Как сделать двигатель для модели ракеты своими руками

Как сделать двигатель для модели ракеты своими руками

megavolt_lab

Несомненно, двигатель — самая важная часть ракеты и одна из самых сложных. Задача двигателя — смешивать компоненты топлива, обеспечивать их сгорание и с большой скоростью выбрасывать получающиеся в процессе горения газы в заданном направлении, создавая реактивную тягу. В этой статье мы рассмотрим только используемые сейчас в ракетной технике химические двигатели. Существует несколько их видов: твердотопливные, жидкостные, гибридные и жидкостные однокомпонентные.

Любой ракетный двигатель состоит из двух основных частей: камера сгорания и сопло. С камерой сгорания, думаю, все понятно — это некий замкнутый объем, в котором происходит горение топлива. А сопло предназначено для разгона получающихся в процессе горения топлива газов до сверхзвуковой скорости в одном заданном направлении. Сопло состоит из конфузора, канала критики и диффузора.

Конфузор — это воронка, которая собирает газы из камеры сгорания и направляет их в канал критики.

Критика — самая узкая часть сопла. В ней газ разгоняется до скорости звука за счет высокого давления со стороны конфузора.

Диффузор — расширяющаяся часть сопла после критики. В ней происходит падение давления и температуры газа, за счет чего газ получает дополнительный разгон до сверхзвуковой скорости.

А теперь пройдемся по всем основным типам двигателей.

Начнем с простого. Самым простым по своей конструкции является РДТТ — ракетный двигатель на твердом топливе. Фактически это бочка, загруженная твердой топливно-окислительной смесью, имеющая сопло.

Камерой сгорания в таком двигателе является канал в топливном заряде, а горение происходит по всей площади поверхности этого канала. Нередко для упрощения заправки двигателя заряд делают составным из топливных шашек. Тогда горение происходит также и на поверхности торцов шашек.

Для получения разной зависимости тяги от времени применяют разные поперечные сечения канала:

РДТТ — самый древний вид ракетного двигателя. Его придумали еще в древнем Китае, но по сей день он находит применение как в боевых ракетах, так и в космической технике. Также этот двигатель ввиду своей простоты активно используется в любительском ракетостроении.

Первый американский космический корабль Меркурий был оборудован шестью РДТТ:

Три маленьких отводят корабль от ракеты-носителя после отделения от нее, а три больших — тормозят его для схода с орбиты.

Самый мощный РДТТ (и вообще самый мощный ракетный двигатель в истории) — это боковой ускоритель системы Спейс шаттл, развивавший максимальную тягу 1400 тонн. Именно два этих ускорителя давали столь эффектный столб огня при старте челноков. Это хорошо видно, например, на видеозаписи старта челнока Атлантис 11 мая 2009 года (миссия STS-125):

Эти же ускорители будут использованы в новой ракете SLS, которая будет выводить на орбиту новый американский корабль Орион. Сейчас можно увидеть записи с наземных испытаний ускорителя:

Также РДТТ установлены в системах аварийного спасения, предназначенных для увода космического корабля от ракеты в случае аварии. Вот, например, испытания САС корабля Меркурий 9 мая 1960 года:

На космических кораблях Союз кроме САС установлены двигатели мягкой посадки. Это тоже РДТТ, которые работают доли секунды, выдавая мощный импульс, гасящий скорость снижения корабля почти до нуля перед самым касанием поверхности Земли. Срабатывание этих двигателей видно на записи посадки корабля Союз ТМА-11М 14 мая 2014 года:

Главным недостатком РДТТ является невозможность управления тягой и невозможность повторного запуска двигателя после его останова. Да и останов двигателя в случае с РДТТ по факту остановом не является: двигатель либо прекращает работу по причине окончания топлива либо, в случае необходимости остановить его раньше, производится отсечка тяги: специальным пиропатроном отстреливается верхняя крышка двигателя и газы начинают выходить с обоих его торцов, обнуляя тягу.

Следующим мы рассмотрим гибридный двигатель. Его особенность в том, что используемые компоненты топлива находятся в разных агрегатных состояниях. Чаще всего используется твердое горючее и жидкий или газообразный окислитель.

