракеты.

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.

Проверка стабильности ракеты - просто раскручиваем ракету над головой

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

Центр давления рассчитывается используя метод определения центра давления по Борроумену. К слову сказать, есть и другой, хотя и куда менее точный способ определения центра давления - метод аэродинамической проекции. В любом случае, какой бы мы метод не использовали, чтобы ракета была устойчивой, расстояние между центром тяжести и центром давления должно составлять хотя бы 1,5 диаметра самой ракеты. Эта, так называемая "устойчивость в диаметрах" может быть и выше, хотя устойчивость больше 2-2,5 диаметров не рекомендуется, так как в этом случае стабилизаторы будут больше, а значит тяжелее. Кроме того, большая площадь стабилизаторов приведёт к тому, что ракета будет испытывать большие боковые нагрузки, что приведёт к тому, что она будет, как флюгер разворачиваться по ветру и лететь не вверх, а вбок; в худшем случае - флаттер приведёт к разрушению ракеты в полёте. Подробно об устойчивости можно почитать здесь.

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

Система спасения - одна из самых сложных в ракете. Она включает в себя парашют, крепление к корпусу, а также механизм выброса парашюта. Она в обязательном порядке порядке должна быть проверена не один раз на земле. Я использую пиротехнический вариант выброса парашюта (мортирка), инициируемый бортовым компьютером. Хотя встречаются и другие решения - механические и пневматические, или вовсе инерционные. Пиротехническая система одна из самых популярных и простых, содержит минимум компонентов.

Заготовка для мортирки

Сам парашют - это купол диаметром в 70 сантиметров, сшитый из прочной и лёгкой ткани (рип-стоп). Можно рассчитать точно необходимую площадь парашюта для плавного спуска в зависимости от массы ракеты. Хотя, из практики, парашют лучше делать меньше диаметром - это увеличит скорость падения ракеты, конечно, но ракету будет меньше сдувать ветром, и поэтому меньше шансов намотать километры от места запуска до места падения.

Вырезаем парашют

Не менее важно обеспечить крепление системы спасения ракеты с корпусом. Обычно в корпус устанавливаются силовые болты, к которым привязывается силовой трос (фал), соединяющийся со стропами парашюта. Фал пропускается через пыж - лёгкий цилиндр, который впритирку устанавливается ко внутреннему диаметру ракеты - он необходим для выброса парашюта, работая как поршень, приводимый в движение газами из мортирки.

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

В отличие от ракетомоделизма, в любительском, "карамельном" ракетостроении используются собственно изготовленные двигатели. Ракетные двигатели - это долгий и обширный разговор, который можно растянуть на не одну статью. Если рассказывать очень кратко, то в любительском ракетостроении в большинстве случаев используются твердотопливные двигатели, которые по конструкции очень схожи с двигателями настоящих твердотопливных ракет.

Отличие состоит в материалах из которых изготовлен двигатель и в используемом топливе. Чаще всего для изготовления двигателей используется бумага, пластик или композит (стеклоровинг). В моём случае - пластик (полипропиленовая армированная труба в 40мм внешним диаметром). В качестве топлива используется смесь из калиевой селитры и сахара\сорбита в пропорции 65\35. Собственно при плавлении такой смеси образуется сладкая масса (несъедобная!), похожая на карамель, откуда и происходит название "карамельное топливо".

C6H14O6 + 3.345 KNO3 -> 1.870 CO2 + 2.490 CO + 4.828 H2O + 2.145 H2 + 1.672 N2 + 1.644 K2CO3 + 0.057 KOH

Топливо запресовывается в так называемые "топливные шашки" - цилиндры с отверстием. Размер шашек подбирается таким образом, чтобы во время работы двигателя топливо успевало выгореть равномерно во всех направлениях (в направлении от внутреннего канала к краю). Оптимальной длиной шашки внешним диаметром D и внутренним диаметром d является длина L=1.67D. Шашки в обязательном порядке запрессовываются\оборачиваются в так называемую "бронировку" - внешнюю негорючую оболочку шашки. Бронировка препятствует горению шашки по внешней поверхности, что недопустимо. Слишком большая площадь горения топлива может привести к разрушению двигателя.

