Что такое двигатель модели ракеты

Что такое двигатель модели ракеты

Иногда хочется чего-то странного. Вот, недавно меня потянуло на ракетомоделизм. Так как я строю ракеты на нубовском уровне, для меня ракета состоит из двух частей – двигателя и корпуса. Да, я знаю, что все намного сложнее, но даже с таким подходом ракеты летают. Естественно, вам интересно, как делается двигатель.

Хочу предупредить, что если вы соберетесь повторить то, что написано в этой статье, то будете делать это на свой страх и риск. Я не гарантирую точность или безопасность предложенной методики.

Для корпуса двигателя я использую толстостенные ПВХ трубы диаметром 3/4 дюйма. Трубы такого диаметра относительно дешевы и широкодоступны. Лучше всего трубы режутся специальными ножницами. Я очень много намучался, пытаясь резать такие трубы электролобзиком – всегда получалось очень криво.

Трубу я размечаю так:

Все размеры в дюймах. кто не знает, размер в дюймах нужно умножить на 2.54 и получится размер в сантиметрах. Эти размеры я нашел в замечательной книге

Там есть и куча других конструкций. Верхний кусок двигателя (который пустой) я не делаю. Там должен быть вышибной заряд для парашюта, мне пока далеко до этого.

Отрезанный кусок трубы вставляется в специальную приспособу. Покажу все приспособы сразу, дабы не возникало вопросов:

Длинная палка играет роль “пестика” Ей утрамбовывается глина и топливо. Вторая деталька – это кондуктор. Он служит для того, чтобы просверлить сопло точно по центру двигателя. Вот их чертежи:

Сверло используется длинное – длинной 13см. Его как раз хватает для того, чтобы просверлить канал через все топливо.

Теперь нужно замешивать топливо. Я использую стандартную “карамельку” – сахар и селитра в соотношении 65 селитры/35сахара. Плавить карамель я не хочу – занятие это рискованное, да и не стоит это того геморроя. Я не пытаюсь вытянуть из топлива все возможное. Это ведь любительское ракетостроение. Я просто смешиваю сахарную пудру и селитру в порошках:

Далее, формируем сопло. Для этого забираем у любимого котэ наполнитель туалетов (желательно, неюзанный), перетираем его в ступке до более-менее однородной массы и слегка смачиваем водой.

Забиваем порошок по разметку. Бить нужно довольно сильно.

Забивка топлива и заглушки ничем не отличается. Кажется, что по топливу стучать опасно, но карамелька трудно воспламеняется даже от спички. Естественно, базовые меры предосторожности соблюдать стоит – не склонятся над двигателем, работать в защитной маске, итп.

Последние 5мм заглушки я оставляю для термоклея. Я несколько раз пробовал сделать ракету без заглушки из термоклея, верхнюю пробку вырывало давлением. Термоклей обладает отличной адгезией к пластику и не успевает расплавится при горении двигателя.

Сверлим сопло через кондуктор:

Топливо очень плохо сверлится – сахар плавится и липнет на сверло, поэтому его приходится часто вытаскивать и счищать налипшее топливо. Проверяем сопло:

Заливаем последние 5мм трубки и ее торец термоклеем

Все, двигатель готов. Вот так выглядит двигатель на статических испытаниях. К сожалению, видео не показательно – в этом двигателе канал был просверлен на половину, и фотоаппарат не правильно записал звук. В реале “рев” двигателе очень громкий и серьёзный, а не такой игрушечный как на записи.

Модельный ракетный двигатель

Владельцы патента RU 2693720:

Изобретение относится к области машиностроения, а более конкретно к моделям летательных аппаратов. Модельный ракетный двигатель содержит корпус и телескопический топливный заряд с центральным блоком. Центральный блок с замедлителем запуска, воспламенителем и замедлителем срабатывания вышибного заряда выполнен в виде прутка с выступающими за пределы донышек концами. Вышибной заряд имеет возможность перемещения вдоль корпуса. Вышибной заряд и замедлитель срабатывания вышибного заряда могут быть токопроводящими. Телескопический заряд двигателя может иметь частичную, по длине заряда, бронировку поверхности. Достигается снижение трудоемкости изготовления. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к индустрии игрушек, а именно к модельным ракетным двигателям (МРД) для ракетно-космического моделирования в технических видах спорта и творчества.

