lightanddesign.ru
You might also like
Привет всем. Меня зовут Илья. А мое хобби — любительское ракетостроение. Точнее, скажем даже, что я строю конфетные ракеты. В ходе работы над этой темой я добился довольно большого количества совпадений, во многом действовал по своей интуиции и проводил различные, часто неудачные эксперименты. Кто-то может сказать, что я криворукий, что это не моя сильная сторона, что мне срочно нужно изучить основы, что все было изобретено до меня. И я, пожалуй, соглашусь. Но, на мой взгляд, в любительской ракетной технике как хобби важен сам процесс инженерных исследований. Вы решаете проблемы по мере их возникновения и, конечно, сами создаете новые проблемы. Наверное, было бы проще взять готовую модель и оснастить ее готовым двигателем… Но если бы все действительно использовали его таким образом, возможно, не было бы никакого развития.
Даже клубные модели ракет (модельные ракеты или ракеты большой мощности), ракетостроение, вероятно, является отличным хобби для инженеров и, конечно, для компьютерщиков. Даже сам Джон Кармак (один из создателей Doom, который не знал об этом) в детстве занимался ракетостроением. Она развилась в idSoftware, а затем в ракетную компанию ArmadilloAerospace.
И, к счастью, таких, как он и я, много. Их очень мало в мире. Вероятно, из-за целого ряда трудоемких проблем из разных научных дисциплин. Официальная версия серии Rocket vs. Ryoka от Amperka заключается в том, что она была прекращена из-за невозможности вложения большого количества ресурсов. Процесс создания ракеты — это серия неудач, поэтому его перезапускают и повторяют итерации для достижения цели. И с новым. И еще.
Для меня интерес к ракетной технике начался с видеороликов Побединского. Я решил воспроизвести эксперимент, апеллируя к наивности и дешевизне такой "ракетной технологии". Фактически, тогда родилась цель: построить ракету, которая могла бы взлететь на высоту 300-400 метров, на расстояние до 0,5 километра и благополучно вернуться на парашюте. С полезной нагрузкой: например, небольшой встроенный компьютер и камера. Без нюансов все казалось простым.
Конструкция ракеты
Большинство конструкций ракет в основном похожи друг на друга. В большинстве случаев они соответствуют идеальной "эмпирической ракете".
длина ракеты полная: L= 1525 D
длина головного обтекателя: Ln = 2.53.5*D
размах стабилизатора: S = 12*D
общая площадь стабилизаторов: F= 0,70,8*A,где A=L*D — площадь продольного сечения корпуса,
запас устойчивости: k = 1,53*D
В зависимости от цели и используемых компонентов параметры ракеты, конечно, будут варьироваться, но в большинстве случаев они укладываются в вышеупомянутые пределы.
В моем случае размер ракеты определяется размером двигателя, парашюта и электроники. Чтобы вместить все в корпус ракеты, я использую трубки диаметром 50 мм. В идеале труба должна быть изготовлена из стекловолокна или можно использовать полипропиленовую дренажную трубу — она относительно прочная и легкая. Крышка головки также изготовлена из той же трубы. Корона" (2-3 длины ракеты в диаметре) разрезается, сваривается и формируется в параболическую форму. Конечно, есть и другие варианты. Обтекатели могут быть выточены из деревянного бруска на токарном станке или напечатаны на 3D-принтере. Обтекатели должны быть максимально прямыми и гладкими. Это необходимо для снижения аэродинамического сопротивления ракеты и уменьшения вредных отрывных течений в носовой части ракеты.
Стабилизаторы должны быть изготовлены из достаточно легких, но прочных материалов. В качестве примера можно привести пластик, фанеру и бальзовое дерево. Форма и размер стабилизатора зависят от размера ракеты, а точнее от положения центра тяжести и центра давления ракеты.
Модель устойчивости ракеты Rocky для устойчивости ракеты
Ракеты никогда не летят прямо вперед, а всегда поворачивают в любую сторону от направления полета. Другими словами, он рыскает. Ракета наталкивается на встречный ветер воздуха в направлении, противоположном направлению полета. Ракета всегда поворачивает против течения под постоянным углом. В аэродинамике этот угол называется углом атаки. Уже установлено, что ракеты, как и другие твердые тела, вращаются вокруг центра, но результирующее давление воздуха прикладывается к другой точке — центру. Если ракета-носитель симметрична относительно своей оси, то хорда воздушного потока находится на оси ракеты-носителя. Если CoD находится близко к хвосту ракеты, то давление воздуха стремится толкнуть ракету в сторону набегающего потока воздуха, т.е. в сторону траектории ракеты. Ракета стабилизирована. Параллелизм с флюгером здесь весьма эффективен. Если ракету поместить на перекладину, проходящую через ось центральной ракеты, и выставить на ветреную улицу, то неподвижная ракета повернет против ветра. Исходя из тех же соображений, проводится простая проверка устойчивости ракеты с помощью веревки. Веревка привязывается к ракете в центре тяжести, и ракета начинает вращаться вокруг себя. Если при вращении ракета ориентирована строго по направлению движения, то она аэродинамически устойчива. Если ракета вращается в другом направлении или летит с хвостом, направленным вперед, значит, ракета неустойчива.
Проверьте устойчивость ракеты — просто поверните ракету над головой.
Центр тяжести ракеты определяется простым методом "взвешивания". Необходимо найти точку равновесия, удерживая ракету в руке.