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

Карамельное топливо горит сравнительно медленно, поэтому для создания тяги зажигание двигателя производится в дальней точке канала (противоположного от сопла). Немаловажными параметрами двигателя, кроме тяги, является критика сопла и рабочее давление. Чем больше давление в двигателе - тем больше тяга. Чем больше давление - тем выше скорость горения топлива. Настоящим вызовом в создании двигателя является задача создания такого решения, которое при минимальной массе корпуса будет держать максимальное давление и содержать наибольшее количество топлива.

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

megavolt_lab

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.

В качестве фюзеляжа будущей ракеты я выбрал пластиковую канализационную трубу диаметром 40 мм. Размеры двигателя соответственно определил с учетом этого параметра. Сперва я склеил из бумаги на жидком стекле 5 цилиндриков - бронировок будущих шашек.

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.

Один торец трубы я залил смесью эпоксидки с огнеупорной глиной, после чего просверлил по оси получившейся пробки отверстие диаметром 5 мм - будущее сопло. В корпус с трением вставились все 5 топливных шашек, после чего я задумался над тем, как буду осуществлять запуск двигателя. Нужен игнитор - воспламенительное устройство, срабатывающее от прохождения через него электрического тока. Самый очевидный способ - взять лампочку от китайской гирлянды, срезать верхнюю часть колбы, засыпать внутрь состав растолченных спичечных головок и зафиксировать капелькой клея.

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.

Стабилизаторы я вырезал из стеклотекстолита и приклеил к фюзеляжу на термоклей. При этом в боковой поверхности фюзеляжа я заранее вырезал неглубокие канавки - посадочные места стабилизаторов.

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 :)

Per aspera ad astra, или как я строил ракету. Часть 1. Делаем движки и запускаем ракеты

Эту знаменитую фразу К.Э.Циолковского не забывают и по сей день. NASA, ESA, Роскосмос, SpaceX и множество других космических компаний отправляют автоматические миссии на другие планеты, запускают людей в космос и стремятся воплотить в жизнь слова Константина Эдуардовича.

Но что делать, если разработка новой ракеты занимает долгое время, а запустить ее хочется здесь и сейчас? Тогда стоит заняться ракетомоделированием и самим построить и запустить ракету мечты. А о своем опыте проектирования ракет я с удовольствием вам расскажу в этой статье.

Вступление

Всем привет! В этой серии статей я хотел бы поделиться с вами моим опытом разработки и запусков моделей ракет, рассказать о своих первых неудачах и головокружительных успехах, о том как надо делать и как не надо. Я не буду вдаваться в подробности того, как построить ракету, потому что в интернете есть много гайдов по этой теме, а сделаю упор именно на личный опыт, дабы уберечь вас от моих ошибок и показать несколько моих интересных находок и решений.

Космосом я увлекся после того как побывал на программе Большие Вызовы 2017 ОЦ Сириус на направлении “Космические технологии и робототехника”. На ней наша команда разработала первый российский школьный спутник SiriusSat, который в 2018 году вместе со своим братом-близнецом был запущен с МКС во время выхода в открытый космос. Полезная нагрузка спутника — детекторы заряженных частиц и гамма-излучения. Конкретно моей задачей на программе было проведение испытаний спутника. Так как в лаборатории космических систем были установлены вибростенд и термобарокамера, то мы решили “протрясти” и “запечь” наш аппарат. Все испытания прошли успешно, наша команда защитила проект, и все довольные разъехались по своим городам.

SiriusSat-1 и SiriusSat-2. Ручка нужна для того, чтобы космонавт держал спутник

В общем на этой смене я и заразился тематикой космоса. Потом в 10 классе мне пришла в голову идея собрать свою ракету с какой-нибудь электроникой.