Общеизвестен МРД (см., например, ТУ 84-795-79 Двигатели ракетные модельные. Технические условия), содержащий трубчатый корпус, размещенные в корпусе сопло, торцевой топливный заряд, замедлитель и вышибной заряд. Для запуска МРД используется электровоспламенитель, устанавливаемый в полость топливного заряда через сопло.

Элементы МРД формируют последовательной засыпкой в корпус и прессованием порошковых смесей различного состава в пресс — оснастке с иглой, при этом глубина глухого канала топливного заряда и диаметр сопла определяется из условий реализации повышенного уровня тяги на стартовом участке полета ракеты и пониженного — на маршевом. По мере разгара канальной части топливного заряда поверхность горения сначала возрастает, а после перехода на горение по торцу — падает, воспламеняя последовательно запрессованные замедлитель срабатывания и вышибной заряд.

Основным недостатком известной конструкции МРД является трудоемкость его изготовления и значительная номенклатура технологического оборудования для дозирования и прессования компонентов. Это обусловлено тем, что по требованиям спортивной классификации каждый МРД, помимо линейки величин суммарного импульса тяги, должен исполняться с несколькими — до трех — четырех временах задержки срабатывания вышибного заряда.

Кроме этого, разгерметизация полости топливного заряда и установка в нее электровоспламенителя, не предусмотренная нормативной и технической документацией на МРД, могут классифицироваться как недопустимая разборка и доработка изделия и нарушение п. 6.3.2 ГОСТ Р 51270-99 «Изделия пиротехнические. Общие требования безопасности».

Известен МРД (см. например, патент на полезную модель №76815 РФ, МПК А63Н 27/26, F42B 15/10), содержащий корпус, сопло, воспламенитель, топливный заряд, замедлитель с предстартовым регулированием времени замедления и вышибной заряд, выбранный в качестве прототипа по количеству совпадающих с заявляемым решением признаков.

Размещение в полости топливного заряда шнурового пиротехнического воспламенителя, проходящего через сопло МРД и поджигаемого снаружи, снимает проблему нарушения нормативных требований по безопасному запуску двигателя, однако трудоемкость изготовления известного МРД с торцевым топливным зарядом, замедлителем и вышибным зарядом с профилированными взаимно перемещаемымыми винтовыми поверхностями, остается высокой, что ограничивает массовость производства МРД.

Целью изобретения является снижение трудоемкости изготовления МРД.

Технический результат в МРД, содержащем корпус с сопловым и передним донышками, топливный заряд, воспламенитель, замедлитель запуска, вышибной заряд и замедлитель срабатывания вышибного заряда с предстартовым регулированием времени замедления, достигается за счет использования топливного заряда телескопической формы и выполнения центрального блока топливного заряда с воспламенителем, замедлителем запуска и замедлителем срабатывания вышибного заряда в виде единого прутка с выступающими за пределы донышек концами. Предложенное решение упрощает конструкцию двигателя, снижает номенклатуру и трудоемкость изготовления входящих в него элементов.

Ступенчатый режим тяги МРД обеспечивается формой — звездообразной, кольцевой и др., — канала телескопического заряда, а также частичным бронированием поверхностей горения.

Концы прутка, выступающие из сопла и переднего донышка, выполняют функции замедлителей запуска МРД и срабатывания вышибного заряда, а их длины и скорости горения определяют времена замедления.

Для контроля качества контакта поверхностей вышибного заряда и замедлителя оба элемента выполнены токопроводящими.

Сущность изобретения поясняется на чертежах, где схематично показаны:

на фиг. 1 — общий вид МРД;

на фиг. 2 — вид А на фиг. 1;

на фиг. 3 — разрез Б-Б на фиг. 1.