Центр давления рассчитывается по методу Боррумена и определяется центр давления. Кстати, существует еще один метод определения центра давления. Это метод аэродинамической проекции. Какой бы метод ни использовался, расстояние между центром тяжести и центром давления должно быть как минимум в 1,5 раза больше диаметра самого снаряда, чтобы снаряд был стабильным. Эта так называемая "стабильность диаметра" может быть большой, однако, стабильность свыше диаметра 2-2,5 не рекомендуется. Это связано с тем, что в этом случае стабилизатор становится больше и тяжелее. Увеличенная площадь стабилизатора также увеличивает боковую нагрузку ракеты, в результате чего она разворачивается по ветру, как флюгер, и летит боком, а не вверх. В худшем случае флаттер может привести к разрушению ракеты в полете. Подробнее о стабильности.
Интерфейс проектирования ракет и модели будущих ракет
Существуют готовые программные решения для расчета параметров ракеты. Я использую Rocki-design, но чаще, особенно в англоязычных странах, используется OpenRocket. Выбрав стабилизаторы необходимого размера, вырежьте их из заготовок и вкрутите в корпус с помощью металлических уголков. Привязи должны быть жесткими. Для легких ракет достаточно простого склеивания, но для более тяжелых ракет рекомендуется доработать их.
Система спасения
Система катапультирования является одним из самых сложных аспектов ракеты. Он включает в себя парашют, крепления к корпусу и механизм выброса парашюта. Она должна быть многократно проверена на местности. Я использую пиротехническую версию парашютного (минометного) запуска, инициируемого бортовым компьютером. Однако есть и другие решения — механические и пневматические или инерционные. Пиротехническая система — одна из самых популярных и самых простых, поскольку содержит мало компонентов.
Зазор между минометами.
Сам парашют представляет собой купол диаметром 70 см, сшитый из прочной, легкой ткани (рипстоп). В зависимости от массы ракеты можно точно рассчитать площадь парашюта, необходимую для плавного спуска. На практике лучше делать парашют меньшего диаметра, что, конечно, увеличивает скорость падения ракеты, но также уменьшает вероятность того, что она пролетит в нескольких километрах от ракеты, поскольку ракета испытывает меньшее сопротивление ветра. От точки старта до точки падения.
Разрезание парашюта.
Не менее важно закрепить систему эвакуации ракеты на корпусе судна. Силовой винт обычно крепится к корпусу судна, где силовой трос (парашют) крепится к лямке парашюта. Парашют действует как поршень, приводимый в движение растворными газами, и проходит через груз (легкий цилиндр, подогнанный под внутренний диаметр ракеты), который необходим для выпуска парашюта.
Конструкция основания системы выброса.
Головной чехол также крепится к парашюту.
После сборки внутренние компоненты ракеты занимают весь внутренний объем.
Модель ракеты со всеми компонентами
Двигатель
В отличие от ракетомоделирования, при любительском строительстве "конфетной" ракеты используется импровизированный двигатель. Ракетные двигатели — это длинное и обширное обсуждение, которое может потребовать нескольких статей. Вкратце, в любительских ракетных конструкциях почти всегда используются твердотопливные двигатели. Это очень похоже на настоящий твердотопливный ракетный двигатель.
Различия заключаются в материале двигателя и используемом топливе. В большинстве случаев для изготовления мотора используется бумага, пластик или композитные материалы (стекловолокно). В моем случае это пластик (полипропиленовая армированная труба с наружным диаметром 40 мм). В качестве топлива используется смесь 65/35 нитрата калия и сахара/сорбита. На самом деле, когда эта смесь расплавляется, получается сладкая масса, похожая на карамель (несъедобная!). ) производится, отсюда и название "карамельное топливо".
C6H14O6 + 3,345 KNO3-> 1,870 CO2 + 2,490 CO + 4,828 H2O + 2,145 H2 + 1,672 N2 + 1,644 K2CO3 + 0,057 KOH
Топливо спрессовывается в так называемые "топливные гранулы" (цилиндры с отверстиями). Размер шарика выбирается таким образом, чтобы топливо успевало равномерно сгорать во всех направлениях (от внутренней трубы до конца) во время работы двигателя. Оптимальная длина конуса с внешним диаметром D и внутренним диаметром d составляет L=1,67D. Необходимо вдавить конус в так называемый "щит", т.е. невоспламеняющуюся оболочку снаружи конуса. Щит предотвращает сгорание шашек на внешней поверхности. Это недопустимо. Если поверхность горения слишком велика, двигатель может быть поврежден.
Топливные гранулы.
Шарики собираются в единый топливный канал в двигателе. Таким образом, конус помещается в изолирующую (не горящую) трубку из тефлоновой бумаги, пропитанной кремнеземным клеем. Изоляция необходима для предотвращения повреждения двигателя из-за температуры сгорания топлива (фронты сгорания и горячие газы).
Схема двигателя.
Топливо Candy сгорает относительно медленно, поэтому двигатель воспламеняется в дальнем конце канала (напротив сопла) для создания тяги. Помимо тяги, важными параметрами двигателя являются кривая сопла и рабочее давление. Чем выше давление в двигателе, тем больше наддув. Чем выше давление, тем быстрее сгорает топливо. Настоящий вызов при создании двигателя заключается в том, чтобы создать решение, которое выдерживает максимальное давление и содержит максимальное количество топлива при минимальном весе.
Кривая растягивающего усилия Кривая давления
Для расчетов двигателей используются расчеты, основанные на законах сгорания. Конечно, существуют готовые решения для расчета параметров двигателя.
Кроме того, необходим стенд для испытания двигателя. Это позволяет проверить надежность двигателя на земле и учесть фактическую тягу двигателя (которая может отличаться от расчетных значений).
Кластерный двигатель тягового испытательного стенда
Электроника
В качестве бортового компьютера я использую собственную схему на базе ArduinoNano.
Схема бортового компьютера
