Как сделать сопло для ракеты
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.
Per aspera ad astra, или как я строил ракету. Часть 1. Делаем движки и запускаем ракеты
Земля – колыбель человечества, но нельзя вечно жить в колыбели
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.
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:
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:
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.
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:
Выводы:
Что в итоге?
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:
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.
Когда форма стабилизаторов и обтекателя были рассчитаны, предстояло их смоделировать и отправить на печать. Также я смоделировал и крепление для двигателя.