Вот, как выглядит стендовое испытание такого двигателя:

Именно такой тип двигателя применен на первом частном космическом челноке SpaceShipOne.
В отличие от РДТТ ГРД можно повторно запускать и регулировать его тягу. Однако, не обошлось и без недостатков. Из-за большой камеры сгорания ГРД невыгодно ставить на большие ракеты. Также ГРД склонен к «жёсткому старту», когда в камере сгорания накопилось много окислителя, и при зажигании двигатель даёт за короткое время большой импульс тяги.

Ну а теперь рассмотрим самый широко применяемый в космонавтике тип ракетных двигателей. Это ЖРД — жидкостные ракетные двигатели.

В камере сгорания ЖРД смешиваются и сгорают две жидкости: горючее и окислитель. В космических ракетах применяются три топливно-окислительные пары: жидкий кислород + керосин (ракеты Союз), жидкий водород + жидкий кислород (вторая и третья ступени ракеты Сатурн-5, вторая ступень Чанчжэн-2, Спейс шаттл) и несимметричный диметилгидразин + тетраоксид азота (ракеты Протон и первая ступень Чанчжэн-2). Сейчас также проводятся испытания нового вида топлива — жидкого метана.

Преимуществами ЖРД являются малый вес, возможность регулирования тяги в широких пределах (дросселирование), возможность многократных запусков и больший удельный импульс по сравнению с двигателями других типов.

Главным недостатком таких двигателей является умопомрачительная сложность конструкции. Это у меня на схеме все просто выглядит, а на самом деле при конструировании ЖРД приходится сталкиваться с целым рядом проблем: необходимость хорошего перемешивания компонентов топлива, сложность поддержания высокого давления в камере сгорания, неравномерность горения топлива, сильный нагрев стенок камеры сгорания и сопла, сложности с зажиганием, коррозионное воздействие окислителя на стенки камеры сгорания.

Для решения всех этих проблем применяется множество сложных и не очень инженерных решений, отчего ЖРД зачастую выглядит как кошмарный сон пьяного сантехника, например, этот РД-108:

Камеры сгорания и сопла хорошо видны, но обратите внимание, сколько там всяких трубок, агрегатов и проводов! И все это нужно для стабильной и надежной работы двигателя. Там есть турбонасосный агрегат для подачи топлива и окислителя в камеры сгорания, газогенератор для привода турбонасосного агрегата, рубашки охлаждения камер сгорания и сопел, кольцевые трубки на соплах для создания охлаждающей завесы из топлива, патрубок для сброса отработанного генераторного газа и дренажные трубки.

Более подробно работу ЖРД мы рассмотрим в одной из следующих статей, а пока переходим к последнему типу двигателей: однокомпонентному.

Работа такого двигателя основана на каталитическом разложении пероксида водорода. Наверняка многие из вас помнят школьный опыт:

В школе используется аптечная трехпроцентная перекись, а вот реакция с использованием 37% перекиси:

Видно, как из горлышка колбы с силой вырывается струя пара (в смеси с кислородом, разумеется). Чем не реактивный двигатель?

Двигатели на перекиси водорода используют в системах ориентации космических аппаратов, когда большое значение тяги не нужно, а простота конструкции двигателя и его малая масса очень важны. Разумеется, используемая концентрация перекиси водорода далеко не 3% и даже не 30%. Стопроцентная концентрированная перекись дает в ходе реакции смесь кислорода с водяным паром, нагретую до полутора тысяч градусов, что создает высокое давление в камере сгорания и высокую скорость истечения газа из сопла.

Простота конструкции однокомпонентного двигателя не могла не привлечь к себе внимание ракетчиков-любителей. Вот пример любительского однокомпонентного двигателя: http://mosgird.ru/102/01/401.htm.

Работу однокомпонентных ЖРД можно увидеть на примере двигателей причаливания и ориентации космического корабля Союз ТМА-18М (съемка с борта МКС):

Водяная ракета своими руками с дистанционным управлением

Закон Скотта
Не важно, что что-то идет неправильно.
Возможно, это хорошо выглядит!

Я как-то писал заметку об устройстве покупной водяной ракеты. Простота конструкции девайса меня впечатлила. Беда только, что по описанию ракету можно было накачать до 7 атмосфер, а у меня получалось «надуть» ее только атмосферы на 4 не больше, штатный ножной насос не вытягивал большее давление.

