Einführung
Hallo! Wir sind das Team des Amperka YouTube-Kanals im Studio und haben Videos zu Projekten und Eisenstücken gesehen. Irgendwann änderte sich jedoch alles.
Unter dem Schnitt - die Geschichte des Baus unserer Rakete.
Es war Frühling 2020 und die Selbstisolierung
Da es nicht möglich sein wird, ein so ernstes Projekt auf einmal durchzuführen, werden wir es der Einfachheit halber in seine Bestandteile unterteilen (die Liste wird während unserer Arbeit aktualisiert):
- Teil 1. Die Theorie der Raketentriebwerke. Süßigkeitstreibstoff
- Teil 2: Motorgehäuse, Düsenberechnung
- Teil 3: Drehen, Standfinish, Elektronik
Wir bitten Sie auch zu berücksichtigen, dass Artikel wie Serien nicht nach den abgeschlossenen Phasen veröffentlicht werden, sondern nach der Zeit, dh dem, was wir in einer Woche getan haben, schreiben / zeigen wir.
Die Raketenwissenschaft ist im Allgemeinen eine komplexe, komplexe und facettenreiche Wissenschaft. Wir hatten keine relevante Erfahrung, wir haben keine Institutionen in dieser Richtung absolviert, aber wir haben Hände, einen Kopf, einen Wunsch - und das ist schon viel, also, wie Juri Alekseevich sagte, lass uns gehen.
TTRD-Theorie
Was ist Jet-Antrieb (für diejenigen, die plötzlich nicht wissen), werden wir nicht viel sagen: Kurz gesagt, dies ist Bewegung aufgrund des Werfens der Masse in die entgegengesetzte Richtung von der Bewegungsrichtung. Wir werden nicht über alle Arten von exotischen Konstruktionen von Motoren wie Nuklearmotoren, Ionenmotoren und ähnlichen Motoren sprechen - eine ist nicht für die Arbeit in der Atmosphäre ausgelegt, andere sind zu komplex und unter Amateurbedingungen usw. nicht reproduzierbar, daher konzentrieren wir uns auf einfache Konstruktionen, die jedoch einem einfachen Laien zugänglich sind , die, falls gewünscht, fast zu Hause wiederholt werden kann, nämlich chemisch. In solchen Triebwerken wird der Strahl aufgrund der chemischen Reaktion des Kraftstoffs und des Oxidationsmittels erhalten (in einigen Fällen kann Luftsauerstoff die Rolle des Oxidationsmittels spielen).
Daher werden chemische Motoren (CRD) entsprechend dem Gesamtzustand des Kraftstoffs in flüssige (LPRE) und feste Brennstoffe (TTRD) eingeteilt, sodass wir aus ihnen auswählen werden. LPREs sind sehr praktisch, da sie es Ihnen ermöglichen, den Schub zu steuern, erfordern jedoch die Verwendung komplexer Düsensysteme im Brennraum und nicht weniger komplexer Kraftstoffversorgungssysteme in ihrer Konstruktion. Die Entwicklung eines Flüssigkeitsraketentriebwerks allein, selbst des primitivsten, wird Monate dauern, und daher ist dies nicht unsere Option. Eine Alternative kann ein Turbostrahltriebwerk sein, da es einfach zu konstruieren ist und den Kraftstoffbedarf erheblich senkt. Ja, wir werden Heißhunger nicht genau dosieren können. Genauer gesagt, wir werden es überhaupt nicht dosieren können. Es gibt jedoch einige Aspekte, auf die wir spielen können, und dies wird weiter diskutiert.
Gemischte Kraftstoffe
Der allererste und dementsprechend primitive Treibstoff für Raketen war Schießpulver: zuerst rauchig und dann rauchfrei. Die Chinesen, die sich diese brennbare Mischung ausgedacht hatten, erkannten schnell, dass sie nicht nur einen Knall und viel Licht erzeugen, sondern auch das Projektil schieben und allmählich darin brennen kann. Natürlich macht es wenig Sinn, es ist nur für Feuerwerkskörper geeignet, und der spezifische Impuls lässt zu wünschen übrig. Die Entwicklung von rauchfreiem Pulver ist zu homogenen (einkomponentigen) Formulierungen auf Nitrocellulosebasis geworden. Sie sind in Lagerung und Betrieb recht unprätentiös und auch sehr umweltfreundlich, haben aber immer noch den gleichen Nachteil in Form eines schwachen spezifischen Impulses.
Gemischte Zusammensetzungen von Kraftstoff und Oxidationsmittel zeigen viel bessere Ergebnisse. Am häufigsten werden als solches Oxidationsmittel aus Perchloraten mit einem Kraftstoff aus Metall- und Polymerpulver oder „Karamellbrennstoff“, der in den Kreisen der Amateurmodellbauer weithin bekannt ist, in denen Nitrate (Salpeter) und komplexe Kohlenhydrate (Zucker, Sorbit) als Oxidationsmittel verwendet werden ... Es sind genau die letzten beiden Optionen (Perchlorat und Karamell), die wir als Testpersonen für unsere Rakete ausgewählt haben.