Приведенный на фиг. 1 МРД 1 содержит корпус 2 с передним 3 и сопловым 4 донышками и телескопический топливный заряд 5, состоящий из внешнего охватывающего блока 6 и центрального блока в виде прутка 7 с концами 8 и 9, выступающими из донышек 3 и 4 корпуса. На конце 8 прутка 7 смонтирован с возможностью перемещения вышибной заряд 10 в форме шайбы с наружной винтовой поверхностью, сопряженной с винтовой поверхностью вставки 11 корпуса 2. При вращении вышибного заряда 10 за прорези на его торце меняется длина L замедлителя и время задержки срабатывания вышибного заряда 10, отображаемое на шкале 12 (фиг. 2). Для производственного контроля качества контакта вышибного заряда 10 и замедлителя 8 оба элемента выполнены токопроводящими, а от преждевременного срабатывания от горящего замедлителя 8 вышибной заряд 10 защищен бронирующим покрытием 13.

Форма канала 14 телескопического заряда 5, варианты которой кольцевой 15 или звездообразной 16 формы приведены на фиг. 3, и длины L1 и L2 с частичной бронировкой 17 поверхностей горения определяются требуемой диаграммой тяги МРД по времени. При повышенных требованиях к скорости выхода двигателя на стартовый режим центральный блок топливного заряда может быть выполнен составным из различных топлив или снабжен дополнительной навеской воспламенительного состава (на фиг. не показан).

Работа МРД. Перед монтажом МРД 1 в ракету (на фиг. не показана) поворотом вышибного заряда 10 за проточки на торце устанавливают по шкале 12 требуемое время замедления и фиксируют угол поворота, например, быстросохнущим клеем. Двигатель 1 монтируют в модель ракеты и открытым пламенем или электронагревом на пусковой установке (на фиг. не показаны) поджигают выступающий из сопла конец 9 замедлителя запуска, за время сгорания которого спортсмен успевает покинуть опасную стартовую зону. После прохождения фронтом горения замедлителя сопла донышка 4 луч огня воспламеняет поверхности горения блоков 6 и 7 топливного заряда 5, и истекающие из сопла продукты сгорания создают тягу, меняющуюся по мере выгорания топливного заряда. После прохождения фронтом горения участков бронирования L1 блока 7, донышка 3 и участка L замедлителя 8 луч огня поджигает по поверхности контакта вышибной заряд 10.

Предложенная конструкция МРД, за исключением сопла, состоит из тел вращения с постоянными поперечными сечениями, что обеспечивает использование для изготовления блоков телескопического топливного заряда, трубчатого корпуса и резьбовой вставки такие высокопроизводительные технологии как экструзия, а для предварительной сборки всех деталей, вклеивания их в корпус и контроля качества сопряжения вышибного заряда с замедлителем — полуавтоматической роторной линии. Отработаны и автоматизированы технологические операции по изготовлению бумажных корпусов и вставок непрерывной намоткой ленты на оправки, нарезке заготовок, прессованию на таблетировочной линии воспламенителей и вышибных зарядов с отверстиями.

Т.о., предложенное решение за счет упрощения конструкции и сокращения номенклатуры технологической оснастки обеспечивает достижение заявленного технического результата — снижение трудоемкости изготовления двигателя.

Основные технические решения подтверждены лабораторными и огневыми стендовыми испытаниями.

1. Модельный ракетный двигатель, содержащий корпус с сопловым и передним донышками, топливный заряд, воспламенитель, замедлитель запуска, вышибной заряд и замедлитель срабатывания вышибного заряда с предстартовым регулированием времени замедления, отличающийся тем, что топливный заряд имеет телескопическую форму, при этом центральный блок топливного заряда с воспламенителем, замедлителем запуска и замедлителем срабатывания вышибного заряда выполнен в виде прутка с выступающими за пределы донышек концами.

2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что поверхности горения телескопического заряда на части длины имеют бронирующие покрытия.

