Как сделать двигатель для модели ракеты
Ракета от Амперки, часть 2: корпус двигателя, расчет сопла
Мы продолжаем строить нашу ракету. Прошла неделя, выкладываем отчет по тому, что было за это время сделано.
Для тех, кто зашел в тред впервые, прошу ознакомиться с предыдущим выпуском.
Корпус двигателя
Исходя из полученных данных по давлению газов в камере сгорания, нужно было подобрать соответствующий этим требованиям материал для корпуса. Пиковое значение давления у нас достигает почти 25 бар. Не мудрствуя лукаво и стараясь уйти от применения сложных материалов, где это возможно, решили принять на вооружение стальную трубу ДУ-40 с толщиной стенки в 3 мм. Соответствующая труба была успешно закуплена в первом попавшемся металлопрокате на рынке. К сожалению, склад продукции железячников находился под открытым небом, поэтому труба была несколько ржавая.
Чистка при помощи наждачки и «лепестковой палки» авторства Лёши (передаем привет Доктору Дью) не дала нормального эффекта, да и лень было убивать на это время. Почему бы для этого не попробовать химический метод. Из химикатов, находившихся в пешей доступности, была только уксусная эссенция, лимонная кислота и соль, все закуплено в ближайшем продуктовом. Как назло, не нашлось подходящего тазика, в который можно было бы налить ядрёную смесь и замочить трубу, пришлось соорудить его дендрофекальным методом из других ящиков, используя их в качестве опоры, а между ними сделать ванночку из пленки, оставшейся после дирижабля, которую закрепили канцелярскими зажимами. Положили в этот хрустящий саркофаг трубу и залили ускусной кислотой, а для большего эффекта добавили растворенной в воде лимонки с солью.Реакция началась мгновенно.Довольные собой, мы оставили трубу травиться и с чистой совесью ушли на выходные.
Запах, встретивший нас в понедельник, выедал глаза и нос. Да, зря не накрыли ничем ванну. Запах уксуса, казалось, въелся в стены. Даже открытые настежь окна не спасли, потом еще дня два пришлось проветривать студию, так что не повторяйте наших ошибок: такие вещи лучше делать либо на открытом воздухе, либо в плотно закрытой таре. Тем не менее, результат очистки трубы оказался вполне удовлетворительным: труба очистилась как снаружи, так и изнутри. Имейте в виду, после применения химической очистки нужно хорошо промыть водой и вытереть насухо очищаемый предмет, иначе он на воздухе быстро покроется мутной пленкой. Еще лучше — защитить поверхность от контакта с воздухом при помощи краски, лака или аэрозольного полиуретана. Но это исключительно наши эстетические соображения.
Расчет сопла
Сопло является главным элементом ракетного двигателя (ваш К.О.), так как в зависимости от правильности его расчета можно на одном и том же топливе с тем же каналом получить до +30% тяги.
К расчету сопла мы подошли основательно, подробно о математике его расчета, принципе работы, протекающих процессах, да и вообще, много интересного, можно почитать тут и elib.osu.ru/bitstream/123456789/8572/1/1805_20110824.pdf. А еще на сайте нашелся очень удобный инструмент Rocki-nozzle (на странице листаем вниз и ищем соответствующую ссылку).
Скачиваем программу, подставляем в соответствующие поля расчетные значения ракеты, полученные в Meteor (см. статью) и получаем на выходе профиль сопла. Обрабатываем данные и в SolidWorks рисуем красивое сопло с соблюдением всех размеров.
Дальше должна была быть токарочка, но в этот выпуск она не попадет, так как у моего знакомого токаря ЧПУ-шка отказалась работать и мы не могли к нему попасть. Но к следующей серии все обязательно будет.
Скачать полученную модель можно по ссылке в конце статьи.
Испытательный стенд, механическая часть
Перед запуском ракеты мы хотели провести замеры тяги на стенде, дабы сравнить реальные диаграммы с теми, что нам посчитал Meteor и проверить, насколько можно верить его расчетам. В принципе, вопрос о стенде поднимался уже давно и его решение было неизбежным, и, какобычно, методом проб и ошибок.
Первой версией было использование в качестве чувствительного элемента кухонных весов на 10 кг с прикрепленным к оси стрелки потенциометром. Весы были успешно куплены в интернет-магазине и разобраны для удобства использования. Но к этому моменту появились расчеты тяги и понимание, что диапазона измерений в 10 кг будет мало, а вносить погрешность в виде рычагов не хотелось.
Затем пришел вариант 2: использовать аналоговые (с вращающимся диском) напольные весы для людей. При разборке внутри оказалась дохленькая пружина и система рычагов, крайне неподходящая для использования на стенде.
Вариант 3. Долго не хотелось его применять из-за низкой скорости измерений, однако, пришлось. Тензодатчики. Поскребав по сусекам, нашел дома несколько тензодатчиков на 50 кг и модуль на микросхеме HX711.
Основная проблема в том, что тензодатчики оказались не мостовые, а полумостовые. Ну что ж, придется ставить 2 шт. С другой стороны, это даже плюс: получим стенд, способный измерять тягу до 100 кг, а разрешение АЦП в HX711 24бит позволит производить замеры с достаточно высокой точностью. По крайней мере, согласно нашим расчетам. Как будет на самом деле, проверим самым точным методом — эмпирическим.
Тем временем, Лёша собрал каркас стенда из профильной трубы 20х20, стальных направляющих и линейных подшипников. Сначала подумали, что можно поставить испытуемый двигатель таким образом, чтобы вектор его тяги был направлен вниз, то есть, в землю, однако отказались от этой идеи в пользу точности измерений, так как на старте у нас на датчик будет давить вес самого двигателя, который будет уменьшаться по мере прогорания топлива. Вместо этого решено было направить вектор тяги параллельно земле, а от сдвигания вперед стенд защитим фиксацией при помощи вбитой в землю арматуры или анкеров. Ну, или к валуну прижмем — будем посмотреть по месту проведения испытаний.
В следующей серии планируем полностью собрать стенд, прикрутитьк нему электронику, собрать двигатель, снарядить топливом, поставить на стенд и выехать в безлюдные места для проведения огневых испытаний. Оставайтесь с нами — будет много интересного.
Видео во статье можно посмотреть вот тут:
Как сделать двигатель для модели ракеты
1) ничего не делать «на глаз».
Необходим простейший набор измерительных и чертежных инструментов: линейка, штангенциркуль, карандаш.
Корпус двигателя делается из 10-ти слоев высококачественной офисной бумаги. Для этого из стандартного листа А4 отрезаются по длине две полоски шириной 69 мм. Далее берется оправка – ровный гладкий и прочный, лучше металлический, стержень (или трубка) длиной более 80 мм и диаметром 15 мм. Чтобы корпус не прилипал к оправке, можно отрезать кусок широкого скотча по длине оправки и накатать его на оправку в поперечном направлении. Затем на оправку наматываются последовательно полоски бумаги, которые в процессе намотки обильно, без пропусков, промазываются силикатным клеем. Прилегающую к оправке сторону первого витка промазывать клеем, конечно, не надо.
Наматывать, точнее, накатывать бумагу надо на твердой ровной поверхности, так, чтобы витки ложились друг на друга практически без сдвига и очень плотно, без пузырей. Подложите газетный лист, чтобы не только сохранить в чистоте поверхность, но и убрать излишки клея, выделяющиеся в процессе накатки. Чтобы не было сдвига витков, я рекомендую сначала накатать полоску «всухую», так чтобы она правильно пошла, затем сделать аккуратный «откат» до первого витка, не отрывая оправку от стола, затем опять начать накатку уже с промазкой клеем. Обязательно надо промазать начальный край полоски так, чтобы он четко приклеился на первом витке. Нужен, конечно, некоторый опыт, чтобы эта операция удалась. Однако некондиционные корпуса не выбрасывайте. Они пригодятся для подгонки диаметра сопла, заглушки, для изготовления разных кондукторов и стопорных колец. После того как полосы проклеены, можно прокатать корпус на оправке с помощью ровной досочки, чтобы уплотнить витки. Делать это надо только в направлении намотки.