Motorberechnung
Das wichtigste Merkmal von festen Brennstoffen ist seine Verbrennungsrate, häufig ist dieser Wert eine Konstante für eine bestimmte Brennstoffzusammensetzung. Die Verbrennung breitet sich über die Oberfläche aus. Wenn wir einfach das Ende des zylindrischen Brennstabs in Brand setzen, erhalten wir eine durchgehende Verbrennung, die langfristig zu einem gleichmäßigen Ausbrennen führt. Es funktioniert jedoch nicht, einen ausreichenden Schub zu erhalten, um die Rakete in die Luft zu heben. Um die Effizienz zu erhöhen, ist es notwendig, einen Kanal in dem Kraftstoff zu bilden, durch den sich die Verbrennung ausbreitet, wodurch seine Fläche vergrößert wird. Es sollte auch berücksichtigt werden, dass sich beim Ausbrennen des Kanals das Kanalprofil ändert, daher ändert sich die effektive Fläche. Sie können natürlich lange Zeit mit verschiedenen Profilen experimentieren. All dies wurde jedoch bereits vor uns durchgeführt und ist in einem praktischen Software-Toolkit enthalten.
Sie können alle erforderlichen Parameter in das Programm eingeben und die Schubgraphen abrufen, die die Rakete entwickeln wird. In der Spalte Kornkonfiguration befindet sich unter dem Fragezeichen ein beschreibendes Handbuch zu verschiedenen Kanalprofilen.
Empirisch haben wir unter Verwendung verschiedener Kanalkonfigurationen die optimalen Parameter für unsere Rakete gefunden. Um die gleichen Indikatoren zu erhalten, müssen Sie die folgenden Werte eingeben:
Wir haben die Form des Kanal-Mondbrenners gewählt. Smart Meteor hat unter Berücksichtigung der eingegebenen Daten das folgende Diagramm für uns erstellt:
Aus diesem Diagramm geht hervor, dass der Motor von Anfang an einen guten Kick erhält und während der gesamten Betriebszeit eine sehr gute Traktion entwickelt. Nach den Berechnungen des Programms betrug der Spitzenschubwert bei einem Spitzendruck von 24,5 bar fast 312 N. Die Durchschnittswerte betrugen etwa 265 N bzw. 19,5 bar.
Ein weiterer unbestreitbarer Vorteil des Programms ist die Möglichkeit, die berechneten Werte direkt in ein anderes Programm zu exportieren, das für uns nicht weniger nützlich ist - OpenRocket , mit dem wir die Stabilität der Rakete, des Hecks, des Ausgleichs und anderer wichtiger Indikatoren berechnen. Dies wird jedoch in der nächsten Serie geschehen .
Ein unerfahrener Raketenwissenschaftler lebt jedoch nicht nur mit Treibstoff. Die Düse ist ebenso wichtig. Nach diesem Prinzip werden Rollwege in düsenlose und düsenlose unterteilt. Letztere haben technisch gesehen eine Unterschalldüse, die im Wesentlichen nur ein Loch oder ein Kegel im Boden des Motors ist. Es wird Unterschall genannt, weil die durchströmenden Gase die Schallgeschwindigkeit nicht erreichen und noch mehr überschreiten können, egal wie stark der Druck in der Brennkammer ansteigt, die Hydrodynamik sagt uns darüber. Und Physik kann, wie Sie wissen, nicht mit Füßen getreten werden. Aufgrund ihrer Einfachheit werden solche Düsen jedoch sowohl in kleinen Amateurraketen als auch in Feuerwerkskörpern eingesetzt. Aber wir machen eine Rakete, was bedeutet, dass Unterschalldüsen nicht unser Weg sind.
Eine alternative Lösung ist die Überschalldüse oder, wie sie auch vom Erfinder genannt wird, die Laval-Düse. In einer vereinfachten Version wird es durch zwei Kegelstümpfe dargestellt, die durch schmale Enden konjugiert sind. Die Schnittstelle wird als kritischer Punkt bezeichnet.
Das Funktionsprinzip ähnelt dem Prinzip, nach dem der Kühlschrank arbeitet: Gase, die durch einen „engen Hals“ gelangen und in ein großes Volumen gelangen, werden stark abgekühlt, wodurch ihr Volumen abnimmt, was zu einer Erhöhung der Abflussrate führt. Infolgedessen erhalten wir aufgrund des Unterschieds im Durchmesser des Auslasses am Auslass einen Gasstrahl, der sich mit Überschallgeschwindigkeit bewegt. Mit der Laval-Düse steigern wir somit den Wirkungsgrad der Rakete erheblich.