3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что замедлитель срабатывания вышибного заряда и вышибной заряд выполнены токопроводящими.

Модели ракет

Сколько потребуется моделей реактивных двигателей для того, чтобы поднять в космос настоящую ракету?

— Грег Щок, Пенсильвания

Около 65 000 штук, плюс-минус несколько.

Вам следовало бы разместить их следующим образом:

Ракета будет при этом весить почти как грузовик. Не будет места ни для чего, кроме двигателей, аэродинамической оболочки и минимального набора оборудования для отсоединения ступеней.

Каждый реактивный двигатель работал бы около трёх секунд. Благодаря взаимному расположению в виде своего рода «слоёного пирога», каждые три секунды нижний слой отработанных двигателей отрывался бы и в дело вступал бы следующий слой. Таким образом ракета, пройдя через 25-30 подобных стадий, в итоге находилась бы в реактивном движении полторы минуты, после чего продолжила бы движение по инерции и едва задела бы воображаемую границу между космосом и атмосферой.

(В этой конструкции я беру за основу, что двигатели будут взяты наподобие Estes E9-4 — завершающих стандартную серию моделей двигателей ракет. Есть двигатели и побольше, их классификация продолжается вплоть до буквы О и дальше, но в какой-то момент они перестают быть моделями реактивных двигателей и становятся просто реактивными двигателями.)

30-стадийная ракета — это, мягко говоря, кошмар инженера. Конструкция подразумевает, что масса части летательного аппарата без двигателя ограничена массой человека (60 кг). Фактически, космический корабль будет представлять собой твёрдый блок реактивных двигателей. Они должны быть отделены друг от друга, чтобы верхние не начинали работу раньше времени, а сбрасывание отработанных ступеней и аэродинамика вместе дают крайне сложную задачу.

Совокупность двигателей сужается от низа к верху. К тому времени, когда топливо будет сжигаться уже на верхних уровнях, ракета сбросит б_о_льшую часть своей массы, так что ей уже не понадобится большая тяга, чтобы сохранить требуемое ускорение.

Причина, по которой совокупность двигателей выпуклая в середине — профиль ускорения, который будет выглядеть следующим образом:

Реактивные двигатели лучше всего работают, когда тяга, создаваемая ими, в несколько раз превышает силу гравитационного притяжения. Но нет необходимости ускоряться слишком быстро пока вы ещё на малой высоте. Сопротивление воздуха увеличивается прямо пропорционально квадрату вашей скорости, и если вы будете ускоряться слишком быстро, то обнаружите, что тратите топливо на поддержание скорости. Необходимо медленно лететь в начале, а затем ускоряться, когда воздух станет более разреженным.

Теперь как вы, наверное, уже заметили, эта ракета доставит вас в космос (по крайней мере, на несколько секунд), но не на орбиту. Можно ли использовать модели реактивных двигателей, чтобы состыковаться с МКС?

С учётом сопротивления воздуха, чтобы улететь в космос, вам нужна ракета, способная ускоряться (в вакууме) примерно до 2 километров в секунду. Чтобы выйти на орбиту, вам понадобится ракета, способная ускоряться почти до 10 километров в секунду.

Если вы попытаетесь создать орбитальную ракету, используя такую же схему конструирования, какую мы применили для суборбитальной ракеты, то получите в результате блинообразную гору реактивных двигателей шириной больше мили. Она бы сужалась к концу в виде шпиля 10-метровой высоты, а вес её был бы сравним с весом Великой Пирамиды.

Этот летательный аппарат не только никогда не выйдет из атмосферы, но и вероятно не сможет устоять даже под своим собственным весом.

Откровенно говоря, называя это «летательным аппаратом», мы сильно кривим душой. По существу то, что мы создали — нестабильная гора чёрного пороха размером с Центральный парк. Если она бы загорелась — а это бы случилось обязательно — то она бы побила исторический рекорд мощности взрыва не ядерного происхождения, сделанного человеком. (Интересно, что текущий обладатель этого сомнительного рекорда — именно ракета, взорвавшаяся при запуске.)

Практический эффект в том, что будет очень трудно, но, пожалуй, не невозможно, — запустить нечто на границу атмосферы и космоса, используя модели реактивных двигателей. Однако, если вы попытаетесь построить корабль, способный выйти на орбиту, сегодня вы в космос не улетите.

• Раньше
• Оглавление
• Позже

© What If? по-русски, 2018
Нас можно найти во ВКонтакте, в Twitterʼе, на GitHubʼе.
А еще мы переводим комиксы на сайте xkcd.ru!

В материалах сайта используются оригинальные тексты и изображения с сайта what-if.xkcd.com.
Материалы сайта источника и этого сайта распространяются по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial 2.5 License. Также авторы этого сайта полностью солидарны с комментариями к лицензии.

Нашли опечатку? Чтобы сообщить нам, выделите текст ошибки и нажмите Ctrl+Enter (со смартфона — кнопку «Ошибка?»).

Илон Маск против России: двигатель SpaceX побил рекорд отечественного РД-180

Новый двигатель Raptor, разработанный SpaceX, побил рекорд российского РД-180 по уровню давления в камере сгорания. Об этом глава компании Илон Маск заявил в своем Twitter.

Raptor планируется установить на космический корабль Starship, вторую ступень ракеты BFR, которая сможет доставить астронавтов на Луну и, теоретически, на Марс. 7 февраля 2019 года SpaceX впервые протестировала Raptor и вывела ракетный двигатель на полную мощность. В отличие от подавляющего большинства действующих ракетных двигателей он работает на метане, а не на керосине. Благодаря этому в двигателе не образуется сажи, его проще готовить к повторным полетам. В предыдущих испытаниях давление в камере сгорания достигало 250 атмосфер — показателя, близкого к среднему давлению в российском двигателе РД-180, у которого этот показатель составляет 266,7 бар. Такие двигатели делают на НПО «Энергомаш».

«Сегодня Raptor достиг 268,9 бара, побив предыдущий рекорд, установленный потрясающим российским РД-180», — написал Маск.

Еще в конце декабря основатель SpaceX считал РД-180 самым совершенным двигателем. «Стыдно, что компаниям Boeing и Lockheed нужно использовать российский двигатель на ракете Atlas-5, однако конструкция двигателя великолепна», — написал он в твиттере.

Планы и реальность

Справедливости ради стоит отметить, что двигатель РД-180 производится серийно и уже используется в упомянутом Маском Atlas-5. В будущем его планируется применить в российской сверхтяжелой ракете «Енисей», по данным источника РИА Новости. SpaceX же в своих ракетах пока не использует Raptor. В уже существующих Falcon-9 и Falcon Heavy применяются двигатели Merlin, менее совершенные, чем РД-180. Двигатель Raptor еще только предстоит испытать в составе ракеты, — ее SpaceX также еще лишь предстоит создать. Кроме того, российские двигатели стремится заменить и Джефф Безос — его компания Blue Origin разрабатывает BE-4.

Планируется, что на более совершенных версиях двигателя Raptor инженерам удастся повысить давление до отметки в 300 атмосфер. Маск обещает, что на таких двигателях ракеты SpaceX смогут облететь Луну уже в ближайшее время. В 2019 году SpaceX запланировала запуск тестовой версии Starship, которая получила называние Starhopper. Она должна будет подняться вверх на несколько десятков километров, а затем плавно опуститься обратно на Землю. На ней будут отработаны технологии для создания многоразовой полноценной версии второй ступени BFR — Starship.

В то же время главные конкуренты Маска в борьбе за Луну — ракета SLS, собранная инженерами NASA, и российская ракета-носитель сверхтяжелого класса «Енисей», — многоразовыми не являются. При этом первая российская пилотируемая экспедиция по всей видимости отправиться на Луну не раньше 2031 года.

Если Маску удастся доказать, что его многоразовые ракеты запускать в разы дешевле, то разработки NASA и «Роскосмоса» окажутся устаревшими уже на стадии разработки.