Первые попытки собрать движок

Сердцем любой ракеты является ее двигатель, поэтому сперва нужно было собрать его. Среди ракетомоделистов очень популярно карамельное топливо, из-за того, что оно легко в изготовлении и его компоненты (сахарная пудра и калиевая селитра) можно найти в любом городе.

“Карамелька” относится к классу твердотопливных ракетных двигателей, для которых не нужна система трубопровода и насосы. Грубо говоря это тот же фейерверк, только с стабилизированным и управляемым полетом, ну и в конце полета в идеале ничего не взрывается, а медленно спускается на парашюте. Основной частью двигателя является бак с топливом, который одновременно выступает и камерой сгорания. Топливо, сгорая в баке, выпускает реактивную струю высокой скорости в одну сторону и, благодаря закону сохранения импульса, толкает ракету в противоположную. Вообще теорию реактивного движения впервые описали К.Э.Циолковский, Р.Годдард и Г.Оберт в 20 веке, но, как бы то ни было парадоксально, первыми применили ее на практике китайцы в 200-х годах до н.э., открыв порох и изобретя фейерверк. В современных твердотопливных двигателях используются более совершенные топлива, например в боковом ускорителе Спейс Шаттла использовалась смесь перхлорат аммония, алюминия и оксида железа.

Схема простейшего ТТРД . Как видно, камеры сгорания как таковой нет, топливо сгорает в баке и выпускает струю газа через сопло

Калиевую селитру купил в ближайшем магазине удобрений, а сахарную пудру в продуктовом магазине. На тот момент надпись N — 13,6% и K2O — 46% меня не смутила, но из-за нее потом было очень много проблем, о которых я расскажу чуть позже.

Для изготовления корпуса мне понадобилась пластиковая водопроводная труба длиной 100мм и диаметром 10 мм, бентонит (наполнитель для кошачьего туалета), чтобы сделать заглушки и для утрамбовки самого топлива нужно было найти любую палку, свободно входящую в двигатель. Селитру, бентонит и сахарную пудру я на всякий случай по отдельности перемолол в ступе. Затем смешал калиевую селитру и пудру в соотношении 70% к 30%. Теперь необходимо было забить все компоненты в трубу следующим образом:

Засыпаем в трубу ложку перемолотого бентонита
Забиваем бентонитовую заглушку примерно на 10мм, при необходимости досыпаем бентонит. Важно плотно его утрамбовать, чтобы он не крошился и не высыпался из трубы
Утрамбовываем топливо примерно на 80мм. Его также нужно утрамбовывать плотно, по максимуму заполняя отведенное ему пространство в трубе. Чем больше топлива, тем больше тяга
Забиваем последнюю бентонитовую заглушку до конца трубы, аналогичным образом, как и первую
Высверливаем по центру на малой скорости в любой из заглушек отверстие глубиной примерно 50-70 мм. Так мы делаем своеобразное сопло

Серые части — бентонитовые заглушки, по центру — топливо

Для поджигания двигателя я сделал бикфордов шнур. Джутовую веревку отварил в растворе карамельного топлива, концентрацию взяв на глаз, примерно 2-3 чайных ложки на стакан воды. После варки необходимо дать шнуру высохнуть, и если пропорции раствора топлива были правильными, то на веревке будет белый налет карамельки. Двигатель и шнур для его поджига были готовы, а это значит, что предстояло провести его прожиг.

К сожалению фотографий первого двигателя и видео его испытаний у меня нет, но по итогу он не взлетел, но знатно дымился на стартовом столе.

Выводы:

Температура горения была высокой, из-за чего начала плавиться пластиковая труба, и было решено, что корпуса следующих движков нужно делать из металла
Сопло постоянно забивалось остатками продуктов горения, из-за чего могло повыситься давление в двигателе и ракета просто взорвалась бы, а rapid unscheduled disassembly никому не нужна. На тот момент я подумал, что это из-за неправильной пропорции селитры и из-за того, что сахарная пудра была не чистой, поэтому в следующих движках решил поэкспериментировать с пропорциями и заменить сахарную пудру на чистый сахар

It's alive!

Покопавшись в интернете, я примерно понял в чем была проблема первого движка. Из-за трамбовки топливо распределялось неравномерно, в нем образовывались полости, и оно было неоднородно из-за чего процесс горения был очень вялым и вместо ракеты получилась хорошая дымовая шашка. Решение проблемы было простое — забить в трубу сваренное карамельное топливо. В качестве корпуса взял металлическую штангу для ванной и решил поэкспериментировать с пропорциями топлива и с добавкой оксида железа 3 (то есть обычной ржавчины), потому что он должен был увеличить скорость горения.

Примеры чистого карамельного топлива и с добавлением ржавчины. Источник

Движки я сделал поменьше, так как не видел смысла в изготовлении полноразмерного варианта, так же, как и не видел смысла в заглушках и сопле, на скорость горения топлива повлиять они не должны были, потому что все испытуемые были в равных условиях окружающей среды.

Прежде чем варить топливо, поговорим о технике безопасности, ведь карамелька легко воспламеняется и горит очень резво. Варить топливо нужно только на электрической плите, на газовой плите или любом другом источнике открытого огня готовить топливо нельзя. Кстати, в недавнем взрыве склада пиротехники в Бейруте по официальным данным воспламенилась именно селитра, так что будьте крайне осторожны при варке.

Топливо варил на электрической плите в блиннице до цвета и консистенции сгущенки. Блинница тем хороша, что в ней все ингредиенты равномерно нагреваются и не пригорают.

В итоге у меня получилось несколько подопытных:

Движки с перемолотым в ступке и сваренным карамельным топливом
Движки с измельченным в кофемолке и сваренным карамельным топливом
Движки с измельченным в кофемолке и сваренным карамельным топливом с добавлением 1% оксида железа 3

В этот раз все движки загорелись и горели они очень хорошо, что конечно же порадовало
Ржавчина увеличивает скорость горения. Для сравнения двигатель 55/45 горел примерно 35 сек, а 54/45/1 уже 26 сек;
Измельчение в кофемолке существенно не прибавило скорости горения
Даже с заменой сахара в двигателях оставалось много не сгоревшего вещества (черное и белое вещество в “бочонках” на последней фотографии), состав которого был не известен

Что в итоге?

А в итоге у нас плохо работающие движки. Основная их проблема — неполное сгорание топливной смеси (о последствиях этого я писал выше). Также подкачала и скорость горения. И вот тут-то всплывает злополучная надпись N — 13,6% и K2O — 46% на упаковке селитры, потому что, скорее всего калиевая селитра для удобрений нечистая, и оставшиеся 40,4% это какие-нибудь примеси, которые и стали причиной плохой работы двигателей.

Если вы смотрели недавнюю серию роликов Амперки Ракета против Лехи, то вы заметили, что они использовали химически чистую калиевую селитру. Благодаря ей у них прогорело все топливо, да и скорость горения была выше (2,85 мм/сек против моих 1-1,25 мм/сек). Ну и еще одним минусом самодельных движков является то, что неизвестна их тяга, а я в будущем хотел бы рассчитывать параметры полета ракеты.

По итогу могу сделать вывод, что на калиевой селитре для удобрений движок не построишь. В общем, на такой грустной ноте я закончил разработку своих движков, и стал искать тех, кто делает и продает готовые движки.

Строим ракету

Двигатели я купил на сайте Real Rockets. Так как вместе с этими двигателями поставляется и электрический воспламенитель, то нужно было собрать пульт для запуска, ну и саму ракету конечно же. В том же магазине приобрел картонные трубы для корпуса.

На просторах интернета нашел схему для пульта и немного переделал ее, чтобы от прозвонки случайно не зажегся движок, и в итоге схема получилась такой:

Корпус сделал из ПВХ листов, внутри разместил спаянную схему, провода к воспламенителю (на схеме R2) вывел на зажимы. К проводу зажигания припаял крокодильчики, которые и подключались к воспламенителю.