Übrigens führt Meteor Berechnungen durch, unter der Annahme, dass eine Überschalldüse am Motor installiert ist, deren Berechnung und Herstellung auch für die nächste Version verbleibt.
Wenn wir also die Eigenschaften, Parameter und Abmessungen des Motors haben, können wir mit dem Kochen von Kraftstoff beginnen.
Kraftstoffsticks herstellen
Unser erster Brennstoff wird Karamell sein, wir werden aus Sorbit und Kaliumnitrat kochen. Sorbit ist rezeptfrei erhältlich und wird als Süßungsmittel verwendet. Kaliumnitrat ist in der Gartenabteilung zu finden, aber dort ist es ziemlich schmutzig, deshalb haben wir in Ruskhim ein h / chda gekauft .
Der einfachste Weg besteht darin, die Komponenten zu einem Zustand feinen Pulvers zu mahlen und zu mischen. Dann bleibt der Kraftstoff jedoch frei fließend und behält seine Form nicht bei. Beschlossen, die Komponenten miteinander zu verschmelzen. Einige furchtlose Amateure tun es in Pfannen, am offenen Feuer, sogar am Feuer, aber unsere Finger und Augen sind uns lieb. Wir müssen eine temperaturgesteuerte Heizung und ein Sandbad herstellen, für die wir Folgendes benötigen:
- der billigste Elektroherd von Leroy
- Halbleiterrelais
- Thermoelementmodul vom Typ K.
- Arduino
- Potentiometer
- Anzeige
- Verdunstungsschale
- Auflaufform von FixPrice
SandSalz
Wir werfen den nativen Regler aus dem Ofen und setzen ein Halbleiterrelais in den Schnitt ein, das wir über Arduino steuern, an das wir ein Display und ein Potentiometer anschließen, um die aktuelle Temperatur zu sehen und einstellen zu können. Machen Sie ein Loch in die Auflaufform und setzen Sie das Thermoelement ein. Füllen Sie die Form etwa zur Hälfte
Meteor hat die Kraftstoffmasse, die 838 g betrug, sorgfältig berechnet. Nehmen wir sie mit einem gewissen Abstand, sie wird sich immer noch als nützlich erweisen. Es wurde beschlossen, eine Kraftstofffüllung aus mehreren Teilen vorzunehmen, um die Herstellung zu vereinfachen. Dann können Sie sie einfach zusammenkleben und in das Motorgehäuse einsetzen.
Vergessen Sie nicht die Sicherheitsvorkehrungen : Es dürfen keine offenen Feuerquellen, heißen Gegenstände oder Gegenstände in der Nähe des Kraftstoffs vorhanden sein, die einen Brand verursachen können.
Wir nehmen 65 Gew .-% Kaliumnitrat und 35% Sorbit, gießen es vorsichtig in eine Schüssel und geben etwas Wasser hinzu. Dies wird die Nerven beruhigen und die Notwendigkeit beseitigen, die Komponenten zu Staub zu zermahlen, da sie sich bereits auflösen und sich gut in Wasser mischen. Wir setzen es ins Feuer, stellen die Temperatur ein und warten unter ständigem Rühren. Allmählich schmilzt der resultierende Brei und wird wie Haferflocken. Es muss gewartet werden, bis alles überschüssige Wasser verdunstet ist (dies kann durch die abgesetzte Freisetzung von kochenden Blasen verstanden werden).
Dann müssen wir entschlossen handeln: Wir werden Kraftstoff in ein vorbereitetes PVC-Rohr für die Wasserversorgung drücken, das in einem Halter mit einer internen Befestigung für eine runde Achse befestigt ist.
Nach dem Entfernen der Achse haben wir nur einen Sicherungskanal über die gesamte Länge des Prüfers. Es ist bequem, mit einem Bohrerhalter einzudrücken, dieser wurde im Studio sehr gut gefunden. Es ist wichtig, den Kraftstoff so einzudrücken, dass sich keine Blasen und Hohlräume im Prüfer befinden. Andernfalls wird die Verbrennung später beeinträchtigt.
Wir legen das Rohr mit Kraftstoff beiseite und lassen es abkühlen. Dann kann es gesägt und der Checker herausgenommen werden. Wir haben mehrere Stücke gemacht, wir werden eines davon zu Versuchszwecken verbrennen.
In der nächsten Folge werden wir uns mit dem Motorgehäuse, der Düse und dem Prüfstand befassen.
In der Zwischenzeit bereiten wir es vor. Ich empfehle, das folgende Buch über das Entwerfen von Raketen zu lesen . Die meisten Informationen wurden daraus gewonnen.
Die ganze Serie als Ganzes: