Как сделать сопло для реактивного двигателя + видео обзор

Ракета от Амперки, часть 2: корпус двигателя, расчет сопла

Мы продолжаем строить нашу ракету. Прошла неделя, выкладываем отчет по тому, что было за это время сделано.

Для тех, кто зашел в тред впервые, прошу ознакомиться с предыдущим выпуском.

Корпус двигателя

Исходя из полученных данных по давлению газов в камере сгорания, нужно было подобрать соответствующий этим требованиям материал для корпуса. Пиковое значение давления у нас достигает почти 25 бар. Не мудрствуя лукаво и стараясь уйти от применения сложных материалов, где это возможно, решили принять на вооружение стальную трубу ДУ-40 с толщиной стенки в 3 мм. Соответствующая труба была успешно закуплена в первом попавшемся металлопрокате на рынке. К сожалению, склад продукции железячников находился под открытым небом, поэтому труба была несколько ржавая.

Чистка при помощи наждачки и «лепестковой палки» авторства Лёши (передаем привет Доктору Дью) не дала нормального эффекта, да и лень было убивать на это время. Почему бы для этого не попробовать химический метод. Из химикатов, находившихся в пешей доступности, была только уксусная эссенция, лимонная кислота и соль, все закуплено в ближайшем продуктовом. Как назло, не нашлось подходящего тазика, в который можно было бы налить ядрёную смесь и замочить трубу, пришлось соорудить его дендрофекальным методом из других ящиков, используя их в качестве опоры, а между ними сделать ванночку из пленки, оставшейся после дирижабля, которую закрепили канцелярскими зажимами. Положили в этот хрустящий саркофаг трубу и залили ускусной кислотой, а для большего эффекта добавили растворенной в воде лимонки с солью.Реакция началась мгновенно.Довольные собой, мы оставили трубу травиться и с чистой совесью ушли на выходные.

Запах, встретивший нас в понедельник, выедал глаза и нос. Да, зря не накрыли ничем ванну. Запах уксуса, казалось, въелся в стены. Даже открытые настежь окна не спасли, потом еще дня два пришлось проветривать студию, так что не повторяйте наших ошибок: такие вещи лучше делать либо на открытом воздухе, либо в плотно закрытой таре. Тем не менее, результат очистки трубы оказался вполне удовлетворительным: труба очистилась как снаружи, так и изнутри. Имейте в виду, после применения химической очистки нужно хорошо промыть водой и вытереть насухо очищаемый предмет, иначе он на воздухе быстро покроется мутной пленкой. Еще лучше — защитить поверхность от контакта с воздухом при помощи краски, лака или аэрозольного полиуретана. Но это исключительно наши эстетические соображения.

Расчет сопла

Сопло является главным элементом ракетного двигателя (ваш К.О.), так как в зависимости от правильности его расчета можно на одном и том же топливе с тем же каналом получить до +30% тяги.

К расчету сопла мы подошли основательно, подробно о математике его расчета, принципе работы, протекающих процессах, да и вообще, много интересного, можно почитать тут и elib.osu.ru/bitstream/123456789/8572/1/1805_20110824.pdf. А еще на сайте нашелся очень удобный инструмент Rocki-nozzle (на странице листаем вниз и ищем соответствующую ссылку).

Скачиваем программу, подставляем в соответствующие поля расчетные значения ракеты, полученные в Meteor (см. статью) и получаем на выходе профиль сопла. Обрабатываем данные и в SolidWorks рисуем красивое сопло с соблюдением всех размеров.

Дальше должна была быть токарочка, но в этот выпуск она не попадет, так как у моего знакомого токаря ЧПУ-шка отказалась работать и мы не могли к нему попасть. Но к следующей серии все обязательно будет.

Скачать полученную модель можно по ссылке в конце статьи.

Испытательный стенд, механическая часть

Перед запуском ракеты мы хотели провести замеры тяги на стенде, дабы сравнить реальные диаграммы с теми, что нам посчитал Meteor и проверить, насколько можно верить его расчетам. В принципе, вопрос о стенде поднимался уже давно и его решение было неизбежным, и, какобычно, методом проб и ошибок.

Первой версией было использование в качестве чувствительного элемента кухонных весов на 10 кг с прикрепленным к оси стрелки потенциометром. Весы были успешно куплены в интернет-магазине и разобраны для удобства использования. Но к этому моменту появились расчеты тяги и понимание, что диапазона измерений в 10 кг будет мало, а вносить погрешность в виде рычагов не хотелось.

Затем пришел вариант 2: использовать аналоговые (с вращающимся диском) напольные весы для людей. При разборке внутри оказалась дохленькая пружина и система рычагов, крайне неподходящая для использования на стенде.

Вариант 3. Долго не хотелось его применять из-за низкой скорости измерений, однако, пришлось. Тензодатчики. Поскребав по сусекам, нашел дома несколько тензодатчиков на 50 кг и модуль на микросхеме HX711.

Основная проблема в том, что тензодатчики оказались не мостовые, а полумостовые. Ну что ж, придется ставить 2 шт. С другой стороны, это даже плюс: получим стенд, способный измерять тягу до 100 кг, а разрешение АЦП в HX711 24бит позволит производить замеры с достаточно высокой точностью. По крайней мере, согласно нашим расчетам. Как будет на самом деле, проверим самым точным методом — эмпирическим.

Тем временем, Лёша собрал каркас стенда из профильной трубы 20х20, стальных направляющих и линейных подшипников. Сначала подумали, что можно поставить испытуемый двигатель таким образом, чтобы вектор его тяги был направлен вниз, то есть, в землю, однако отказались от этой идеи в пользу точности измерений, так как на старте у нас на датчик будет давить вес самого двигателя, который будет уменьшаться по мере прогорания топлива. Вместо этого решено было направить вектор тяги параллельно земле, а от сдвигания вперед стенд защитим фиксацией при помощи вбитой в землю арматуры или анкеров. Ну, или к валуну прижмем — будем посмотреть по месту проведения испытаний.

В следующей серии планируем полностью собрать стенд, прикрутитьк нему электронику, собрать двигатель, снарядить топливом, поставить на стенд и выехать в безлюдные места для проведения огневых испытаний. Оставайтесь с нами — будет много интересного.

Видео во статье можно посмотреть вот тут:

Источник

Расчёт сопел современных ракетных двигателей

Введение

Сопло ракетного двигателя- техническое приспособление, которое служит для ускорения газового потока, проходящего по нему до скоростей, превышающих скорость звука. Основные виды профилей сопел приведены на рисунке:

По причине высокой эффективности ускорения газового потока, нашли практическое применение сопла Лаваля. Сопло представляет собой канал, суженный в середине. В простейшем случае такое сопло может состоять из пары усечённых конусов, сопряжённых узкими концами:

Ракета Поморцева приводилась в движение сжатым воздухом, что существенно ограничивало ее дальность, но зато делало ее бесшумной. Ракета предназначалась для стрельбы из окопов по вражеским позициям. Боеголовка оснащалась тротилом.

В ракете Поморцева было применено два интересных конструктивных решения: в двигателе имелось сопло Лаваля, а с корпусом был связан кольцевой стабилизатор. Подобные конструкции используются и в настоящее время, но уже с твёрдотопливным двигателем и системой автоматического наведения:

Однако проблемы остались старые, но уже в современном исполнении: ограниченная дальность до 3 км., наведение и удержание цели в условиях хорошей видимости, что для настоящего боя не реально, не защищённость от электромагнитных заградительных помех и, наконец, но не в последнюю очередь, высокая стоимость.

Теоретические основы

Эффективные сопла современных ракетных двигателей профилируются на основании специальных газодинамических расчётов. Основное уравнение, связывающее градиент площади сечения, градиент скорости и число Маха, следующее:

где: S – площадь сечения сопла; v – скорость газа; M – число Маха (отношение скорости газа в какой-либо точке потока к скорости звука в этой же точке).

Анализируя это соотношение, получаем, что в сопле Лаваля могут осуществляться следующие режимы течения:

1) M 0 (из уравнения). Дозвуковой поток в сужающемся канале ускоряется.
б) >0, тогда 1 – поток на входе сверхзвуковой:
а) 0, тогда >0. Сверхзвуковой поток в расширяющемся канале ускоряется.
3) = 0 – самое узкое место сопла, минимальное сечение.
Тогда возможно либо М = 1 (поток переходит через скорость звука), либо = 0 (экстремум скорости).

Какой из режимов реализуется на практике, зависит от перепада давлений между входом в сопло и окружающей средой.

Если давление, достигаемое в критическом сечении, превышает наружное давление, то поток на выходе из сопла будет сверхзвуковым. В противном случае он остается дозвуковым. [2]

— условие сверхзвукового истечения.

где: p* – давление торможения (давление в камере); pкр – давление в критическом сечении сопла; pнар – давление в окружающей среде; k – показатель адиабаты.

Если известны параметры в камере сгорания, то параметры в любом сечении сопла можно узнать по следующим соотношениям:

или ;

или ;

или ;

или .

В этих формулах – λ – приведенная скорость, отношение скорости газа в данном сечении сопла к скорости звука в критическом сечении, R – удельная газовая постоянная. Индексом «*» обозначены параметры торможения (в данном случае – параметры в камере сгорания).

Постановка задачи

1. Рассчитать параметры течения потока газов в сопле Лаваля: для этого профиль сопла Лаваля разбивается на 150 контрольных точек – . Разбиение осуществляем таким образом, чтобы минимальное сечение располагалось в точке . Определяются значения газодинамических функций давления, плотности и температуры в каждом сечении.

2. Расчёты выполнить средствами высокоуровневого свободно распространяемого языка программирования Python по следующей расчётной схеме и исходным данным:

Рисунок 1-Профиль сопла Лаваля

Таблица 1-Исходные данные

Приведенные исходные данные носят демонстрационный характер.

Расчёт сопла Лаваля средствами Python

Для продолжения решения задачи на Python, нужно связать λ – приведенную скорость газа с координатой x вдоль продольной оси. Для этого я воспользовался функцией fsolve из библиотеки SciPy со следующей инструкцией:

Привожу фрагмент программы для управления решателем с одной стартовой точкой:

Это единственно возможное на Python решение сложного алгебраического уравнения со степенной функцией от показателя адиабаты k. Например, даже для упрощённого уравнения с использованием библиотеки SymPy, получим недопустимое время расчёта только одной точки:

Время работы решателя: 195.675
0.16
1.95

Время работы программы: 0.222

Полученная эпюра распределения скоростей газового потока полностью соответствует изложенной выше теории. При этом, по предложенному алгоритму и библиотеке, время расчёта в 150 точках в 1000 раз меньше, чем для одной точки с использованием solve sympy.

Время работы программы: 0.203

Вывод

Время работы программы: 0.203

Вывод

Возникновение силы тяги от действия давления газа схематично показано на рисунке:

Время работы программы: 0.203

Вывод

Плотность газа на выходе из сопла уменьшается по приведенному в листинге уравнению газодинамики. Время выполнения программы приемлемое.

Источник

Per aspera ad astra, или как я строил ракету. Часть 1. Делаем движки и запускаем ракеты

Земля – колыбель человечества, но нельзя вечно жить в колыбели

Эту знаменитую фразу К.Э.Циолковского не забывают и по сей день. NASA, ESA, Роскосмос, SpaceX и множество других космических компаний отправляют автоматические миссии на другие планеты, запускают людей в космос и стремятся воплотить в жизнь слова Константина Эдуардовича.

Но что делать, если разработка новой ракеты занимает долгое время, а запустить ее хочется здесь и сейчас? Тогда стоит заняться ракетомоделированием и самим построить и запустить ракету мечты. А о своем опыте проектирования ракет я с удовольствием вам расскажу в этой статье.

Вступление

Всем привет! В этой серии статей я хотел бы поделиться с вами моим опытом разработки и запусков моделей ракет, рассказать о своих первых неудачах и головокружительных успехах, о том как надо делать и как не надо. Я не буду вдаваться в подробности того, как построить ракету, потому что в интернете есть много гайдов по этой теме, а сделаю упор именно на личный опыт, дабы уберечь вас от моих ошибок и показать несколько моих интересных находок и решений.

Космосом я увлекся после того как побывал на программе Большие Вызовы 2017 ОЦ Сириус на направлении “Космические технологии и робототехника”. На ней наша команда разработала первый российский школьный спутник SiriusSat, который в 2018 году вместе со своим братом-близнецом был запущен с МКС во время выхода в открытый космос. Полезная нагрузка спутника — детекторы заряженных частиц и гамма-излучения. Конкретно моей задачей на программе было проведение испытаний спутника. Так как в лаборатории космических систем были установлены вибростенд и термобарокамера, то мы решили “протрясти” и “запечь” наш аппарат. Все испытания прошли успешно, наша команда защитила проект, и все довольные разъехались по своим городам.

SiriusSat-1 и SiriusSat-2. Ручка нужна для того, чтобы космонавт держал спутник

В общем на этой смене я и заразился тематикой космоса. Потом в 10 классе мне пришла в голову идея собрать свою ракету с какой-нибудь электроникой.

Первые попытки собрать движок

Сердцем любой ракеты является ее двигатель, поэтому сперва нужно было собрать его. Среди ракетомоделистов очень популярно карамельное топливо, из-за того, что оно легко в изготовлении и его компоненты (сахарная пудра и калиевая селитра) можно найти в любом городе.

Калиевую селитру купил в ближайшем магазине удобрений, а сахарную пудру в продуктовом магазине. На тот момент надпись N — 13,6% и K2O — 46% меня не смутила, но из-за нее потом было очень много проблем, о которых я расскажу чуть позже.

Для изготовления корпуса мне понадобилась пластиковая водопроводная труба длиной 100мм и диаметром 10 мм, бентонит (наполнитель для кошачьего туалета), чтобы сделать заглушки и для утрамбовки самого топлива нужно было найти любую палку, свободно входящую в двигатель. Селитру, бентонит и сахарную пудру я на всякий случай по отдельности перемолол в ступе. Затем смешал калиевую селитру и пудру в соотношении 70% к 30%. Теперь необходимо было забить все компоненты в трубу следующим образом:

Для поджигания двигателя я сделал бикфордов шнур. Джутовую веревку отварил в растворе карамельного топлива, концентрацию взяв на глаз, примерно 2-3 чайных ложки на стакан воды. После варки необходимо дать шнуру высохнуть, и если пропорции раствора топлива были правильными, то на веревке будет белый налет карамельки. Двигатель и шнур для его поджига были готовы, а это значит, что предстояло провести его прожиг.

К сожалению фотографий первого двигателя и видео его испытаний у меня нет, но по итогу он не взлетел, но знатно дымился на стартовом столе.

Выводы:

It’s alive!

Покопавшись в интернете, я примерно понял в чем была проблема первого движка. Из-за трамбовки топливо распределялось неравномерно, в нем образовывались полости, и оно было неоднородно из-за чего процесс горения был очень вялым и вместо ракеты получилась хорошая дымовая шашка. Решение проблемы было простое — забить в трубу сваренное карамельное топливо. В качестве корпуса взял металлическую штангу для ванной и решил поэкспериментировать с пропорциями топлива и с добавкой оксида железа 3 (то есть обычной ржавчины), потому что он должен был увеличить скорость горения.

Примеры чистого карамельного топлива и с добавлением ржавчины. Источник

Движки я сделал поменьше, так как не видел смысла в изготовлении полноразмерного варианта, так же, как и не видел смысла в заглушках и сопле, на скорость горения топлива повлиять они не должны были, потому что все испытуемые были в равных условиях окружающей среды.

Топливо варил на электрической плите в блиннице до цвета и консистенции сгущенки. Блинница тем хороша, что в ней все ингредиенты равномерно нагреваются и не пригорают.

В итоге у меня получилось несколько подопытных:

Выводы:

Что в итоге?

Если вы смотрели недавнюю серию роликов Амперки Ракета против Лехи, то вы заметили, что они использовали химически чистую калиевую селитру. Благодаря ей у них прогорело все топливо, да и скорость горения была выше (2,85 мм/сек против моих 1-1,25 мм/сек). Ну и еще одним минусом самодельных движков является то, что неизвестна их тяга, а я в будущем хотел бы рассчитывать параметры полета ракеты.

По итогу могу сделать вывод, что на калиевой селитре для удобрений движок не построишь. В общем, на такой грустной ноте я закончил разработку своих движков, и стал искать тех, кто делает и продает готовые движки.

Строим ракету

Двигатели я купил на сайте Real Rockets. Так как вместе с этими двигателями поставляется и электрический воспламенитель, то нужно было собрать пульт для запуска, ну и саму ракету конечно же. В том же магазине приобрел картонные трубы для корпуса.

На просторах интернета нашел схему для пульта и немного переделал ее, чтобы от прозвонки случайно не зажегся движок, и в итоге схема получилась такой:

Корпус сделал из ПВХ листов, внутри разместил спаянную схему, провода к воспламенителю (на схеме R2) вывел на зажимы. К проводу зажигания припаял крокодильчики, которые и подключались к воспламенителю.

Внутренности пульта для запуска

Собранный пульт вместе с проводом зажигания

Ну и как любую космическую систему, пульт необходимо было испытать, да и неплохо было бы посмотреть как вообще работают готовые движки.

Чтобы ракета летела вертикально вверх я решил спроектировать ее в программе Open Rocket, а затем напечатать на 3D принтере все детали. С помощью функции оптимизации ракеты я подобрал форму и размеры обтекателя и стабилизаторов исходя из размеров картонной трубы, обтекателя (в него я хотел установить альтиметр, о котором расскажу в следующей части), массы и тяги двигателя и его крепления. Но сперва необходимо было добавить используемый движок.

Чертеж ракеты в Open Rocket

В базе данных Open Rocket есть только американские двигатели, но если вы хотите использовать двигатели других производителей, то можно добавить их в программу. Сделать это довольно просто, я бы даже сказал увлекательно:

В параметрах самих стабилизаторов и обтекателя выбираем наш материал и начинаем их оптимизировать. Конечно, иногда программа выдает страшные формы деталей, поэтому нужно ограничивать максимальные и минимальные значения, которые вы оптимизируете.

Также не стоит забывать о стабильности, потому что от нее зависит, завалится ли на бок ваша ракета во время полета или полетит строго вверх. Если не вдаваться в физические формулы, то стабильность — это расстояние в диаметрах корпуса (калибрах) от центра давления до центра тяжести. Open Rocket умная программа и за нас рассчитывает их положение, поэтому нам остается только следить за значением стабильности. В идеале стабильность вашей ракеты должна быть 2-3 калибра, поэтому в оптимизации ракеты не забываем поставить ограничения и на эту характеристику.

Когда форма стабилизаторов и обтекателя были рассчитаны, предстояло их смоделировать и отправить на печать. Также я смоделировал и крепление для двигателя.

Источник

Видео

Сопло ЛаваляСкачать

Самодельная камера сгорания - the combustion chamberСкачать

Принцип работы турбореактивного двигателяСкачать

Воздушно реактивный двигательСкачать

Варю сопло для реактивного двигателя АИ-8Скачать

КАК ВЫЖАТЬ МАКСИМУМ ИЗ ОГНЕТУШИТЕЛЯ - РЕАКТИВНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТСкачать

Проект новейшей ракеты КОРОНА: что испытали на Урале на самом деле?Скачать

Сахарная Ракета, как сделать ракету своими руками в домашних условиях 🚀🚀🚀Скачать

Карамельные двигатели. Плавить или прессовать? Сравнение в полетеСкачать

сопло реактивного двигателяСкачать