Любительское ракетостроение, как я делаю ракеты и мои ошибки на которых я учусь (part 1) / Хабр

RuslanNBA
31 янв 2020 в 18:03

Время на прочтение
2 мин

Количество просмотров 54K

Научно-популярное DIY или Сделай сам

Из песочницы

Написанное в этой статье не является инструкцией к применению. Вы всё делаете на свой страх и риск. Соблюдайте технику безопасности

Корпус — варианты материала и различные факторы выбора корпуса

Корпус каждый для своей ракеты выбирает свой и для каждого в приоритете свои факторы выбора материала. Я выбираю корпуса с учётом на наименьший вес и наибольшую прочность. Вес нужно уменьшать для более стабильного и высокого полёта, а прочность нужна что-бы корпус в полёте не расплавился и не разлетелся от давления.

Сначала я выбирал ПВХ трубки для корпусов ракет. Они достаточно прочны, но весят не то что-бы сильно много, но вес нужно сводить к минимуму. Именно из-за веса я потерпел фиаско в пробных запусках, но об этом позже.

После я искал другие материалы или новую технику изготовления корпуса и нашёл технику склеивания бумаги в тубус. После суток клей застывает и корпус становиться прочным как ПВХ труба и в теории легче. Пока-что я эту технику не проверял, но в теории всё звучит достаточно заманчиво.

Виды топлива и двигателей

Топливо

Чаще всего в любительском ракетостроении используются твердотопливные двигатели. Так как для жидкого топлива нужны системы трубопроводов, отдельная камера сгорания, для твёрдого топлива сам двигатель является камерой сгорания и больше ничего от двигателя не требуется.

Есть много твёрдого ракетного топлива, но для любительского ракетостроения подходит больше всего карамельное топливо. Оно достаточно лёгкое в изготовлении и не такое уж и милое как его название. Это топливо достаточно мощное и при правильном его изготовлении выдаёт внушительную тягу.

Состав этого топлива следующий: 70% калиевой селитры, 25% сахарной пудры и 5% древесного угля. Это топливо сильно воспламеняется при малых температурах. Будьте максимально аккуратны.

Двигатели

Давайте сначала разъясним каких размеров сам двигатель и куда он ставится. Двигатель не должен быть размером во весь корпус. Лично я выбираю вариант размера двигателя разделяя высоту основного корпуса на 1.5. В корпусе должно оставаться ещё место для электроники, парашюта, и разных датчиков температур и высоты. Это свободное место называется «Отсек полезной нагрузки». Сам корпус для двигателя выбирается по тому-же принципу как и основной корпус, нужна наименьшая масса и наибольшая прочность.

Пробные запуски и возможная причина неудач

Вот видео первого пробного запуска двигателя от моей ракеты Starship-1

В видео видно что в начале двигателю не хватает тяги и он поднимается только когда заканчивается топливо. Скорее всего проблема недостатка тяги возникла из-за маленького отверстия под сопло. В результате была маленькая струя подачи тяги и двигатель поднялся в воздух только когда заканчивалось топливо. Но проблема скорее всего не только в подаче тяги, но и в массе двигателя. Эта тяга не могла поднять ПВХ трубу ещё и топливо в нагрузку.

Вывод: проблемы с двигателем возникли в результате:

1. Малой тяги из-за мелкого отверстия под сопло.
2. Массы топлива и ПВХ трубы.

Теги:

• Любительское ракетостроение
• карамельное топливо
• starship 1

Хабы:

• Научно-популярное
• DIY или Сделай сам

Всего голосов 52: ↑47 и ↓5 +42

Комментарии
111

Рыбка Немо
@RuslanNBA

Пользователь

Ракета на карамельном топливе

Почти все ракетостроители начинали свой путь в космос с ракетомодельных кружков, кухонь, домашних мастерских в гараже и самодельных ракет. Добрая половина нашей редакции в детстве дырявила небо своими самоделками, как и команда частной российской ракетостроительной компании «Лин Индастриал».

Теги:

Как это устроено

Ракета

Детство

сахар

Холодильник

Самое главное в ракетостроении, по мнению легендарного конструктора ракетных двигателей академика Валентина Глушко, — именно двигатели. Его фраза «Если есть ракетный двигатель, то к нему хоть забор привяжи — он полетит!», пожалуй, одна из самых цитируемых в отрасли. Чтобы вы не повторяли все наши ошибки молодости, главный конструктор по системам управления «Лин Индастриал» Андрей Суворов расскажет, как сделать один из самых доступных, безопасных и эффективных домашних ракетных двигателей, работающих на карамельном топливе. Все начинали с этого.

Классикой ракетомоделисты называют топливо, состоящее по весу из 35% сорбита и 65% калийной селитры, без каких-либо добавок. Это топливо достаточно хорошо изучено, имеет характеристики не хуже, чем у черного пороха, но изготовить его гораздо проще, чем правильный порох.

Для классики годится только калийная селитра. Если вы не найдете ее в продаже, придется изготовить самостоятельно из натриевой или аммиачной и сульфата или хлорида калия. Все это легко купить в магазинах, торгующих минеральными удобрениями. Раньше в фотомагазинах продавали еще поташ (карбонат калия), он тоже годится для получения калийной селитры из аммиачной. При смешивании горячих насыщенных растворов натриевой селитры и хлорида калия калийная селитра сразу выпадет в осадок. Самодельную селитру придется очистить перекристаллизацией, для этого ее нужно растворить в небольшом количестве горячей кипяченой воды, профильтровать через вату и поставить раствор в холодильник. Затем слить раствор, селитру высушить на батарее, а потом и в духовке при примерно 150 °C один-два часа. Тут главное — соблюдение температурного режима. При более высокой температуре селитра расплавится и станет непригодна к дальнейшему процессу.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Сорбит (заменитель сахара) продается и в аптеках, и в продуктовых супермаркетах. Температура плавления чистого сорбита — 125 °C, и по этой температуре его можно отличить от моногидрата сорбита, который иногда продается тоже под видом сорбита. Моногидрат плавится при 84 °C и для топлива не годится.

Несмотря на несерьезное название, карамельное ракетное топливо — это в первую очередь ракетное топливо, и обращаться с ним надо уважительно. Первое и главное правило техники безопасности — ни в коем случае не готовьте карамель на открытом огне! Только электроплитка с закрытым нагревателем и регулятором температуры. Если нет подходящей электроплитки, можно воспользоваться обычным утюгом, только нужно сделать подставку, удерживающую его в перевернутом положении, подошвой вверх. Положение регулятора «три точки» отлично подходит для изготовления карамели.

Не следует отмеривать компоненты на глазок или по объему — только на весах. На вид кучки в 35 г сорбита и 65 г калийной селитры по объему почти одинаковы. И это нам на руку, так как легче смешивать топливо. Если селитра крупная, ее придется растолочь в ступке или смолоть в кофемолке. Но не перестарайтесь: кристаллики должны быть как у мелкой соли — если смолоть селитру в пыль, с топливом будет трудно работать, так как оно станет слишком вязким. 20 секунд — то что надо.

Теперь можно смешать порошки селитры и сорбита и выложить слоем не больше сантиметра толщиной на сковороду. Желательно мешать смесь непрерывно. Для перемешивания удобно использовать деревянную палочку от эскимо. Постепенно сорбит начнет плавиться, через некоторое время, по мере перемешивания, порошок превратится в однородную субстанцию, похожую на жидкую манную кашу. В расплавленном сорбите часть селитры растворяется, поэтому готовое топливо остается достаточно жидким и при 95 °C. Перегревать топливо не следует, потому что при 140 °C растворимость селитры скачком увеличивается и так же, скачком, увеличивается вязкость этого состава.

Как только последние комочки селитры размешаны, топливо готово — теперь его надо заливать в форму. Идеальная простота! Хорошо бы и двигатель сделать максимально простым, и такой вариант существует — если не требуются рекордные параметры, предпочтительным становится бессопловик. Он состоит только из корпуса и заряда. Несмотря на то что без сопла часть энергии топлива расходуется впустую, за счет экономии веса корпуса и сопла можно залить больше топлива и скомпенсировать потери.

Для корпуса понадобится картонная трубка с толщиной стенок 1−2 мм. Диаметр ее может быть от сантиметра до трех, но для первых опытов лучше брать не самую маленькую, так как с маленькими двигателями неудобно работать — и топливо застывает быстрее, и сложно его упаковать в маленькую трубку. Длина ее должна быть в 7−15 раз больше диаметра. Можно и в 20, но заливать топливо уже очень неудобно.

Еще потребуется стержень для формирования канала в топливе — в двигателях на карамели топливо горит по поверхности канала, а не с торца заряда, у торца не хватает площади. А для центрирования стержня потребуется деревянная или пластиковая бобышка, подходящая по диаметру и к картонной трубе, и к центральному стержню. Диаметр канала должен быть примерно втрое меньше внутреннего диаметра трубы.

Вставив бобышку в нижний конец трубы и стержень в нее, в оставшееся пространство заливаем «манную кашу» из селитры и сорбита. Топливо остывает и затвердевает, но не до конца. Из его остатков надо скатать палочку-образец — обычно размером с мужской мизинец. По ней измеряют скорость горения получившегося топлива — для этого ее снимают на видео и по видео засекают время. Конечно, длину палочки надо измерить до поджигания. Нормально изготовленная сорбитовая карамель должна гореть со скоростью от 2,6 до 2,8 мм/с, то есть палочка длиной 5 см сгорит за 17−19 с.

Примерно через шесть часов — пока топливо еще мягкое — нужно вынуть бобышку и стержень. Осталось сделать заглушку из эпоксидной смолы там, где была бобышка: на обнажившуюся поверхность топлива наклеить кружок скотча, чтобы прикрыть канал, и из скотча сделать бортик вокруг картонной трубки, после чего залить туда эпоксидную смолу с отвердителем. Уровень смолы должен быть на 0,5 см выше края трубки, чтобы смола впиталась в торец. Иногда еще делают три-четыре отверстия диаметром 3 мм, в свободной от топлива части трубки, чтобы эпоксидная пробка лучше держалась. После затвердевания клея двигатель к запуску готов. Для его воспламенения отлично подходят китайские «электрические спички», продающиеся в интернет-магазинах, надо лишь удлинить провода и вставить запал в двигатель до упора, до эпоксидной заглушки — если двигатель загорится в середине, полной тяги он не выдаст.

Но, полетав на «классике», ракетолюбитель часто чувствует потребность ее как-то усовершенствовать. Тут и начинается изобретение разных составов и технологий. Волшебное слово «перхлорат» волнует сердца конструкторов-самодельщиков. Но напрямую заменить нитрат калия на перхлорат калия не получится — топливо будет иметь другие характеристики. Без третьего компонента — катализатора — состав демонстрирует пульсирующее горение вплоть до взрыва. А с катализатором плавить топливо опасно, вот и приходится использовать вакуумное прессование с подогревом и прочую экзотику, большинству любителей недоступную.

Изготовление ракетного топлива из воды. Как это изменит будущее космоса… | Элла Алдерсон | Predict

Опубликовано в

·

Чтение: 7 мин.

·

19 декабря 2020 г.

Концепт-арт лунной базы. Покрытие куполов реголитом защитит находящихся внутри космонавтов от радиации. Изображение предоставлено ESA/Foster + Partners.

Ничто так не волнует нас, как открытие воды в другом мире. Мы восхищаемся каналами и нишами на Марсе или сидим, мечтая об инопланетной жизни, которая может толпиться под зловещим и таинственным ледяным покровом Европы. Даже вода нашей планеты — ценный ресурс, тесно связанный с возникновением всех организмов. Однако открытие воды на Луне волнует нас по другой причине. Это не обязательно потому, что Луна может иметь земную историю, как в случае с Марсом. И не потому, что мы верим, что инопланетные организмы крадутся через эти темные полюса. Лед на Луне волнует нас, потому что он может позволить нам создавать ракетное топливо в космосе и открыть огромные новые экономические возможности для нескольких стран-первопроходцев.

Вода в лунных кратерах. Изображение НАСА.

Превращение воды в ракетное топливо — невероятно простой процесс. Вода, как мы все знаем, состоит из атомов водорода и кислорода, связанных вместе в молекулу. Водород является одновременно самым распространенным и самым легким из всех известных элементов, но при этом он интенсивно горит при температуре 5500°F (3038°C). На сегодняшний день это самое эффективное ракетное топливо, поскольку оно дает нам самый высокий удельный импульс. Кислород, с другой стороны, поглощается самолетами, где он затем соединяется с топливом самолета для создания сгорания. Ракетные корабли не могут позволить себе такой роскоши, поскольку они работают в нехватке кислорода в недрах космоса. Они должны принести с собой собственные запасы кислорода. Но эти два элемента должны быть сначала отделены друг от друга, если мы собираемся использовать их для питания наших ракет.

Для этого подводим к воде электрический ток. В процессе электролиза атомы водорода и кислорода расщепляются. Водород будет действовать как топливо, а кислород — как окислитель. Их необходимо хранить в виде жидкостей в двух разных контейнерах, пока они не будут закачаны в камеру сгорания, а затем воспламенены. Сжижение кислорода и водорода — непростая задача. Для сжижения требуется температура на сотни градусов ниже 0. В случае с жидким водородом он должен храниться при температуре -423°F (-253°C). Любой источник тепла во время космического полета может вызвать испарение или расширение водорода и взрыв. Поэтому он должен быть изолирован от трения воздуха, солнечного света и выхлопных газов ракеты, а также иметь вентиляционные отверстия на случай, если он поглощает тепло и расширяется. В камере сгорания жидкий водород и кислород воспламеняются, а затем сгорают, создавая выхлоп, который, в свою очередь, проходит через сопло и обеспечивает ракете тягу.

Тяга — это то, что позволяет ракетному кораблю ускользнуть от умоляющей гравитации Земли, словно вырвавшись из руки того, кого любишь. И с этим — всего лишь с парой простых элементов, найденных в небольшом пруду с водой — вы можете исследовать сумрачные темные пределы Солнечной системы.

В отличие от твердого ракетного топлива, горение которого не прекращается после воспламенения, жидкое ракетное топливо позволяет контролировать скорость горения, отключая подачу топлива. Здесь можно увидеть баки с жидким кислородом и жидким водородом Сатурна 1B. Изображение НАСА.

Приблизительно 600 миллионов метрических тонн лунного льда можно собрать и использовать для будущей внепланетной заправочной станции. Ракетам больше не нужно будет брать с собой столько топлива, что уменьшит вес ракеты и количество топлива, необходимое для старта с Земли. Заправочная станция на Луне значительно снизила бы стоимость полетов в любые близлежащие миры, в том числе на Марс, о котором всегда мечтали. Возможность производить кислород и водород также сделала бы миссии более безопасными, поскольку астронавты могли бы пополнить свои запасы во время чрезвычайной ситуации. Лунный лед, мягко говоря, многообещающий. А вот со сбором урожая проблема.

Коренная порода Луны покрыта слоем рыхлой пыли и камня, известным как реголит. Лед на Луне не состоит из огромных пластов, как мы иногда видим здесь, на Земле. Вместо этого он проявляется в виде мелких зерен, смешанных с лунной почвой. Большинство этих ледяных отложений расположено на полюсах, где постоянные тени и неумолимые температуры делают рельеф местности суровым испытанием для наших роботизированных машин. Температура может опускаться до -415°F (-248°С). В идеале будет несколько таких машин, работающих над добычей лунных ресурсов одновременно, но неразумно иметь группы людей, наблюдающих за каждой машиной. Одна из главных целей технологии добычи на Луне — сделать их максимально автономными, чтобы для группы машин требовался только один человек, а не наоборот.

Один из предлагаемых методов извлечения этого льда включает сублимацию. Сублимация — это когда вещество в твердом состоянии сразу переходит в газообразное состояние, не становясь предварительно жидким. В этом случае лед превратился бы в пар, никогда не проходя через фазу жидкой воды. Линзы, возвышающиеся над краями кратеров, будут концентрировать солнечный свет на почве, нагревая ее до -63°F (-53°C). Этого было бы достаточно, чтобы вызвать сублимацию льда. Водяной пар собирается холодной поверхностью, а затем направляется на перерабатывающий завод, где он может пройти процесс превращения в ракетное топливо. Энергия, необходимая для этого, может поступать от солнечных батарей или от ядерного реактора.

Собранная вода также должна быть очищена перед использованием. Отсутствие надлежащей очистки воды может сделать топливо не только непригодным для использования, но и нестабильным и опасным в обращении. Процесс очистки представляет собой уникальную задачу. У инженеров нет образцов лунного грунта, с помощью которых они могли бы неоднократно тестировать свои системы очистки, а это означает, что по крайней мере часть их работы должна будет зависеть от надежды — надежды на то, что все эти роботы смогут выполнять свою работу, как только они, наконец, на поверхности Луны.

Оценка Лаборатории реактивного движения НАСА заверяет нас, что даже при добыче со скоростью 1 метрическая тонна в день все равно потребуется более 200 миллионов лет, чтобы удалить всего 1% лунной массы. Не было бы никаких изменений ни в орбите Луны, ни в земных приливах. Изображение предоставлено ESA/Foster + Partners.

Другие ценные ресурсы, доступные на Луне, включают гелий-3 для использования в термоядерной энергии и редкоземельные металлы, жизненно важные для нашей современной электроники. Программа НАСА «Артемида» уже поставила цель вернуть астронавтов на Луну к 2024 году, в том числе первую женщину, ступившую на ее поверхность. Китай и Россия также планируют направить своих людей, при этом Китай поставит перед собой цель сделать это к 2030 году, а Россия — к 2040 году. По оценкам НАСА, это мероприятие будет стоить не менее 20 миллиардов долларов. Этот план возвращения на Луну включает в себя предложение по добыче ее многочисленных ресурсов и предложения по предотвращению вмешательства баз стран друг в друга.

В прошлом наш спутник-компаньон был всем, от божества до пункта назначения. Она подарила нам сияющий свет, которым можно любоваться даже после того, как солнце уже давно зашло. Теперь Луна превращается в трамплин: место, где мы испытаем наши технологии — и самих себя — прежде чем отправиться глубже в Солнечную систему. Вот сокровищница мира, созревшая для конфликтов между странами. Для меня одновременно и волнительно, и в то же время душераздирающе слышать о планах добычи полезных ископаемых на Луне. Я не хочу, чтобы луна рассматривалась как еще один ресурс в нашей вселенной. Некоторые из нас забыли, как лелеять Землю, когда мы индустриализируем ее когда-то дикое, нетронутое тело. Печально думать, что это чувство может распространиться на остальную вселенную, начиная с убывающей луны.

Не забудьте посмотреть на прекрасное выравнивание Сатурна и Юпитера в этот понедельник вечером. Хотя это выравнивание действительно происходит каждые 20 лет, 2020 год станет первым за 400 лет, когда планеты пройдут так близко друг к другу. Их можно увидеть в небе невооруженным глазом сразу после захода солнца. Я считаю, что 30 минут после захода солнца — лучшее время, чтобы увидеть их. Они будут жить к юго-западу от Луны.

Вот руководство НАСА по поиску Великого соединения:

«Найдите место с беспрепятственным обзором неба, например поле или парк. Юпитер и Сатурн яркие, поэтому их видно даже из большинства городов.

Через час после заката посмотрите на юго-западное небо. Юпитер будет выглядеть как яркая звезда, и его будет хорошо видно. Сатурн будет чуть тусклее и будет казаться немного выше и левее Юпитера до 21 декабря, когда Юпитер догонит его и они поменяются местами на небе.

Планеты можно увидеть невооруженным глазом, но если у вас есть бинокль или небольшой телескоп, вы сможете увидеть четыре больших спутника Юпитера, вращающихся вокруг гигантской планеты.

Использование бактерий для производства ракетного топлива

Тенденции
/
Технологии
/
Использование бактерий для производства ракетного топлива

В недавнем исследовании, проведенном группой экспертов по биотопливу из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) и опубликованном в Джоуль , обсуждается новый класс устойчивого биотоплива, достаточно мощного для запуска ракет. Хотя люди производят топливо из нефти с 1800-х годов, этот процесс включает в себя грубую химию, чтобы заставить его работать. С другой стороны, бактерии производят энергетические молекулы на основе углерода уже миллиарды лет.

Что касается ракетного топлива, НАСА в настоящее время использует комбинацию топлива (жидкий водород) и окислителя (жидкий кислород), чтобы их массивные ракеты взлетали со стартовой площадки в космос. Несмотря на технологическую эффективность и впечатляющее зрелище, существуют некоторые экологические проблемы из-за различных видов топлива, которые используются для того, чтобы эти бегемоты размером со здание катапультировались в неизвестность.

Используя биологию в качестве источника вдохновения, команда лаборатории Беркли успешно создала топливо, известное как полициклопропанированный метиловый эфир жирной кислоты (POP-FAME) в бактериях, которое может обладать плотностью энергии выше, чем у наиболее широко используемых ракетных и авиационных топлив, в том числе ракетное топливо, используемое НАСА. 2

«Этот путь биосинтеза обеспечивает чистый путь к высокоэнергетическому топливу, которое до этой работы можно было производить только из нефти с использованием высокотоксичного процесса синтеза», — сказал руководитель проекта Джей Кислинг, пионер синтетической биологии и генеральный директор Объединенный институт биоэнергетики Министерства энергетики (JBEI) и соавтор исследования. «Поскольку это топливо будет производиться из бактерий, питаемых растительным веществом, которое производится из углекислого газа, извлеченного из атмосферы, их сжигание в двигателях значительно уменьшит количество добавленного парникового газа по сравнению с любым топливом, полученным из нефти».

Данные моделирования показывают, что кандидаты на СОЗ-топливо стабильны и безопасны при комнатной температуре, а значения их плотности энергии будут превышать 50 мегаджоулей на литр (МДж/л) после химической обработки. Для сравнения, обычный бензин имеет плотность энергии 32 МДж/л, в то время как JetA (наиболее распространенное реактивное топливо) и RP1 (популярное ракетное топливо на основе керосина, используемое НАСА и SpaceX) содержат около 35 МДж/л.

В ходе исследования исследовательская группа обнаружила, что СОЗ-МЭЖК имеют структурное сходство с экспериментальным ракетным топливом на нефтяной основе под названием синтин. Это ракетное топливо было разработано Советским Союзом в 1960-х годов и использовался для нескольких запусков космического корабля «Союз» в 1970-х и 1980-х годах. Однако его производство было прекращено из-за высоких затрат и сложного процесса его изготовления, в первую очередь из-за эпизодов синтетических реакций с токсичными побочными продуктами, взрывчатыми веществами и промежуточными продуктами.

«Хотя POP-FAME имеют сходную структуру с синтином, многие из них имеют более высокую плотность энергии. Более высокая плотность энергии позволяет использовать меньшие объемы топлива, что в ракете может позволить увеличить полезную нагрузку и снизить общие выбросы», — сказал Александр Ландера, штатный научный сотрудник. в Sandia National Laboratories и соавтор исследования. «При смешивании с реактивным топливом правильно деоксигенированные версии СОЗ-МЭЖК могут обеспечить аналогичные преимущества».