Катализатором для новой разработки, послужил случай. Мой друг подвозил меня как-то с дачи, совершено случайно в бардачке машины я увидел у него резиновую «бобышечку» c ниппелем.
— А что это такое?
— Да, ниппель для бескамерной шины…
Ниппель был тут же мною изъят из бардачка. С него и началась разработка самодельного стенда для запуска водяной ракеты. Следующим моим приобретением стал быстрый разъем для поливочного шланга. Бронзовый разъём в магазине садовод стоил всего 120 рублей. Совместить ниппель и разъём оказалось проще простого. Отрезав от ниппеля «головку», я забил его в разъём. Ниппель вошел с натягом, герметичность была обеспечена. Главный элемент пускового стола был готов. Еще в марте я начал готовится к проекту ракеты высокого давления. На свой день рождения заказал сотрудникам на работе подарком – электрическим автомобильным насосом «Беркут», который по описанию выдавал давление до 12 атмосфер. Если верить журналу «За рулем», «Беркут» был лучшим автомобильным насосом. Сотрудники после моего дня рождения ещё долго глумились постоянно, задавая мне вопрос:
— Зачем тебе автонасос, если у тебя нет машины?
Пусковой стол по началу мне захотелось сделать целиком из дюраля, на Митинском рынке был куплен лист дюраля толщиной 3 мм.. Но когда я собрал пусковой стенд, оказалось, что вышла промашка с размерами. Шланг от «Беркута» никак не влезал. Конструкцию пришлось переделывать, поскольку дюраль уже был весь нарезан, в дело пошла сантиметровая фанера. Верхняя площадка осталась алюминиевой, а все остальное я за день выпилил из фанеры. На основание пошёл обрезок ламинированной ДСП приблизительно 40 на 40 см, такие куски попадались мне по всей даче. Вещь нужная, согласитесь, десять лет мне хотелось куда-нибудь их пристроить.
Скрутить все детали вместе труда не составило. Немного помучился устанавливая сервомашинку, которая должна была дергать за «веревочку» по команде с пульта управления. Под неё выпилил фанерный хомутик, который прикрутил к средней перегородке стенда на металлических уголках. Серву с пусковым клапаном соединил велосипедными тросиками.

Покраска пускового стенда

То, что фанера боится воды я догадывался с детства. Тут и возникла необходимость покрыть чем-нибудь пусковой стенд. Какой выбрать лак? Лет двадцать пять, я не пользовался лаками вообще, все что о них знал — успешно забыл.
Коллега по работе, который служил на флоте и во всем разбирался, тут же посоветовал мне покрыть фанеру корабельным лаком. Ну, да, подумал я: «Если бы он служил в танковых войсках, то покрывать фанеру мне надо было бы исключительно танковым лаком».
Но к совету прислушался, матрос коллегу не обидит. В магазине «Тушинский строитель» о корабельном лаке никто не знал, но продавщица предложила «Яхт-лак», которым можно покрывать не корабли, а только яхты. Большая (по меркам моделистов) банка прозрачного лака 0, 75 л стоила 800 рублей. Но мне хотелось прикупить темный лак, вопрос решился за пять минут.
-Я вам любой « колор» сделаю, — сказала продавщица, предъявив мне палитру. Я выбрал цвет по темнее ( тонер №3450).
— Через пять минут будет готово, с вас еще 85 рублей.
На даче для начала покрыл обрезок фанеры одним слоем лака, когда положил обрезок сушиться, потом покрыл обрезок доски… «Красил» опытные образцы, используя обычную строительную кисточку за 20 рэ. Одно лишь обстоятельство испортило мне праздник высоких технологий — кисточка не захотела отмываться водой.
Пришлось читать инструкцию на банке. Из нее я узнал много нового, что лак алкидно-уретановый, первый слой надо сушить 4 часа, а потом накладываем второй, далее заготовку сушить пару дней, перед покрытием третьим слоем. Банки должно было хватить на 10 квадратных метров. Тут мне сразу захотелось покрыть лаком сортир на даче. Ведь если хорошо покрыть, лет пятьдесят может простоять. Кисточку же можно отмыть, только «вонючкой», под названием «Уайт-спирит».

Латунный разъем и ниппель для бескамерной шины.

Отрезаем «головку» ниппелю.

Ниппель идеально входит с натягом в разъём.

Латунный уголок припаял к разъёму обычным припоем, используя газовую горелку, хотя можно было постараться вспомнить, где лежит стоваттный паяльник.

По два ушка припаиваются к верхней и нижней части разъема.

Верхняя часть пускового стенда изготовлена из 3 мм-го дюраля, пусковой разъем крепится парой винтов М4.

Боковые панели пускового стенда выравнивал рашпилем.

Отверстия под винты М4

Предварительная примерка уголков.

Стенд собран. Не все отверстия под винты совпали, их пришлось кое-где рассверливать, чтобы загнать винты.

Стенд собран на винтах М4 с большой головкой.

На привод к «спусковой головке» пошли два велосипедных тросика, купленные в магазине «Спорт» за 60 рэ. Сначала мною была сделана смелая попытка откусить тросик обычными бокорезами, он не подался. Пришлось завести «балгарку», отпилить тросики под нужный размер оказалось секундным делом.
К основанию конструкция крепится обычными саморезами. В латунных «ушках» просверлены отверстия (диаметр 2мм), такие же отверстия просверлены в дюралевом основании. В них продевается тросик.

После примерки, стартовый стол был разобран и фанерные детали были покрыты «Яхт-лаком» в три слоя.

Основа спускового механизма – мощная 50 граммовая серва, которая развивает усилие до 10 кг. Как в последствии, оказалось, усилие получилось избыточным, спокойно можно было поставить и сервомашинку c усилием 2-3 кг. Серва на штатных саморезах прикручена к фанерной панельке, которая на уголках прикручена под среднюю перегородку пускового стола.

К припаянным к быстрому разъему «ушкам» протянуты велосипедные тросики. Они продеты в отверстия дюралевой пластины. Cнизу пластина зафиксирована двумя втулками с винтами. Через центральное отверстие продета тяга из полуторамиллиметровой стальной проволоки, которая соединяет пластину с сервомашинкой.

Ракета Л-1 ( Липтон-1)


Ракету делал уже по накатанной технологии. Основным элементом послужила бутылка из-под чая «Липтон» — емкость 1,25 литра. Корпус ракеты сделан из обычного ватмана – А4.

В технологию накрутки ватмана на бутылку были внесены кое-какие нововведения. Длины листа хватало только, чтобы обернуть бутылку один раз. Так я склеил первую гильзу из ватмана, когда клей подсох – на первую гильзу накрутил вторую, подклеил не склеивая гильзы межу собой, по верх второй – третью. Клеил ватман «Титаном», он сохнет значительно быстрее, чем ПВА. Из 3-х гильз и был набран корпус ракеты, гильзы были промазаны «Титаном» и вставлены друг в друга.
Эту операцию надо делать очень быстро. Нормально совместить гильзы у меня получилось со второго раза. Первый корпус, как в поговорке о блинах, пошел комом, пришлось выбросить.

Стабилизаторы делал из двойной потолочной плитки. Склеил две плитки, вырезал, зашкурил.

Стабилизаторы приклеиваются к нижней части ракеты, дополнительно в место стыка стабилизатора с корпусом приклеивается по всей длине треугольный «плинтус».
Обтекатель ракеты делал по технологии, которую подсмотрел в «Популярной механике».
От бутылки большего объёма (1, 75 л) отрезается верхняя часть, срезается горлышко, образовавшуюся дырку затыкаем теннисным шариком.

Теннисный шарик приклеил суперклеем «Секунда», сам обтекатель к корпусу – «Титаном».
Бутылка никак не закреплена в корпусе, входит с натягом, на нем и держится.

Красил ракету акриловой краской для стендового моделей.

Изготовление сопла ракеты. В магазине «Юный огородник» я приобрел пару пластиковых переходников типа «папа-папа» для полива. Такой переходник зажимается в тиски, распиливается на две части под разделительную площадку.

В крышке от бутылки просверливаем отверстие, зашкуриваем площадку переходника. Теперь попытаемся склеить эти две пластиковые детали. С начала мною был использован клей (Sofort Kleber) с непонятным названием, аналог «Супермомента»*. Соединение после высыхания, не прошло тест-драйва, приложив значительное усилие на разрыв, мне удалось оторвать сопло от крышки. Вторая попытка.

В дело пошёл отечественный клей «Контакт», который показал лучшее результаты. Разорвать конструкцию руками у меня не получилось. То ли первый клей был не свежий, то ли я второй раз уже не очень старался разорвать.

Подготовка к запуску


Серва машинка пускового стенда была соединена с обычным приемником для авиамоделей, приемник через регулятор был подключен к литий полимерному аккумулятору. Всю эту сборку засунул под стакан из пластиковой бутылки. Чтобы ещё лучше изолировать электронику от воды –приклеил стакан к основанию пластикового стола.
Первые полеты
Первые запуски произвел с дачного участка под небольшим углом в сторону соседнего пустыря.

Ракета Л-1 заправлена 400-а граммами воды, установлена на пусковой стол. К стартовому клапану подключен насос, питание насоса осуществляется от свинцового аккумулятора для UPS.

На первых стартах меня ожидало глобальное разочарование. Когда манометр показывал 5 атмосфер, ракета произвольно срывалась с пускового стенда. Не мог её удержать. При 4-х атмосферах система работала нормально, старт осуществлялся по плану, по команде с пульта управления.

При таком давлении ракета поднималась всего метров на 30 не больше. Немного подпилил надфилем коннектор. После этого произвольные срывы со стенда прекратились.

Подкачал до 7-8 атмосфер. Ракета поднялась над землей метра на три… Потом она решила свернуть вправо. Высота подъема не более 15 метров, дальность около 100 м.

«Ужасный» краш после кривого запуска, от удара о твердую землю, сломался один стабилизатор, искалечен обтекатель. На ремонт ушло минут десять-пятнадцать.

Фото автора
PS: Фотомодель совершеннолетняя и не возражает против публичного использования своего образа. При запусках ни одна фотомодель не пострадала.

Обкатываем шасси для установки ракеты.

Водяная ракета из пластиковой бутылки

Продолжаю писать о моделях двигателей, которые делал Витя для доклада «Сила воды» на городской конкурс «Шаг в науку». В прошлый раз я показала модель парового двигателя.

В этот раз это будет действующая модель пневмогидравлической ракеты, которая летит, благодаря действию реактивной силы. Ее полет основан на том, что из корпуса ракеты под давлением сжатого воздуха вытесняется струя воды, заставляя ракету двигаться в противоположном направлении.

водяная ракета handemade rocket
Схема пусковой установки для водяной ракеты (рисунок Вити)

как сделать водяную ракету handemade rocket

Дальше мастер-класс изготовления ракеты из пластиковой бутылки:

как сделать водяную ракету handemade rocket

Делаем опору, которая будет удерживать трубку в вертикальном положении. Для этого на металлический уголок, купленный в магазине стройматериалов, прикручиваем пластиковые клипсы. С помощью них можно ставить и снимать трубку с опоры.

как сделать водяную ракету handemade rocket

Уголок для устойчивости прикручиваем на станину — кусок доски.

водяная ракета handemade rocket

Вот так выглядит готовая пусковая установка.

водяная ракета handemade rocket

А вот так мы будем на нее надевать нашу ракету-бутылку. Только перед стартом ее нужно будет наполнить водой. Тут очень кстати окажутся отстегивающиеся клипсы. Трубку можно снять, вставить в бутылку, не боясь разлить воду, надеть на пробку покрепче и потом установить на место. Клипсы можно не застегивать — всё и так неплохо держится.

водяная ракета handemade rocket

водяная ракета handemade rocket

Наливаем воду в ракету. Она должна заполнить бутылку примерно на одну треть — это оптимальное соотношение воды и воздуха.

водяная ракета handemade rocket

Втыкаем в бутылку трубку, плотно надев ее на пробку.

водяная ракета handemade rocket

Подсоединяем велосипедный насос.

водяная ракета handemade rocket

Пристегиваем трубку с надетой на нее бутылкой клипсами к опоре.

водяная ракета handemade rocket

Теперь надо в бутылку быстро-быстро накачивать насосом воздух. И через 10-20 секунд она под давлением сорвется и полетит вверх. Полет продолжается недолго, но его всегда можно повторить еще, просто налив в бутылку новую порцию воды.

Этот пост я отправляю в галерею » Мир мальчишек » в блог Жени Ясной.

Читайте также  Как сделать чтобы двигатель заводился с кнопки
Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

Adblock
detector