После этого неплохо прогнать еще сырой корпус через внешнюю оправку – металлический цилиндр с внутренним диаметром 18 мм. Корпус движка должен достаточно плотно проходить через эту оправку, этого надо добиться обязательно, поскольку в дальнейшем придется проводить набивку корпуса топливом, что без плотно сидящей внешней оправки делать нельзя. Если такую трубку найти не удастся, надо будет изготовить внешнюю оправку намоткой не менее 15-ти слоев офисной бумаги на уже готовый корпус двигателя, так – же на силикатном клею. Слегка подсушив корпус, надо снять его с оправки предварительно провернув против намотки. Дальше, пока корпус полностью не высох надо вставить с одной стороны готовое сопло. Для этого конечно необходимо, чтобы сопло уже было подготовлено.
Итак, изготавливаем сопло. Рекомендую сделать сразу два сопла, далее будет понятно почему. Обычно несложно найти деревянный стержень диаметром 16-18 мм, лучше из твердого дерева вроде бука или граба. Аккуратно торцуем его, т.е. делаем ровный перпендикулярный оси спил на одном конце. Для этого надо отрезать ровную полосу ватмана, шириной
100мм и плотно намотать на стержень точно виток над витком. По краю этой намотки постепенно поворачвая стержень и удерживая ватман на месте делаем круговой пропил. Слегка зачистив шкуркой место спила получаем четкий торец. Здесь мы подошли вплотную ко второму правилу, непосредственно вытекающему из первого:
3) строго соблюдать соосность всех центральных каналов и осевую симметричность всех деталей ракеты.
Конечно, это правило интуитивно понятно, но частенько про него забывают.
Гарантий, что канал сопла направлен строго по оси нет, поэтому делаем простейший кондуктор. Для этого с противоположной стороны корпуса двигателя вставляем еще одно сопло(которое мы приготовили для заглушки), без клея естественно, и соединяем оба сопла металлическим стержнем диаметром 4,0мм. Соосность обеспечена.
Давление при работе в таком несложном движке может достигать 10 атмосфер, поэтому надеяться, что клей удержит сопло, мы не будем, а сделаем так называемую «перетяжку». Для этого делаем круговую линию на корпусе, отступив 6мм от края движка со стороны сопла, отметив, таким образом, положение боковой проточки сопла.
Далее берем прочную капроновую веревку толщиной 3-4 мм, привязываем ее к чему-то прочно-неподвижному, я, например, к гире 20 кг которую еще удерживаю ногой. Делаем один оборот веревки по отмеченной линии и, удерживая движок перпендикулярно веревке, сильно натягиваем. Чтобы не порезать руку можно привязать к концу веревки какую-нибудь палку. Операцию повторяем несколько раз, провернув движок относительно оси, пока не образуется четкая канавка-перетяжка. Промазываем ее клеем и наматываем 10 витков х/б нитки №10. Нитку сверху промазываем еще раз клеем. Для завязки нитки очень удобно использовать рыбацкий узел. Теперь можно считать сопло полностью установленным, надо только хорошенько просушить корпус двигателя не менее суток.
Топливо.
Непосредственно назрел вопрос о топливе. Конечно, его надо решить в первую очередь, перед тем как приступать к производству ракеты, но я веду рассказ, так сказать, в порядке логической очередности. Соблюдать этот порядок при изготовлении ракеты конечно не обязательно. Самым доступным, безопасным и одним из самых эффективных считается карамельное порошковое топливо, состоящее из смеси тонко измельченного сахара 35% и калиевой селитры 65%. Процентовка только по весу. Достать компоненты несложно. Про сахар я не говорю, а селитру ищите в садоводческих магазинах и рынках. Лучше всего, конечно, купить качественную селитру в специализированной фирме (Русхим, Вектон). Точное соблюдение весовых соотношений обязательно. Отсюда и четвертое правило:
Мне могут возразить, что, например, весовые соотношения могут варьироваться в некотором диапазоне. Но, во-первых, данное соотношение оптимально, поскольку проверено и применяется многими «профи», во-вторых, наша задача кроме изготовления хорошо тянущего топлива, обеспечить еще и повторяемость результатов. Только при таком условии можно вести отработку конструкции ракеты, добиваясь максимальных результатов.
Однако вернемся к нашим баранам. Компоненты сначала надо тщательно измельчить. Мельчить сахар совсем не обязательно – можно просто купить сахарную пудру. А вот селитру придется не только измельчить – где-то 30-40 сек в кофемолке, заходами по 15-20 сек – но и предварительно хорошенько просушить. Сушить можно на верхней полке духовки на самом маленьком огне при приоткрытой дверце в течение не менее получаса, рассыпав селитру нетолстым слоем на бумажном листе. Затем компоненты надо отвесить. Именно на этом моменте «молодежь» часто допускает вольности, отмеряя компоненты по объему на глаз. Это грубое нарушение правила №4. Отсутствие весов – не аргумент. Ведь компоненты топлива смешиваются «в пропорции», т.е. сам вес нам не нужен, нужно соотношение. Короче, у кого нет, срочно делаем весы. Нам надо всего около 11г топлива на один движок. Так чтоб с запасом надо сделать около 15г.
Когда компоненты отмерены, можно их смешать. Есть несколько способов перемешивания. К сожалению они все имеют недостатки. Лучший результат дает перемешивание в кофемолке, секунд 30, но этот способ считается опасным, поскольку возможно возгорание смеси. Неплохой результат дает активная тряска компонентов в закрытой стеклянной банке в течение 3-5мин. Такой способ полностью безопасен. Готовое топливо надо засыпать в герметично закрывающуюся банку, типа майонезной, во избежание отсыревания оного. Правило пятое:
Для этого прессуем небольшую тонкую таблетку-лепешку из топлива и в безопасном месте на гладкой негорючей поверхности поджигаем ее с одного края. Таблетка должна гореть активно, пламя должно иметь четкую направленность, сама таблетка должна вести себя беспокойно, норовя сорваться с места. После сгорания не должно остаться практически никаких шлаков. Такое топливо можно считать подходящим.
Если корпус движка просох можно приступать к набивке. К этой операции я призываю отнестись с максимальной серьезностью. От качества ее проведения зависит не только качество работы движка, но и само его существование. Проще говоря, некачественная набивка может привести к взрыву.
14,5мм) прочного стержня с плоским торцом и молотка прессуем эту порцию. Здесь важно, чтобы порции топлива были все время одинаковыми – приблизительно объем маленькой ложечки от мороженного Баскин-Роббинс «с горкой», чтобы удары молотком шли по нарастающей от слабого к довольно сильному, и количество их было одинаковым. Движок при этом надо удерживать на столе вертикально без перекосов, дабы не повредить его. Продолжаем эту нудную, но ответственную операцию до тех пор, пока до верхнего края движка останется незаполненным 12 мм по высоте. Высота топливного заряда будет составлять 45 мм. Аккуратно почистив стенки свободного объема, берем заглушку, смазываем силикатным клеем и вставляем ее в верхнюю часть. Не вынимая корпус из внешней оправки, подпрессовываем молотком заглушку пока она плотно не сядет на топливо. Теперь достаем движок из оправки и делаем перетяжку на корпусе, фиксирующую заглушку, по схеме, описанной для сопла. Единственное, что надо будет предварительно сделать, это, поскольку корпус уже приобрел приличную прочность, сначала продавить его по линии отметки перетяжки каким-нибудь металлическим предметом имеющим тонкую, но не острую кромку. Можно воспользоваться стальной проволокой 2мм (спица от велосипеда). Обязательна обмотка нитками на клею в месте перетяжки.
Если наша заглушка делается из второго сопла, т.е. имеет «технологическое» отверстие, то напоминаю, надо либо переед установкой подложить под неё копейку, либо залить отверстие эпоксидкой. В данный момент как раз пора воспользоваться смолой.
Теперь приступаем к организации канала, увеличивающего площадь горения топлива. Для этого через сопло, сверлом того же диаметра высверливаем в топливе канал длиной 35мм. Для соблюдения соосности канала используем кондуктор из некондиционного корпуса, внешней оправки и еще одного сопла. Я думаю, несложно сообразить, как его организовать. Все теперь движок практически готов. Надо только дождаться когда просохнет клей на заглушке. После просушки надо завернуть движок в целлофан, чтобы не отсырело топливо. Неплохо на движке записать его основные параметры. Эта привычка может пригодиться в дальнейшем.
Зажигание.
Соблюдение шестого правила обязательно. Безопасное расстояние для ракеты данного класса – не менее 30 м. Стопин делается элементарно. Кусочек коктейльной трубки не толще 3-4 мм длинной 50мм плотно набивается топливом «карамелькой». Для увеличения поджигающей способности стопина, в конец трубки можно вставить спичечную головку. Я делаю немного сложнее – намазываю смесь спичечной серы с нитроклеем. Удачно подобранная толщина такой намазки позволяет зафиксировать стопин в канале движка без дополнительных ухищрений. Один пробный стопин надо испытать, т.е. просто поджечь его на негорящей поверхности и проконтролировать, чтобы горение было активным, ровным без перебоев и вспышек. Делайте такие проверки на открытом воздухе, иначе в помещении будет долго и противно пахнуть. Стопин надо вставить в топливный канал двигателя на глубину 10 мм. До самого конца задвигать стопин не следует, поскольку пластик трубки может забить сопло, что приведет к взрыву. Чтобы стопин зафиксировать, можно проложить параллельно х/б нитку или полоску тонкой бумаги. Важно чтобы фиксация происходила в верхней точке, чтобы стопин не вывалился по мере сгорания. Замедлитель изготавливается из куска тонкой х/б бельевой веревки, которая состоит из нитей и оплетки Веревку надо сутки вымочить в крепком растворе калиевой селитры. Раствор приготовляется из 25 г селитры залитой 2/3 стакана горячей воды. Вымоченная веревка просушивается и от нее по мере надобности отрезается кусочек 3-4 см, что собственно и является замедлителем. Время срабатывания замедлителя можно проконтролировать, спалив один кусочек определенной длины и замерив длительность горения. Замедлитель должен давать задержку не менее 20 сек. Замедлитель крепится к свободному концу стопина простым наворачиванием торцевой части на глубину 5мм. Это правда лучше делать перед самым запуском ракеты и установкой ее на стартовый стол. Предварительно можно гвоздем диаметром 3мм провертеть посадочный канал в нитях замедлителя, что облегчит задачу крепления замедлителя на стопине. При запуске поджигаем замедлитель, спокойно отходим на нужное расстояние и спокойно наблюдаем за стартом. Но об этом позднее. Кстати тут нарисовалось следующее правило
Профессионалы от ракетомоделизма в этот список включают и сами движки, испытывая их на стендах и отрабатывая характеристики. Я не буду настаивать на этом, поскольку понимаю, что изготовление первого двигателя для начинающего ракетчика все-таки целое событие и просто спалить его – непозволительная роскошь. К тому же, если четко следовать всем приведенным инструкциям, то вероятность успешного запуска очень велика. Но, если разнесет – я предупреждал.
Планер.
Конструкция, которую я предлагаю, очень проста. Корпус фюзеляжа делается так же как и у движка, только для этого берется один кусок офисной бумаги шириной 110мм и наматывается на оправку диаметром 18мм. Надо проконтролировать, чтобы движок с трением, но свободно вставлялся в корпус ракеты. Можно сделать корпус ракеты немного больше диаметром, а движок подогнать намоткой колец бумаги по краям движка.
Опыт показал, что клеевого соединения недостаточно, поэтому в стабилизаторах впритык к корпусу делаются шилом два отверстия, сквозь которые, с помощью иголки наматывается не менее пяти витков х/б нитки №10. Под нижнюю намотку предварительно вставляется один направляющий кольцевой зацеп. Нитки промазываются силикатным клеем. Такой же направляющий зацеп крепится с помощью ниток и клея в носовой части ракеты строго над нижним. Направляющие зацепы делаются из маленьких канцелярских скрепок, с таким расчетом, чтобы в них легко проходил стержень диаметром 5 мм.
Носовой обтекатель ракеты можно сделать из винной деревянной пробки, обточив ее как сопло, на дрели. Пробковый материал довольно сложен в обработке, поэтому действовать надо аккуратно, используя не очень грубую шкурку. Тут надо поэкспериментировать.
Теперь надо вклеить стопорное кольцо, для фиксации двигателя. От некондиционного корпуса движка отрезаем кольцо шириной 12мм, или делаем его специально по двигательной технологии. Вставляем с хвостовой части ракеты двигатель до совмещения нижних торцов корпуса ракеты и двигателя, а с носовой части вставляем стопорное кольцо, промазав его клеем. Проталкиваем кольцо внутрь, пока оно не упрется в движок. Выталкиваем движок, а кольцо оставляем клеиться. Собственно ракета готова. Пусть постоит посохнет, а мы займемся стартовой установкой.
Пусковая установка.
8) запуск ракеты без направляющей недопустим.
Поскольку центр тяжести у такой ракеты находится спереди от центра давления и точки приложения тягового усилия, недостаточно разогнавшись, ракета может перейти в горизонтальный полет и догнать незадачливого моделиста. Кстати, к такому развитию событий надо быть готовым даже при наличии качественной направляющей и не зевать в случае чего.
Перед запуском
9) надо проверить аэродинамическую устойчивость ракеты, т.е. способность ракеты придерживаться выбранного направления полета.
Я не буду сейчас вдаваться в теорию, просто расскажу, как это сделать на практике. Для этого устанавливаем двигатель на ракету и находим ее центр тяжести. В центре тяжести привязываем нитку длинной около метра. Теперь начинаем вращать ракету на нитке вокруг себя, стараясь чтобы вначале ракета пошла хвостом вперед. Если ракета, в конце концов, начинает ориентироваться носом вперед и не меняет эту ориентацию при вращении, то она аэродинамически устойчива. Лучше если полная стабилизация происходит в течение 1-2-х полных оборотов. Если процесс стабилизации затягивается дольше, или стабилизация совсем не наступает надо увеличить устойчивость ракеты. Для этого надо либо поменять размер и форму стабилизаторов в сторону увеличения и смещения назад, либо загрузить носовую часть ракеты балластным грузиком.
Запуск
10) обеспечить безопасность окружающих.
Ваше увлечение не должно быть источником опасности для других. Поэтому надо найти площадку, на которой в радиусе 200м нет посторонних людей, строений, легко воспламеняющихся объектов.
Итак, ракета на старт! Втыкаем направляющую в землю с небольшим наклоном от себя поперек направления ветра. Это важно! (помните о горизонтальном полете?). Устанавливаем на ракету двигатель, стопин, замедлитель. Надеваем ракету на направляющую. Еще раз убеждаемся, что ракета легко сдвигается с места установки. Спокойно поджигаем замедлитель, спокойно отходим на 30м в поперечном к ветру направлении, спокойно наблюдаем за стартом. Стопин горит с большим выделением дыма, поэтому переход от замедлителя к стопину всегда заметен издали. Если после отработки стопина ракета осталась на месте, не спешите бежать к ней. Надо выждать не менее 5мин, иначе можно нарваться на неприятности. Работу системы зажигания лучше контролировать с помощью бинокля. Ракета обычно стартует очень активно, поэтому, чтобы отследить ее полет надо проявить достаточную сноровку.
Расчет
На графике рис.4 приведено изменение числа Kn по времени, т.е. отношения площади горения к площади критического сечения сопла по времени.
На графике рис.5 приведено изменение давления в камере движка по времени. (Один МегаПаскаль соответствует 10-ти атмосферам).
На графике рис.6 приведено изменение тяги по времени.
Обратите внимание, тяга такого небольшого простейшего движка может превысить 1,5кг. И это для ракеты весом 30-35г!