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

RuslanNBA

Время на прочтение
2 мин

Количество просмотров

52K

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».

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.

Рецепт ракетного топлива — Как приготовить коктейль из замороженного ракетного топлива

Фото Food52

  • Время подготовки
    10 минут
  • делает
    3-4 напитка

Перейти к рецепту

Заметки автора

Мне не всегда нравился мой блендер. Много лет назад я не уважал блендерные напитки, и в первом черновике моей книги «Пей, что хочешь » содержалась оговорка о том, что в книге они даже не обсуждаются. Я думал, что напитки, приготовленные таким образом — с тоннами льда и относительно высокой долей сладости (и веселья) — недостаточно серьезны для книги о коктейлях, написанной ветераном нью-йоркской коктейльной сцены с десятилетним стажем.

Что ж, я ошибся. Впервые я начал знакомиться с чудесами блендера, когда мне нужно было быстро приготовить сиропы, не включая плиту. А потом я погрузился в приготовление полноценных блендерных напитков. Как профессиональный бармен, у меня был доступ к оборудованию, которое позволяло готовить самые разные текстуры напитков, от льдогенераторов до морожениц; и один из лучших способов воссоздать эти напитки дома — с помощью блендера.

Недавно мне поручили расследовать дело о ракетном топливе, коктейле, созданном на Огненном острове. Во время поездки мне удалось определить ключевые качества восхитительного исполнения этого местного деликатеса из кокоса, ананасового амаретто и крепкого рома. Главное, что вы должны помнить о напитках из блендера, это то, что вы должны изменить свои пропорции; вы не можете просто взять, скажем, обычный рецепт дайкири и ожидать, что он сработает: сладость должна быть увеличена, чтобы придать напитку тело и текстуру, а содержание алкоголя должно быть снижено, чтобы сохранить лед. Для ракетного топлива мы достигаем этого щедрым применением Coco Lopez, кокосового крема и ликера амаретто, сохраняя при этом крепкий ром в качестве завершающего штриха после смешивания. Этот рецепт довольно близок к оригиналу с одним дополнением: биттер Ангостура. Я считаю, что это придает напитку немного больше сложности, но если вы пурист, не стесняйтесь опускать их. — Джон де Бари

  • Test Kitchen-Approved

Что вам понадобится

Смотреть этот рецепт

Ракетное топливо

Ингредиенты
  • 8 унций
    Кокосовый крем Coco Lopez
  • 6 унций
    свежий ананасовый сок
  • 4 унции
    ликер амаретто
  • 4 тире
    Ангостура биттер
  • 4,5 унции
    151 ром (поровну разделить на каждый напиток)

  • Украшение: коктейльная вишня (Luxardo) и долька апельсина, на шпажке

Направления
  1. Смешайте кокосовые сливки, ананасовый сок, амаретто и биттер в блендере с 6 чашками льда. Смешивайте на высокой скорости в течение 20 секунд до получения однородной массы.
  2. Налейте в высокие стаканы, долив в каждый 1,5 унции 151 рома. Украсьте вишенкой и долькой апельсина.

Популярно на Food52

Сколько нужно сахара, чтобы доставить ракету на Луну?

На вопросы, которые дети задают о науке, не всегда легко ответить. Иногда их маленький мозг может привести к большим местам, которые взрослые забывают исследовать. Именно это вдохновило на создание нашей серии Научный вопрос от малыша, в которой детское любопытство используется как отправная точка для исследования научных чудес, о которых взрослые даже не думают спрашивать. Ответы для взрослых, но они были бы невозможны без чуда, которое может принести только ребенок. Я хочу, чтобы малыши в вашей жизни были ее частью! Присылайте мне свои научные вопросы , и они могут послужить источником вдохновения для колонки. А теперь, наш малыш…

Сколько чашек сахара потребуется, чтобы добраться до Луны? — Джейкоб П., 4,5 года

Скажу откровенно: я выбрал именно этот вопрос, потому что подумал, что будет забавно потроллить некоторых ученых-ракетчиков. Я подумал, что задать им этот вопрос будет все равно, что спросить группу инженеров о количестве кошек, которое потребуется для строительства моста Верразано-Нарроуз.

Итак, вы можете себе представить мое удивление, когда Мейсон Пек, профессор машиностроения и аэрокосмической техники в Корнельском университете, начал весело рассказывать мне о топливе на основе сахара, используемом для запуска самодельных ракет. «Во всем мире есть много любителей ракетостроения, которые интересуются дурацкими видами топлива, — сказал мне Пек. «Все, что содержит какой-то углеводород, работает очень хорошо. Так что, очевидно, сахар сработает. Пепперони работает, и, кстати, вкусно пахнет». Да серьезно.

Ракеты не летают только на сахаре (или пепперони), заметьте. Вместо этого сахар смешивают с нитратом калия — минеральным веществом, которое также используется для сохранения продуктов питания и изготовления пороха — для создания податливой массы, которой можно придать форму, подходящую для ракеты, прежде чем она затвердеет. Сахар сгорает и придает ракете силу, а нитрат калия снабжает сахар кислородом, который ему необходим для горения. Если вы смотрели фильм «Октябрьское небо», то вы видели вымышленные версии будущих ученых-ракетчиков НАСА, строящих именно такие «конфетные» ракеты с двигателями. 1 (Узнав, что сахар действительно имеет отношение к ракетной технике, мы в FiveThirtyEight начали задаваться вопросом, действительно ли нас троллит, а Джейкоб П. тайно является 45-летним энтузиастом-любителем ракетной техники. )

Тем не менее, вопрос этого малыша поднимает некоторые интересные вопросы. Итак, поскольку сахар может запустить ракету, может ли он на самом деле отправить объект на Луну? Ответ на этот вопрос — нет, сказала Кэти Робинсон, научный сотрудник Лунного и планетарного института, исследовательского центра, поддерживаемого НАСА, в Хьюстоне. Или, скорее, настолько непрактично, что становится функционально невозможным. И «почему», стоящее за этим, оказывается очень важным — как для недавних достижений космической науки, так и для наших мечтаний о межпланетных путешествиях.

Это потому, что мы решаем, как питать наши ракеты, основываясь не только на способности топлива гореть, но и на том, сколько его необходимо для ускорения ракеты вне атмосферы Земли. Когда мы запускаем что-либо с поверхности Земли, подавляющее большинство того, что мы запускаем, — это огромное количество топлива, необходимого для создания силы, способной разорвать непроницаемые узы сильного гравитационного поля нашей планеты. «Это крайне неэффективно», — сказал Ричард Вондрак, ученый-консультант по лунной науке и исследованиям в отделе исследования Солнечной системы НАСА. «Вы разгоняете много топлива, но сжигаете его в процессе».

Рассмотрим программу «Аполлон», проект НАСА по отправке человека на Луну. Когда мы отправили людей с Земли на Луну, мы запустили их с помощью «Сатурн-5» — небоскреба, одновременно выполняющего функцию огнемета, который до сих пор остается самой высокой и мощной ракетой из когда-либо летающих. С другой стороны, когда мы запустили людей с Луны, чтобы отправить их обратно на Землю, мы сделали это с помощью лунного модуля — небольшого лоскутного транспортного средства, которое является функциональным (и почти буквальным) эквивалентом бородавки на лице Сатурна V. Разница в размерах этих двух транспортных средств является необходимым результатом разницы в гравитационных силах на Земле и на Луне. Помните, что сила тяжести на Луне примерно в шесть раз меньше, чем на Земле. Туда прыгают космонавты. Взлетают ракеты.

Большая беда земных космических путешествий заключается в том, что нам приходится начинать наше путешествие с Земли. Это означает, что нам нужно нести много топлива, что увеличивает вес и требует больших расходов. Доставка одного фунта полезной нагрузки — людей, машин, объектов и предметов снабжения, которые несет ракета, — стоит около 10 000 долларов США. орбита. Для справки: самой большой полезной нагрузкой, которую когда-либо несла система космических шаттлов, была рентгеновская обсерватория Чандра весом 50 000 фунтов в 1999 году. По оценкам Вондрака, отправить что-то на Луну, вероятно, в шесть раз дороже. «Итак, литровая бутылка воды стоит 60 000 долларов — доллар за воду и 60 000 долларов за транспорт», — сказал он.

Из-за высоких расходов важно, чтобы любое ракетное топливо, которое мы используем для ухода с Земли, содержало как можно больше энергии на фунт. Вот почему НАСА не запускает сахарные ракеты. Сахар может хорошо работать для любительской ракетной техники, но по сравнению с профессиональным ракетным топливом , он обладает гораздо меньшей энергией при том же объеме пространства.

Робинсон любезно подсчитала для меня, сравнив энергию белого сахара с энергией жидкого водорода и керосина, используемых в «Сатурн-5». предположения, которые вы делаете о том, как сгорают различные виды топлива. Но Робинсон сказал, что нам понадобится 4 753 787 чашек сахара, чтобы запустить «Сатурн-5» на Луну. И поскольку этот сахар не обладает таким же соотношением энергии к весу, как реальное ракетное топливо, этот гипотетический Сатурн V должен нести на 285 метрических тонн больше топлива, чем реальный. «По сути, в сахаре много энергии, но это все равно паршивое ракетное топливо», — сказал мне Робинсон. «Жидкий водород — действительно хорошее ракетное топливо; на его долю приходится только 13 процентов топлива по массе на «Сатурн-5», но на его долю приходится почти половина всей энергии, вырабатываемой при сгорании этого топлива».

Даже при правильном топливе дальние космические путешествия делают и без того неэффективную систему еще более неэффективной. Представьте, что вы пытаетесь взлететь с Земли, отправиться на Марс, приземлиться, запустить оттуда и вернуться обратно. Теперь представьте дополнительный вес и расходы на перевозку всего топлива, необходимого для этой поездки. И именно поэтому вы слышите об исследованиях таких вещей, как космические лифты — до сих пор все еще научно-фантастическая система, которая будет доставлять людей, детали и (да) топливо на орбиту Земли, перемещая транспортное средство по тросу между планетой и геосинхронная космическая станция. Космическому лифту не понадобятся ракеты или ракетное топливо, и он будет на 100% многоразовым. Но на данный момент нет достаточно прочного материала, чтобы построить такую ​​привязь.

Вместо этого, в ближайшее время, наш лучший вариант для планетарных прыжков — усовершенствовать систему, которая позволила бы нам производить топливо не на Земле, а где-то еще. По словам Пека, как только вы сможете получить свое космическое топливо в космосе , вам не нужно будет отягощать запуск Земли дополнительным газом, и тогда откроются всевозможные возможности. Некоторые идеи о том, как это сделать, включают строительство космических кораблей, которые могут создавать собственное топливо на борту. Пек является частью команды, работающей над одним из таких проектов. Ракетный двигатель команды использует солнечную энергию для создания электрического тока, который может разделить молекулу воды на водород и кислород. Эти элементы, отделенные от их клубка H3O, очень хорошо горят. Фактически, комбинация жидкого водорода и кислорода является обычным выбором для ракетного топлива.

Команда Пека разработала корабль размером с портфель, который может летать на их двигателе. Подвох: у него достаточно мощности только для полета в космосе, а не для самостоятельного запуска с Земли. Он сказал мне, что НАСА согласилось вывести его на орбиту для испытательного полета — возможно, в ближайшие пару лет. Даже если он не сможет запуститься сам, такой корабль сделает пересечение Солнечной системы более осуществимым и намного более дешевым.

Другой вариант в том же духе — собирать водород и кислород с другого объекта в космосе — например, с Луны. Не так давно, сказал Робинсон, это прозвучало бы безумием. Когда она была старшекурсницей — примерно в 2007 году — идея о наличии воды на Луне была отвергнута сразу. К тому времени, когда она работала над своей докторской диссертацией, всего четыре года спустя, наличие воды на Луне было доказанным фактом. По словам Робинсона, вопрос о том, насколько легко можно превратить эту воду в ракетное топливо, остается открытым. Большая часть обнаруженных запутанных соединений водорода и кислорода находится не в форме, которую большинство из нас распознало бы как воду. Вместо этого он связан с минералом апатитом — микроскопическими кристаллами, составляющими 1 или 2 процента образца лунного грунта. И исследователи до сих пор не уверены, достаточно ли его на Луне, чтобы служить источником топлива.

Тем не менее, НАСА также обнаружило доказательства того, что в некоторых затененных кратерах на поверхности Луны есть лед. Если это правда, то расщепление лунного водорода и кислорода на ракетное топливо будет намного проще. По словам Робинсона, это будет ключом к созданию настоящей постоянной лунной базы — источника не только топлива, но и питьевой воды и кислорода для дыхания.

Posted inПопулярное