Внутренности пульта для запуска

Собранный пульт вместе с проводом зажигания

Ну и как любую космическую систему, пульт необходимо было испытать, да и неплохо было бы посмотреть как вообще работают готовые движки.

Чтобы ракета летела вертикально вверх я решил спроектировать ее в программе Open Rocket, а затем напечатать на 3D принтере все детали. С помощью функции оптимизации ракеты я подобрал форму и размеры обтекателя и стабилизаторов исходя из размеров картонной трубы, обтекателя (в него я хотел установить альтиметр, о котором расскажу в следующей части), массы и тяги двигателя и его крепления. Но сперва необходимо было добавить используемый движок.

Чертеж ракеты в Open Rocket

В базе данных Open Rocket есть только американские двигатели, но если вы хотите использовать двигатели других производителей, то можно добавить их в программу. Сделать это довольно просто, я бы даже сказал увлекательно:

Находим кривую тяги двигателя, в моем примере мы будем добавлять двигатель РД1-20-5 от Real Rockets
"
Кривая тяги двигателя РД1-20-5
Скачиваем программу ThrustCurve Tracer для рисования новой кривой тяги
Открываем программу и жмем кнопку Open Image в левом верхнем углу и выбираем фотографию кривой тяги нашего двигателя
Жмем кнопку Setup Grid и настраиваем оси следующим образом
- В X axis вписываем начальное и конечное значение времени, в моем случае 0 — 1.2 с
- В X sub-subdivisions вписываем число вертикальных линий между нулем и конечным временем, в моем случае 2
- В Y axis аналогично X axis только вписываем значения тяги, в моем случае 0 — 30 Н
- В Y axis sub-subdivisions аналогично X axis sub-subdivisions только вписываем количество горизонтальных линий, в моем случае 2
Выравниваем наложенную сетку с сеткой фотографии
Жмем кнопку Draw points и начинаем ставить точки на кривой. Вы увидите, что их будет соединять красная линия, которая и должна совпадать с кривой. Вы можете ставить точки в произвольном порядке, главное чтобы последняя точка была на нулевом значении тяги (просто на этом времени тыкните мышкой куда-нибудь за нижнюю границу сетки)
Если вы правильно расставили точки, то снизу увидите галочку

Найти подходящую форму обтекателя и стабилизаторов можно с помощью функции оптимизации ракеты (Анализ -> Оптимизация ракеты). Для этого их нужно сначала добавить к нашей ракете и указать их материал, чтобы программа учитывала и их массу.

Добавить свой материал тоже просто. Для этого в разделе материалы (Правка -> Настройки -> Материалы) нажимаем Новый и добавляем данные о материале. Если вы так же, как и я печатаете детали на 3D принтере, то плотность при данном заполнении пластиком можно узнать, вспомнив школьные лабораторные работы по физике: в мерный стакан наливаем воды, опускаем деталь и по разности объемов находим объем детали, на весах измеряем массу детали, делим второе на первое и получаем плотность.

В параметрах самих стабилизаторов и обтекателя выбираем наш материал и начинаем их оптимизировать. Конечно, иногда программа выдает страшные формы деталей, поэтому нужно ограничивать максимальные и минимальные значения, которые вы оптимизируете.

Также не стоит забывать о стабильности, потому что от нее зависит, завалится ли на бок ваша ракета во время полета или полетит строго вверх. Если не вдаваться в физические формулы, то стабильность — это расстояние в диаметрах корпуса (калибрах) от центра давления до центра тяжести. Open Rocket умная программа и за нас рассчитывает их положение, поэтому нам остается только следить за значением стабильности. В идеале стабильность вашей ракеты должна быть 2-3 калибра, поэтому в оптимизации ракеты не забываем поставить ограничения и на эту характеристику.

Читайте также: