Двигатели для моделей ракет: Модельные ракетные двигатели

Содержание

Двигатели для моделей ракет — Паркфлаер

Устройство модельного ракетного двигателя.
МРД относится к тепловым реактивным двигателям химического типа. Другими словами МРД преобразует тепловую энергию, выделяющуюся при химической реакции горения твердого ракетного топлива (ТРТ), в кинетическую энергию потока истекающих из сопла продуктов сгорания, который и создает реактивную силу тяги (тут можно вспомнить формулировку 3-го закона Ньютона).

Тягу ракетного двигателя можно описать следующей формулой (1): Р = mV_a + F_a(p_а— p_h)

где Р — тяга двигателя, Н;

m — массовый секундный расход продуктов сгорания, истекающих через сопло, кг/с;

V_a, F_a, p_a — скорость, площадь поперечного сечения и давление на выходе из сопла;

p_h — давление окружающий среды на высоте полёта, Па.

Таким образом тяга ракетного двигателя зависит от того, какую массу в единицу времени мы отбрасываем, с какой скоростью и на какой высоте у нас происходит полёт. Так, при полёте в безвоздушном пространстве (p_h->0) тяга двигателя максимальна и совпадает с реактивной силой mV_a+F_ap_a.

В любом случае, МРД — двигатель не регулируемый, его характеристики заданы при проектировании и изменить их в полёте невозможно. Двигатель после старта в любом случае отработает свою программу, мы не имеем возможности ни регулировать его характеристики, ни, тем более, выключить его.

Устройство модельного ракетного двигателя.

Рассмотрим составляющие МРД в том порядке, в котором они отмечены на рисунке:

1 — Реактивное сопло. Назначение его — максимально разогнать продукты сгорания топлива. Как видно из формулы (1), тяга двигателя напрямую зависит от скорости потока на выходе из сопла, поэтому в большинстве случаев сопла МРД имеют на выходе расширяющийся участок для ускорения потока продуктов сгорания до сверхзвуковой скорости. Минимальное проходное сечение сопла называется критическим, в нем скорость потока достигает скорости звука. Из всех элементов ракетного двигателя именно соплу приходится сложнее всего: по нему протекает поток раскаленных продуктов сгорания, состоящий не только из газов, но и из твёрдых частиц (особенность твердотопливных двигателей). Изготавливается сопло чаще всего из керамики.

2 — Заряд твердого ракетного топлива. Это и запас рабочего тела двигателя, и в то же время запас энергии, выделяющейся при химической реакции горения топлива. Для воспламенения топливному заряду необходим определенный начальный тепловой импульс, который обеспечивает штатный электровоспламенитель МРД. Обратите внимание! Прекратить работу запущенного МРД невозможно!!!

3 — Замедлитель. Отдельный заряд, формирующий задержку по времени от момента сгорания топлива до срабатывания вышибного заряда. Тяги он практически не создает, но часто образует густой дымовой шлейф, чтобы удобней было наблюдать полёт модели.

4 — Вышибной заряд, простейший элемент автоматики, предназначенный для выбрасывания из модели парашюта или включения двигателей верхней ступени для многоступенчатой модели ракеты. Даже легкая модель ракеты из ватмана обладает высокой скоростью полёта, и при посадке в огород страдают все участники встречи: и «морковка», и огород. А в огороде, бывает, и кролики пасутся, так что вывод один — на модели должна быть в обязательном порядке система спасения (или мягкой посадки, кому как нравится) и проверяем перед стартом, какой двигатель вы на модель ставите, чуть забегая вперед отмечу, что на некоторых МРД-шках вышибного заряда нет! В маркировке это конечно же отражается, а потому внимательно смотрим, что куда вставляем.

5 — Передний пыж из бумаги, прикрывающий вышибной заряд. Для эстетики и сохранности.

6 — Корпус двигателя. По совместительству это и ёмкость для хранения топлива, и камера сгорания. И соединяет все части двигателя в единое целое. При работе двигателя внутри корпуса находятся продукты сгорания с высокой температурой и давлением, поэтому требования к прочности корпуса достаточно серьёзные, так что любые повреждения корпуса могут сказаться, чаще всего, его разрушением. Грубо говоря — бабахнет.

Внешне же МРД имеет форму цилиндра, диаметром D и длиной L.
Чаще всего выпускаются МРД одноразовые, один двигатель — один полёт, хотя есть в природе и перезаряжаемые двигатели многоразового использования, к примеру двигатели фирмы AeroTech из рекламного ролика выше.

Следующий рисунок даёт представление о последовательности работы МРД.
Фаза 1 — зажигание, тепловой импульс от воспламенителя поджигает топливный заряд.
Фаза 2 — топливный заряд сгорает с выделением тепла и образованием высокотемпературных продуктов сгорания, которые, истекая из реактивного сопла с высокой скоростью, создают реактивную тягу.
Фаза 3 — топливный заряд передает эстафету замедлителю, он отсчитывает время пассивного участка траектории.
Фаза 4 — замедлитель воспламеняет вышибной заряд, выталкивающий систему спасения из корпуса модели, после чего вся система мягко возвращается на поверхность планеты.

Характеристики модельного ракетного двигателя.
Как правило, модель ракеты строится под какой-то определенный двигатель, характеристики которого известны. Или под серию двигателей, имеющих, допустим, одинаковые геометрические размеры и отличающихся энергетическими возможностями, временем работы замедлителя и т.п. Создавая спортивную модель для участия в соревнованиях вы ограничены по суммарному импульсу двигателей, разрешенных на моделях выбранного класса.

Прежде всего нас интересуют следующие характеристики МРД:

— Геометрические характеристики двигателя: внешний диаметр D (калибр) и длина корпуса L. Вам же нужно двигатель куда-то на модели устанавливать, как-то крепить, а для этого нужно знать его габариты.

— Полный импульс тяги двигателя, измеряется в Н*с и определяет энергетические возможности МРД. На основании закона о сохранении количества движения изменение импульса движущегося тела вызывается импульсом приложенной силы. Таким образом можно рассчитать скорость модели, которой она достигнет в конце активного участка траектории полёта. По величине полного импульса двигатели разделяются на классы. По суммарному полному импульсу установленных на модели двигателей делятся на классы и спортивные модели ракет.

— Тяга двигателя, единица измерения — Ньютон. Тяга МРД не является постоянной во время его работы, каким образом она меняется можно узнать из тяговой диаграммы, для каждой марки двигателя тяговая диаграмма своя и вообще это одна из важнейших и интереснейших характеристик, ниже затрону её подробней. Для примера приведу тяговую диаграмму двигателя «Эстес» А10, имеющую типичную для модельных двигателей форму — пик в начале работы и участок, где тяга сохраняется постоянной.

Почему такая форма тяговой диаграммы наиболее распространена?
Быстрое нарастание тяги в начале работы двигателя приводит к энергичному разгону модели по направляющей пусковой установки с тем, чтобы стартующая ракета в момент схода с пусковой имела скорость достаточную для эффективной работы аэродинамических поверхностей-стабилизаторов (если они есть, конечно), которые обеспечивают устойчивость её полёта.
Затем уже происходит набор скорости при постоянной величине тяги двигателя.

— Средняя тяга, двигателя за время его работы определяется как частное от деления полного импульса на время работы, измеряется также в Ньютонах. Можно выбирать двигатель в первом приближении исходя из его средней тяги и планируемой стартовой массы ракеты. Грубо говоря, при равенстве этих величин ракета отработает программу полёта не покидая пусковую установку в лучшем случае, либо сойдет с неё и плюхнется неподалеку, что не есть хорошо. Для гарантированного полёта отношение средней тяги к стартовой массе (тяговооружённость) должно быть больше единицы. Желательно, с запасом.

— Время работы двигателя, складывается из времени выгорания основного заряда топлива и времени работы замедлителя. Первое задаёт нам продолжительность активного участка полёта (двигатель создает реактивную тягу), второе — пассивного участка (тяга двигателя отсутствует, модель летит по инерции до ввода в действие системы спасения модели).

— Масса снаряженного двигателя. Входит в расчет стартовой массы ракеты, да и при балансировке модели без этого параметра не обойтись.

— Масса топлива. Зная это, мы сможем вычислить массу и положение ЦТ модели в конце активного участка полёта. Кроме того, спортивные правила могут ограничивать массу топлива на борту модели.

Тяговая диаграмма.
Очень интересный график зависимости тяги двигателя по времени работы.
Получается этот график при стендовых испытаниях двигателей, производитель такие испытания проводит и для каждой марки двигателей прилагает соответствующую тяговую диаграмму. Что же по ней можно узнать?

Конечно, первое, что бросается в глаза — максимальная тяга двигателя. Но. Интерес представляет и то, в какой момент по времени максимум тяги достигается, и насколько быстро она нарастает. К примеру, существуют двигатели, тяговая диаграмма которых выглядит таким образом:

Различная скорость нарастания тяги двигателя приводит к различному ускорению модели в начале активного участка траектории. Особенно этот момент интересно прорабатывать для моделей-копий ракет, ведь зенитная ракета и ракета-носитель космических аппаратов стартуют с разным ускорением, а характер старта для копии должен бы повторять свой прототип.
Время работы двигателя, то есть время сгорания топлива и создания двигателем тяги отображается на тяговой диаграмме очень наглядно.
Если подсчитать площадь под кривой на тяговой диаграмме, можно определить полный импульс тяги МРД.
А поделив полный импульс на время работы получим значение средней тяги.

Разрабатывать модели ракет можно на бумаге, а можно использовать специальные программы, к примеру SpaceCAD или Open Rocket. Первая мощнее, с большими возможностями, но за деньги. Вторая попроще и бесплатная. Обе позволяют «собрать» модель ракеты из настраиваемых типовых элементов конструкции (оболочки, шпангоуты, бобышки и т.д.), подсчитывать вес получившейся конструкции, определять положение ЦТ и ЦД, т.е. сразу видно, устойчивым ли будет полёт модели и каков запас устойчивости, а также смоделировать траекторию полёта, выбрав требуемый двигатель из базы данных или есть возможность ввести тяговую диаграмму двигателя, в базе отсутствующего.

Обзор существующих МРД.
Ещё с советских времен наши ракетомоделисты используют модельные ракетные двигатели промышленного производства шосткинского ПО «Импульс».

Маркировка двигателей читается так, к примеру: МРД 20-10-4
МРД — модельный ракетный двигатель;
20 — полный импульс 20 Н*с;
10 — средняя тяга 10 Н;
4 — время работы замедлителя: 4 с.

От себя замечу, что из всей линейки шосткинских движков прочные отношения сложились лишь с МРД 2,5-3 и МРД 20-10. «Десятки» взрывались через одного, «пятерки» взорвались все. Возможно мне с ними просто не повезло или партия неудачная досталась, но «рабочей лошадкой» для моделей выбрал «двадцатку» и весьма доволен.

В настоящее время у нас появились в продаже МРД американской фирмы «Эстес».
Двигатели любопытные и при случае планирую опробовать их в деле. Конструкция их идентична отечественным, правда несколько отличаются по калибру. Если серии «Мини» (13 мм) и «Стандарт» (18 мм) практически совпадают с нашими, то более мощные двигатели классов С, D и Е, аналогичные нашим МРД 10-8 и МРД 20-10, выполнены в корпусе калибром 24 мм (наши имеют 20,25 мм), их в готовые ракеты под наши движки уже не установишь.

Маркировка двигателей почти аналогична нашим, только полный импульс обозначают буквой. Например, С11-6 читается таким образом:
С — полный импульс 10 Н*с;
11 — средняя тяга 1,1 Н;
6 — время работы замедлителя: 6 с.

Характеристики двигателей фирмы «Эстес»:

Подробную информацию о продукции фирмы «Эстес» можно найти на сайте http://www.estesrockets.com

Меры безопасного обращения с МРД.
1. Беречь двигатели от механический повреждений, порезов, ударов, падений с высоты на твёрдое основание. Повреждения корпуса приводят к снижению его прочностных характеристик, при запуске такого двигателя корпус может громко разрушиться. Повреждение (растрескивание) топливного заряда приводит к резкому увеличению поверхности горения, а значит и давления внутри, на которое прочность корпуса не рассчитана, что опять же приводит к его разрушению.

2. Беречь двигатели от воздействия воды и повышенной температуры. Многие топлива с водой не дружат, при увлажнении заряда и последующем высыхании возможно растрескивание заряда. Последствия — см. п.1.
При повышении начальной температуры возможно ускоренное химическое разложение топлива, изменяющее его характеристики, а также повышается вероятность самопроизвольного запуска. Так что не стоит оставлять двигатели летом на солнце под лобовым стеклом автомобиля. И уж тем более сушить подмокший двигатель на батарее.

3. Не перекрывать сопла двигателя при установке воспламенителя, МРД не рассчитаны на работу с жёсткой сопловой заглушкой. Самое надежное — пользоваться штатными воспламенителями и штатными их фиксаторами, при отсутствии последних пользуемся мягкими материалами, классический вариант — вата, бинт, кусочек туалетной бумаги (есть недостаток — эти материалы могут тлеть после запуска, так что в этом случае внимательно относимся к выбору места старта).

4. Запрещается вносить изменения в конструкцию двигателя. В инструкции так и пишут — запрещается. Рассверливать или удлинять канал в заряде топлива, высверливать замедлитель и т.д. Двигателей сейчас достаточно и разных, всегда можно найти подходящий по характеристикам. А ковырять готовый — бессмысленно и небезопасно.

5. При отказе на старте подходить к двигателю не ранее, чем через 1 минуту.

6. Модель ракеты должна отвечать требованиям прочности конструкции и устойчивости в полёте. Двигатель должен быть надёжно закреплён на модели, отделение его в полёте от модели в большинстве случаев не допускается. Полёт неустойчивой модели непредсказуем, а значит небезопасен для вас и ваших зрителей, вольных или невольных.

7. Пусковая установка должна быть прочной, устойчивой и обеспечивать надёжный старт модели с углами возвышения 60-90 градусов. Запускать модели ракет по настильной траектории спортивными правилами запрещается. Кроме перечисленного в задачи ПУ входит отвод газовой струи из сопла МРД для защиты модели, места старта и самой ПУ от её воздействия.

Литература по теме.
1. Эльштейн П. Конструктору моделей ракет.
2. Кротов И.В. Модели ракет.
3. Канаев В.И. Ключ — на старт!
4. Рожков В.С. Авиамодельный кружок.
5. Букш Е.Л. Основы ракетного моделизма.
5. Минаков В.И. Спортивные модели-копии ракет.

Полезную для себя информацию можно почерпнуть и на сайте Федерации ракетомодельного спорта России.

Благодарю за внимание!
Успехов в творчестве!

Сам себе ракетостроитель

Мало кто из моих ровесников не увлекался постройкой моделей ракет. Может, сказывалось всемирное увлечение человечества пилотируемыми полетами, а может, кажущаяся простота постройки модели. Картонная трубка с тремя стабилизаторами и головным обтекателем из пенопласта или бальсы, согласитесь, намного проще даже элементарной модели самолета или автомобиля. Правда, энтузиазм большинства молодых Королевых, как правило, улетучивался на этапе поиска ракетного двигателя. Оставшимся ничего не оставалось, как осваивать азы пиротехники.

Александр Грек

Между Главным конструктором наших ракет Сергеем Королевым и Главным конструктором наших ракетных двигателей Валентином Глушко шла негласная борьба за звание Самого Главного: кто же действительно важнее, конструктор ракет или двигателей для них? Глушко приписывают крылатую фразу, якобы брошенную им в разгар такого спора: «Да я к своему двигателю забор привяжу — он на орбиту выйдет!» Впрочем, эти слова — отнюдь не пустое бахвальство. Отказ от «глушковских» двигателей привел к краху королевской лунной ракеты H-1 и лишил СССР каких-либо шансов на победу в лунной гонке. Глушко же, став генеральным конструктором, создал сверхмощную ракету-носитель «Энергия», превзойти которую до сих пор никому не удается.

Двигатели из патронов

Та же закономерность работала и в любительском ракетостроении — выше летала ракета, у которой был более мощный двигатель. Несмотря на то что первые ракетомодельные двигатели появились в СССР еще до войны, в 1938 году, Евгений Букш, автор вышедшей в 1972 году книги «Основы ракетного моделизма», взял за основу такого двигателя картонную гильзу охотничьего патрона. Мощность определялась калибром исходной гильзы, а производились двигатели двумя пиротехническими мастерскими ДОСААФ вплоть до 1974 года, когда было принято решение об организации в стране ракетомодельного спорта. Для участия в международных соревнованиях потребовались двигатели, подходящие по своим параметрам под требования международной федерации.

Их разработка была поручена Пермскому НИИ полимерных материалов. Вскоре была выпущена опытная партия, на основе которой и начал развиваться советский ракетомодельный спорт. С 1982 года с перебоями заработало серийное производство двигателей на государственном казенном заводе «Импульс» в украинской Шостке — в год выпускали 200−250 тысяч экземпляров. Несмотря на жесткий дефицит таких двигателей, это был период расцвета советского любительского модельного ракетостроения, который закончился в 1990 году одновременно с закрытием производства в Шостке.

Двигательный тюнинг

Качество серийных двигателей, как нетрудно догадаться, для серьезных соревнований не годилось. Поэтому рядом с заводом в 1984 году появилось мелкосерийное опытное производство, обеспечивавшее своей продукцией сборную страны. Особенно выделялись двигатели, частным образом изготовленные мастером Юрием Гапоном.

А в чем, собственно, сложность производства? По своей сути ракетомодельный двигатель — простейшее устройство: картонная трубка с запрессованным внутри дымным порохом марки ДРП-3П (дымный ружейный порох 3-й состав для прессованных изделий) с керамической заглушкой с соплом-дыркой с одной стороны и пыжом с вышибным зарядом — с другой. Первая проблема, с которой не справлялось серийное производство, — точность дозировки, от которой зависел и конечный суммарный импульс двигателя. Вторая — качество корпусов, которые часто давали трещины при прессовании под давлением в три тонны. Ну и третья — собственно, качество запрессовки. Впрочем, проблемы с качеством возникали не только в нашей стране. Не блещут им и серийные ракетомодельные двигатели другой великой космической державы — США. А лучшие модельные двигатели делают микроскопические предприятия в Чехии и Словакии, откуда их контрабандой провозят для особо важных мероприятий.

Тем не менее при социализме двигатели, пусть неважные и с дефицитом, но были. Сейчас же их нет вообще. Отдельные детские ракетомодельные студии летают на старых, еще советских запасах, закрывая глаза на то, что срок годности давно вышел. Спортсмены пользуются услугами пары мастеров-одиночек, а если повезет, то и контрабандными чешскими двигателями. Любителям же остается единственный путь — перед тем как стать Королевым, сначала стать Глушко. То есть делать двигатели самим. Чем, собственно, и занимались я и мои друзья в детстве. Слава богу, пальцы и глаза у всех остались на месте.

Из всех искусств

Из всех искусств для нас важнейшим является кино, любил поговаривать Ильич. Для ракетомоделистов-любителей середины прошлого века — тоже. Ибо кино- и фотопленка того времени делалась из целлулоида. Туго свернутая в небольшой рулончик и засунутая в бумажную трубку со стабилизаторами, она позволяла взлететь простейшей ракете на высоту пятиэтажного дома. У таких двигателей было два главных недостатка: первый — небольшая мощность и, как следствие, высота полета; второй — невозобновимость запасов целлулоидной пленки. Например, фотоархива моего отца хватило всего на пару десятков запусков. Сейчас, кстати, жалко.

Второй вариант двигателей собирался, так сказать, из отходов деятельности Советской армии. Дело в том, что при стрельбах на артиллерийских полигонах (а один из них как раз находился неподалеку от нас) метательный заряд при выстреле выгорает не до конца. И если хорошенько поискать в траве перед позициями, можно было найти довольно много трубчатого пороха. Самая несложная ракета получалась в результате простого заворачивания такой трубки в обычную фольгу от шоколадки и поджигания с одного конца. Летала такая ракета, правда, невысоко и непредсказуемо, зато весело. Мощный двигатель получался при собирании длинных трубок в пакет и заталкивании их в картонный корпус. Из обожженной глины изготавливалось и примитивное сопло. Работал такой двигатель очень эффектно, поднимал ракету довольно высоко, но часто взрывался. К тому же на артиллерийский полигон не особо походишь.

Третий вариант представлял собой попытку почти промышленного изготовления ракетомодельного двигателя на самодельном дымном порохе. Делали его из калиевой селитры, серы и активированного угля (он постоянно заклинивал родительскую кофемолку, на которой я его измельчал в пыль). Признаюсь честно, мои пороховые двигатели работали с перебоями, поднимая ракеты всего на пару десятков метров. Причину я узнал лишь пару дней назад — запрессовывать двигатели нужно было не молотком в квартире, а школьным прессом в лаборатории. Но кто бы, спрашивается, меня в седьмом классе пустил запрессовывать ракетные двигатели?!

Работа с ядами

Вершиной же моей двигателестроительной деятельности стал довольно ядовитый двигатель, работавший на смеси цинковой пыли и серы. Оба ингредиента я выменял у одноклассника, сына директора городской аптеки, на пару резиновых индейцев, самую конвертируемую валюту моего детства. Рецепт я почерпнул в жутко редкой переводной польской ракетомодельной книжке. И двигатели набивал в папином противогазе, который хранился у нас в кладовке, — в книжке особый упор делался на токсичность цинковой пыли. Первый пробный запуск был проведен в отсутствие родителей на кухне. Столб пламени из зажатого в тисках двигателя с ревом устремился к потолку, прокоптив на нем пятно диаметром в метр и наполнив квартиру таким вонючим дымом, с каким не сравнится и коробка выкуренных сигар. Вот эти-то двигатели и обеспечили мне рекордные запуски — метров, наверное, на пятьдесят. Каково же было мое разочарование, когда через двадцать лет я узнал, что детские ракеты нашего научного редактора Дмитрия Мамонтова летали в разы выше!

На удобрениях

Двигатель Дмитрия был проще и технологичнее. Основной компонент его ракетного топлива — это натриевая селитра, которая продавалась в хозяйственных магазинах как удобрение в мешках по 3 и 5 кг. Селитра служила окислителем. А в качестве горючего выступала обычная газета, которая и пропитывалась перенасыщенным (горячим) раствором селитры, а затем высушивалась. Правда, селитра в процессе сушки начинала кристаллизоваться на поверхности бумаги, что приводило к замедлению горения (и даже гашению). Но тут вступало в действие ноу-хау — Дмитрий проглаживал газету горячим утюгом, буквально вплавляя селитру в бумагу. Это стоило ему испорченного утюга, но зато такая бумага горела очень быстро и стабильно, выделяя большое количество горячих газов. Набитые свернутой в тугой рулон селитрованной бумагой картонные трубки с импровизированными соплами из бутылочных пробок взлетали на сотню-другую метров.

Карамель

Параноидальный запрет российских властей на продажу населению разных химреактивов, из которых можно изготовить взрывчатку (а ее можно изготовить практически из всего, хоть из древесных опилок), компенсируется доступностью через интернет рецептов практически всех видов ракетного топлива, включая, например, состав горючего для ускорителей «Шаттла» (69,9% перхлората аммония, 12,04% полиуретана, 16% алюминиевой пудры, 0,07% оксида железа и 1,96% отвердителя).

Безусловным хитом любительского ракетного двигателестроения сейчас являются так называемые карамельные двигатели. Рецепт топлива прост до неприличия: 65% калиевой селитры KNO3 и 35% сахара. Селитра подсушивается на сковородке, после чего измельчается в обычной кофемолке, медленно добавляется в расплавленный сахар и застывает. Итогом творчества становятся топливные шашки, из которых можно набирать любые двигатели. В качестве корпусов двигателей и форм прекрасно подходят стреляные гильзы от охотничьих патронов — привет тридцатым! Гильзы в неограниченном количестве есть на любом стрелковом стенде. Хотя признанные мастера рекомендуют использовать не сахарную, а сорбитовую карамель в тех же пропорциях: сахарная развивает большее давление и, как следствие, раздувает и прожигает гильзы.

Назад в будущее

Ситуация, можно сказать, вернулась в 1930-е годы. В отличие от других видов модельного спорта, где недостаток отечественных двигателей и прочих комплектующих можно компенсировать импортом, в ракетомодельном спорте это не проходит. У нас ракетомодельные двигатели приравниваются к взрывчатым веществам, со всеми вытекающими условиями по хранению, транспортировке и провозе через границу. Не родился еще на земле русской человек, способный наладить импорт таких изделий.

Выход один — производство на родине, благо технология тут вовсе не космическая. Но заводы, имеющие лицензии на производство таких изделий, за них не берутся — им этот бизнес был бы интересен лишь при миллионных тиражах. Вот и вынуждены начинающие ракетомоделисты из крупнейшей космической державы летать на карамельных ракетах. Тогда как в Соединенных Штатах сейчас стали появляться уже многоразовые модельные ракетные двигатели, работающие на гибридном топливе: закись азота плюс твердое горючее. Как вы думаете, какая страна лет через тридцать полетит к Марсу?

Двигателем мрд своими руками — Авто Портал

И звезды становятся ближе…

Предисловие

В связи с тем, что мой сын Матвей потихоньку подрастает, я стал все чаще задавать себе вопрос — «А чем увлекаются современные детишки 8-14 лет?».

Иногда, встречая на улице группы детишек, только и слышишь, что «… я там десять монстров завалил, я там шахту захватил и.п.». Приходится признать, что компьютерные игры, это важная часть жизни современного ребенка. С этим практически невозможно бороться.

Компьютеры становятся все доступнее, а компьютерные технологии все совершеннее.

По моему мнению, бесконтрольное увлечение компьютерными играми угрожает не только зрению и неокрепшей психике ребенка, мне кажется в этом кроется гораздо большая опасность — фантастические миры компьютерных игр заменяют детям реальность и лишают их собственного воображения, тяги к творчеству и изобретательству.

Кто пойдет в институты и будет создавать новые технологии? Кто построит корабли которые понесут нас к звездам? Кто откроет новые источники энергии? Если в детско-подростковом возрасте не получена тяга к технике, конструированию и изобретательству — то как она разовьется в человеке в дальнейшем? В 14-16 лет подростков уже интересуют «другие» проблемы…

Есть еще спортивные секции, музыкальные и художественные школы. Спорт, музыка и рисование — это тоже важно, но я сейчас хочу сказать о другом… Кто научит маленьких мужчин делать что-то своими руками? Кто позволит им испытать то чувство непередаваемого восторга от создания чего-то своими руками.

Пусть это будет модель планера, или машинки, или схема из батарейки и лампочки — неважно. И это «что-то» обычно сразу несется папе и маме. Протягивая им в ладошках, покрытых порезами, пятнами клея и краски, свое творение — ребенок испытывает не только чувство гордости.

Он начинает верить в самого себя, и эта вера помогает ему в дальнейшем справляться с жизненными трудностями.

Во время учебы в школе я посещал кружок ракетомоделизма. Мы строили не только модели ракет, но и разрабатывали модели космических станций, планетоходов, футуристических звездолетов и т.п.

У нас была отличная практика — «защита» свои проектов перед товарищами. Порой засиживаясь до полуночи, мы до хрипоты в голосе доказывали друг другу преимущества термоядерного двигателя перед фотонным и т. п.

Это было интересно и увлекательно и давало первые, важные навыки ведения аргументированных споров.

Я до сих пор помню имя руководителя нашего кружка — Александр Иванович Яловеженко. Днем он работал электриком, а между сменами и по выходным занимался с нами, мальчишками. Не так просто организовать ракетомодельный кружок за полярным кругом.

Но благодаря его настойчивости и энтузиазму, у нас были и материалы и модельные ракетные двигатели, которые позволяли нам осуществлять пуски моделей ракет. Большое человеческое спасибо ему за потраченное на нас время и привитые навыки в т.ч.

любовь к конструированию, созданию чего-то своими руками.

Но наибольшее влияние на меня, конечно, оказал мой папа. Я всегда восхищался его способностью с легкостью браться за любое дело и доводить его до конца.

Он и сейчас является для меня примером настоящего мужчины.

Я не знаю кем станет мой сын, но я постараюсь научить его правильно держать в руках молоток, паяльник и гаечный ключ, а также передать ему часть жизненного опыта который поможет ему в дальнейшем.

Поехали

Вот и я решил «тряхнуть стариной» и вспомнить свои навыки по созданию моделей ракет. Себе в помощь я взял Матвейку и выдал ему рабочий инструмент — ножницы и бумагу.

И работа закипела! Ребенок со всей серьезностью отнесся к поставленной задаче и через пять минут у меня на столе уже была гора мелко нарезанной бумаги.

На протяжении всего процесса сборки ракеты, длившегося неделю ребенок подходил ко мне по нескольку раз, снова просил ножницы и бумагу и задавал единственный вопрос — «Папа, акету сдеал?»

Конструкция ракеты

Для изготовления ракеты, необходимо найти деревянную или любую другую оправку и склеить бумажный цилиндр. Для этого я использовал лист бумаги для рисования формата А3.

Цилиндр просушивается и укрепляется изнутри 2-3 ребрами жесткости (это кружки из плотного картона с отверстием диаметром 5 мм посередине).
Ребра жесткости вклеиваются в цилиндр.

Общая конструкция ракеты приведена на рисунке:

Обтекатель ракеты также изготавливается из бумаги. Можно выточить его из дерева (лучше бальсы) или использовать подходящий по форме и размеру пластиковый предмет. Для одной из ракет я воспользовался половинкой пластикового яйца.

В принципе, процесс изготовления ракеты достаточно несложен, но требует времени, аккуратности и главное — модельного ракетного двигателя. Для тех кто хочет сделать и запустить модель ракеты, но не имеет возможности её изготовить — можно приобрести её в интернет-магазине.

Там же, вы можете купить модельные ракетные двигатели, стартовые устройства и другую необходимую мелочевку для запуска ракет.

Модельные ракетные двигатели

Для своих ракет я использовал модельные ракетные двигатели промышленного изготовления МРД 20-10-4 (куплены по случаю в одном из магазинов для моделистов, несколько лет назад). Немного поясню, что означают эти цифры. 20 — это суммарный импульс тяги (в Ньютонах * секунду). 10 — это средняя тяга в Ньютонах.

4 — это время работы замедлительного заряда. Из этих цифр можно вычислить ориентировочное время работы двигателя. В нашем случае это 20/10 то есть приблизительно 2 секунды (на самом деле чуть больше, так как 10Н — это средняя тяга, а она не линейна во время работы двигателя).

Для запуска (воспламенения) двигателя в комплекте с ними идут электрозапалы. Это простое устройство, состоящее из нихромовой проволоки с нанесенным воспламенительным составом (лак и черный порох).

Они не всегда обеспечивают 100% воспламенение двигателя, но я знаю, как с этим бороться. Для более удобного использования я снаряжаю их контактным проводом.

В случае отказа, электрозапал легко будет заменить в полевых условиях.

Конструкция пиротехнического заряда

Пиротехнический заряд представляет собой толстостенный бумажный цилиндр, снаряженный пиротехническим составом и размещаемый в носовой части ракеты. Чтобы передать воспламенительный импульс от двигателя в головную часть ракеты я использовал огнепроводный шнур — т. н. стопин. Он изготавливается достаточно просто. Берется медицинский бинт шириной 4-5 см.

и пропитывается в насыщенном растворе смеси нитрата калия и сахара (4:1). После пропитки, влажный бинт раскладывается на газете и хорошо натирается мелко размолотым дымным порохом (для увеличения скорости горения). После этого бинт скручивается. Получается шнур с диаметром 5-6 мм. Шнур высушивается в теплом месте (на батарее) в течение суток.

После этого он готов к использованию.

Стопин

Внимание!
У данного огнепроводного шнура очень высокая скорость горения — до 10 см. в секунду. Его нельзя использовать для воспламенения двигателей!!!

Пиротехнический заряд состоит из звездочек красного огня и разрывного заряда. Звездочки я применил промышленного изготовления, а в качестве «разрывного» заряда я использовал смесь перхлората калия с магнием (5:1).

Эта смесь при воспламенении дает громкий хлопок и яркую вспышку. Можно использовать черный, дымный порох или другие пиротехнические смеси и составы.

Общий вес заряда не должен превышать 20-30 грамм!

Внимание! Если у Вас нет опыта работы с пиротехническими составами — лучше отказаться от их изготовления в домашних условиях!!! Пиротехника это искусство, требующее хороших базовых знаний в области химии и физики, а также досконального соблюдения правил безопасности.

Для правильной «развесовки» ракеты без пиротехнического заряда, необходимо поместить в носовую часть небольшой кусочек пластилина весом 10-15 грамм.
Ракеты я раскрасил имеющимися в наличии аэрозольными красками и немного оклеил яркой цветной бумагой, чтобы было удобнее наблюдать за полетом при пасмурной погоде.

В последнюю очередь, в двигатель ракеты вставляется электрозапал. Перед этим в сопло двигателя помещается немного дополнительного воспламенительного состава (можно воспользоваться мелко размолотой намазкой со спичек). Это обеспечит надежное воспламенение двигателя. Электрозапал фиксируется небольшим кусочком ваты.

Ракета готова к запуску.

Запуск ракет

Для запуска моделей ракет необходимо найти открытую площадку без строений. Лучше если это будет поле или пустырь.

На месте старта ракеты не должно быть легковоспламеняющихся веществ, травы и прочего мусора. Пусковую направляющую располагаем вертикально.

Ракета одевается направляющими кольцами на пусковой штырь, до ограничителя. Подключаем провода к электрозапалу и ракета готова к старту!

Удаляемся на 15-20 метров от пусковой установки. Это — обязательное условие! Двигатель ракеты может взорваться при старте.

Двигатели старые, топливо рассыхается, в нем появляются трещины — поэтому возможен взрыв. Даже для новых двигателей, в ракетомодельных кружках проводится процедура «отжига». Двигатели из разных партий испытываются на стенде.

Иногда, бракованными бывают целые партии — сказываются условия транспортировки и хранения.

Наши ракеты мы решили запустить 31 января, когда установилась ясная и морозная погода без ветра. Местом запуска выбрали городской стадион. Стартовую площадку я организовал на огромном снежном комке. Для запуска ракет (дистанционного воспламенения электрозапала) я использовал небольшой 12в. аккумулятор.

К сожалению, первая «безымянная» ракета взорвалась на старте (наверное она «обиделась» на нас, что ей не присвоили имя…). Я уж было подумал, что и вторую ракету ждет подобная судьба… Но вторая ракета — «Пупсень» показала отличный старт и превосходный, ровный полет завершившийся срабатыванием пиротехнического заряда.

Ура!!! Можно считать, что наша «ракетная эпопея» закончилась победой. Мы сделали звезды чуть-чуть ближе…

Работа кипит

Главный помошник конструктора ракет

Модельные ракетные двигатели МРД

Компоненты для изготовления модели ракеты

Модель ракеты на старте

Будущий ракетостроитель

Установка модели ракеты на пусковую установку

Подготовка модели ракеты к запуску

Старт модели ракеты

Полет и срабатывание пиротехнического заряда

Схема модели ракеты

Модель ракеты из листа А№

Ракетный дуэт

Установка воспламенителя в двигатель модели ракеты

Стабилизаторы ракеты из картона

Стопин

Электрозапалы для МРД

Электровоспламенитель с удлиненными контактами

Заключение

По моему мнению, запуски моделей ракет — одно из самых увлекательных зрелищ. А занятия спортивным ракетомоделизмом развивают у ребенка целый набор навыков: учат усидчивости, сосредоточенности, точности, способствуют более глубокому пониманию законов физики.

Помимо этого, ребенок учится безопасному обращению с пиротехническими составами, что очень насущно при современной доступности пиротехнических игрушек.
Основным препятствием для развития ракетомоделизма в России, которое я вижу, является то, что наша промышленность на данный момент не производит модельные ракетные двигатели.

Все пользуются старыми запасами или самоделками. Кто побогаче — заказывают модельные ракетные двигатели в западных интернет магазинах.

Наибольшее распространение в ракетомоделизме получили двигатели компании ESTES.

Двигатели для моделей ракет

Устройство модельного ракетного двигателя.МРД относится к тепловым реактивным двигателям химического типа.

Другими словами МРД преобразует тепловую энергию, выделяющуюся при химической реакции горения твердого ракетного топлива (ТРТ), в кинетическую энергию потока истекающих из сопла продуктов сгорания, который и создает реактивную силу тяги (тут можно вспомнить формулировку 3-го закона Ньютона).

Тягу ракетного двигателя можно описать следующей формулой (1): Р = mVa + Fa(pа — ph)
где Р — тяга двигателя, Н;
m — массовый секундный расход продуктов сгорания, истекающих через сопло, кг/с;
Va, Fa, pa — скорость, площадь поперечного сечения и давление на выходе из сопла;
ph — давление окружающий среды на высоте полёта, Па.

Таким образом тяга ракетного двигателя зависит от того, какую массу в единицу времени мы отбрасываем, с какой скоростью и на какой высоте у нас происходит полёт. Так, при полёте в безвоздушном пространстве (ph->0) тяга двигателя максимальна и совпадает с реактивной силой mVa+Fapa.

Устройство модельного ракетного двигателя.

Рассмотрим составляющие МРД в том порядке, в котором они отмечены на рисунке:

1 — Реактивное сопло. Назначение его — максимально разогнать продукты сгорания топлива. Как видно из формулы (1), тяга двигателя напрямую зависит от скорости потока на выходе из сопла, поэтому в большинстве случаев сопла МРД имеют на выходе расширяющийся участок для ускорения потока продуктов сгорания до сверхзвуковой скорости. Минимальное проходное сечение сопла называется критическим, в нем скорость потока достигает скорости звука. Из всех элементов ракетного двигателя именно соплу приходится сложнее всего: по нему протекает поток раскаленных продуктов сгорания, состоящий не только из газов, но и из твёрдых частиц (особенность твердотопливных двигателей). Изготавливается сопло чаще всего из керамики.

А в огороде, бывает, и кролики пасутся, так что вывод один — на модели должна быть в обязательном порядке система спасения (или мягкой посадки, кому как нравится) и проверяем перед стартом, какой двигатель вы на модель ставите, чуть забегая вперед отмечу, что на некоторых МРД-шках вышибного заряда нет! В маркировке это конечно же отражается, а потому внимательно смотрим, что куда вставляем.

5 — Передний пыж из бумаги, прикрывающий вышибной заряд. Для эстетики и сохранности.

6 — Корпус двигателя. По совместительству это и ёмкость для хранения топлива, и камера сгорания. И соединяет все части двигателя в единое целое.

При работе двигателя внутри корпуса находятся продукты сгорания с высокой температурой и давлением, поэтому требования к прочности корпуса достаточно серьёзные, так что любые повреждения корпуса могут сказаться, чаще всего, его разрушением. Грубо говоря — бабахнет.

Внешне же МРД имеет форму цилиндра, диаметром D и длиной L.

Чаще всего выпускаются МРД одноразовые, один двигатель — один полёт, хотя есть в природе и перезаряжаемые двигатели многоразового использования, к примеру двигатели фирмы AeroTech из рекламного ролика выше.

Следующий рисунок даёт представление о последовательности работы МРД.

Фаза 1 — зажигание, тепловой импульс от воспламенителя поджигает топливный заряд.

Фаза 2 — топливный заряд сгорает с выделением тепла и образованием высокотемпературных продуктов сгорания, которые, истекая из реактивного сопла с высокой скоростью, создают реактивную тягу. Фаза 3 — топливный заряд передает эстафету замедлителю, он отсчитывает время пассивного участка траектории.

Фаза 4 — замедлитель воспламеняет вышибной заряд, выталкивающий систему спасения из корпуса модели, после чего вся система мягко возвращается на поверхность планеты.

Характеристики модельного ракетного двигателя.

Как правило, модель ракеты строится под какой-то определенный двигатель, характеристики которого известны. Или под серию двигателей, имеющих, допустим, одинаковые геометрические размеры и отличающихся энергетическими возможностями, временем работы замедлителя и т.п. Создавая спортивную модель для участия в соревнованиях вы ограничены по суммарному импульсу двигателей, разрешенных на моделях выбранного класса. Прежде всего нас интересуют следующие характеристики МРД:

Таким образом можно рассчитать скорость модели, которой она достигнет в конце активного участка траектории полёта. По величине полного импульса двигатели разделяются на классы.

По суммарному полному импульсу установленных на модели двигателей делятся на классы и спортивные модели ракет.

— Тяга двигателя, единица измерения — Ньютон.

Тяга МРД не является постоянной во время его работы, каким образом она меняется можно узнать из тяговой диаграммы, для каждой марки двигателя тяговая диаграмма своя и вообще это одна из важнейших и интереснейших характеристик, ниже затрону её подробней. Для примера приведу тяговую диаграмму двигателя «Эстес» А10, имеющую типичную для модельных двигателей форму — пик в начале работы и участок, где тяга сохраняется постоянной.

Почему такая форма тяговой диаграммы наиболее распространена?Быстрое нарастание тяги в начале работы двигателя приводит к энергичному разгону модели по направляющей пусковой установки с тем, чтобы стартующая ракета в момент схода с пусковой имела скорость достаточную для эффективной работы аэродинамических поверхностей-стабилизаторов (если они есть, конечно), которые обеспечивают устойчивость её полёта.Затем уже происходит набор скорости при постоянной величине тяги двигателя.

Грубо говоря, при равенстве этих величин ракета отработает программу полёта не покидая пусковую установку в лучшем случае, либо сойдет с неё и плюхнется неподалеку, что не есть хорошо.

Для гарантированного полёта отношение средней тяги к стартовой массе (тяговооружённость) должно быть больше единицы. Желательно, с запасом.

Тяговая диаграмма.

Очень интересный график зависимости тяги двигателя по времени работы.Получается этот график при стендовых испытаниях двигателей, производитель такие испытания проводит и для каждой марки двигателей прилагает соответствующую тяговую диаграмму.

Что же по ней можно узнать?Конечно, первое, что бросается в глаза — максимальная тяга двигателя. Но. Интерес представляет и то, в какой момент по времени максимум тяги достигается, и насколько быстро она нарастает. К примеру, существуют двигатели, тяговая диаграмма которых выглядит таким образом:

Различная скорость нарастания тяги двигателя приводит к различному ускорению модели в начале активного участка траектории.

Особенно этот момент интересно прорабатывать для моделей-копий ракет, ведь зенитная ракета и ракета-носитель космических аппаратов стартуют с разным ускорением, а характер старта для копии должен бы повторять свой прототип.

Время работы двигателя, то есть время сгорания топлива и создания двигателем тяги отображается на тяговой диаграмме очень наглядно.Если подсчитать площадь под кривой на тяговой диаграмме, можно определить полный импульс тяги МРД.А поделив полный импульс на время работы получим значение средней тяги.

Обе позволяют «собрать» модель ракеты из настраиваемых типовых элементов конструкции (оболочки, шпангоуты, бобышки и т.д.), подсчитывать вес получившейся конструкции, определять положение ЦТ и ЦД, т.е. сразу видно, устойчивым ли будет полёт модели и каков запас устойчивости, а также смоделировать траекторию полёта, выбрав требуемый двигатель из базы данных или есть возможность ввести тяговую диаграмму двигателя, в базе отсутствующего.

Обзор существующих МРД.

Ещё с советских времен наши ракетомоделисты используют модельные ракетные двигатели промышленного производства шосткинского ПО «Импульс».

Маркировка двигателей читается так, к примеру: МРД 20-10-4 МРД — модельный ракетный двигатель;20 — полный импульс 20 Н*с;10 — средняя тяга 10 Н;4 — время работы замедлителя: 4 с.

В настоящее время у нас появились в продаже МРД американской фирмы «Эстес».

Двигатели любопытные и при случае планирую опробовать их в деле. Конструкция их идентична отечественным, правда несколько отличаются по калибру.

Если серии «Мини» (13 мм) и «Стандарт» (18 мм) практически совпадают с нашими, то более мощные двигатели классов С, D и Е, аналогичные нашим МРД 10-8 и МРД 20-10, выполнены в корпусе калибром 24 мм (наши имеют 20,25 мм), их в готовые ракеты под наши движки уже не установишь.

Маркировка двигателей почти аналогична нашим, только полный импульс обозначают буквой. Например, С11-6 читается таким образом:С — полный импульс 10 Н*с;11 — средняя тяга 1,1 Н;6 — время работы замедлителя: 6 с.

Характеристики двигателей фирмы «Эстес»:

Подробную информацию о продукции фирмы «Эстес» можно найти на сайте http://www.estesrockets.com

Меры безопасного обращения с МРД.

1. Беречь двигатели от механический повреждений, порезов, ударов, падений с высоты на твёрдое основание. Повреждения корпуса приводят к снижению его прочностных характеристик, при запуске такого двигателя корпус может громко разрушиться. Повреждение (растрескивание) топливного заряда приводит к резкому увеличению поверхности горения, а значит и давления внутри, на которое прочность корпуса не рассчитана, что опять же приводит к его разрушению.

При повышении начальной температуры возможно ускоренное химическое разложение топлива, изменяющее его характеристики, а также повышается вероятность самопроизвольного запуска. Так что не стоит оставлять двигатели летом на солнце под лобовым стеклом автомобиля. И уж тем более сушить подмокший двигатель на батарее.

Не перекрывать сопла двигателя при установке воспламенителя, МРД не рассчитаны на работу с жёсткой сопловой заглушкой.

Самое надежное — пользоваться штатными воспламенителями и штатными их фиксаторами, при отсутствии последних пользуемся мягкими материалами, классический вариант — вата, бинт, кусочек туалетной бумаги (есть недостаток — эти материалы могут тлеть после запуска, так что в этом случае внимательно относимся к выбору места старта).

5. При отказе на старте подходить к двигателю не ранее, чем через 1 минуту.

6. Модель ракеты должна отвечать требованиям прочности конструкции и устойчивости в полёте. Двигатель должен быть надёжно закреплён на модели, отделение его в полёте от модели в большинстве случаев не допускается. Полёт неустойчивой модели непредсказуем, а значит небезопасен для вас и ваших зрителей, вольных или невольных.

Литература по теме.
Полезную для себя информацию можно почерпнуть и на сайте Федерации ракетомодельного спорта России.
Успехов в творчестве!

1. Эльштейн П. Конструктору моделей ракет.2. Кротов И.В. Модели ракет.3. Канаев В.И. Ключ — на старт!4. Рожков В.С. Авиамодельный кружок.5. Букш Е.Л. Основы ракетного моделизма.5. Минаков В.И. Спортивные модели-копии ракет.Благодарю за внимание!