Вступление

Всем привет! Мы команда ютуб-канала Амперки, в студии и пилим видео по проектам и железкам. Однако, в какой-то момент все изменилось.

Под катом история постройки нашей ракеты.


Шла весна 2020 года и карантин самоизоляция не щадила никого. В том числе и нас, отлученных от студии, дабы не подвергались опасности заражения заморской бациллой. Вот в этот-то период и начали активизироваться в голове старые идеи сделать то, что давно хотелось, но что было отложено в долгий ящик когда время будет. Наконец, то_самое_время пришло, и из того самого ящика была извлечена мысль о постройке собственной ракеты, еще и подстёгнутая недавним успешным пуском в эксплуатацию батута от SpaceX.

Так как сделать такой серьезный проект за один заход не получится, разделим его для удобства на составные части (список будет пополняться по мере работы):

1. Часть 1. Теория ракетных двигателей. Карамельное топливо

Ракетостроение, в целом, наука комплексная, сложная и многогранная. Релевантного опыта у нас не было, не кончали мы институтов по этому направлению, но есть руки, голова, желание а это уже многое, так что, как говаривал Юрий Алексеевич, поехали.

Теория ТТРД

Что такое реактивное движение, (для тех, кто, вдруг, не в курсе) много говорить не будем: если в двух словах, то это движение за счет отброса массы в противоположную сторону от направления движения. Про всякие экзотические конструкции двигателей типа ядерных, ионных и иже с ними говорить не будем одна не предназначены для работы в атмосфере, другие слишком сложны и не воспроизводимы в любительских условиях и т.д., поэтому остановимся на простых, но доступных простому обывателю конструкциях, которые при желании можно повторить практически в домашних условиях, а именно химических. В таких двигателях реактивная струя получается за счет химической реакции топлива и окислителя (в некоторых случаях роль окислителя может играть атмосферный кислород).

Итак, химические двигатели (ХРД), по агрегатному состоянию топлива классифицируются на жидкостные (ЖРД) и твердотопливные (ТТРД), так что выбирать будем из них. ЖРД весьма удобны, так как позволяют управлять тягой, однако требуют применения в своей конструкции сложных систем форсунок в камере сгорания и не менее сложных систем подачи топлива. Одно только проектирование ЖРД, даже самого примитивного, займет у нас месяцы, а, следовательно, это не наш вариант. Альтернативой могут стать ТТРД за счет простоты своей конструкции и значительно меньшими требованиями к топливу. Да, у нас не выйдет точно дозировать тягу. Точнее, мы ее совсем не сможем дозировать. Однако, есть некоторые аспекты, на которых мы можем сыграть, об этом и пойдет речь дальше.

Виды смесевого топлива

Самым первым, и, соответственно, примитивным топливом для ракет был порох: сначала дымный, а затем и бездымный. Китайцы, придумав эту горючую смесь, быстро догадались, что она не только может делать бух и много света, а еще и толкать снаряд, постепенно сгорая внутри него. Толку от него, конечно, мало, годится только для фейерверков, да и удельный импульс оставляет желать лучшего. Эволюцией бездымного пороха стали гомогенные (однокомпонентные) составы на основе нитроцеллюлозы. Они достаточно неприхотливы в хранении и эксплуатации, а также достаточно экологичны, однако имеют все тот же недостаток в виде слабого удельного импульса.

Намного лучший результат показывают смесевые составы из горючего и окислителя. Чаще всего в качестве такой пары применяют окислители из перхлоратов с горючим из порошка металлов и полимеров или широко известное в кругах моделистов-любителей карамельное топливо, где в качестве окислителя используются нитраты (селитры) и сложные углеводы (сахар, сорбит) в роли горючего. Вот как раз последние два варианта (перхлоратное и карамельное) топливо мы и выбрали в качестве подопытных для нашей ракеты.

Расчет двигателя

Важнейшая характеристика твердого топлива это скорость его горения, зачастую это значение константа для определенного состава топлива. Горение распространяется по поверхности. Если просто поджечь конец цилиндрической топливной шашки, то мы получим торцевое горение, которое даст длительное равномерное прогорание, однако, получить при этом достаточную тягу для подъема ракеты в воздух не выйдет. Для повышения эффективности нужно сделать в топливе канал, по которому будет распространяться горение, повысив тем самым его площадь. Также нужно учитывать, что по мере выгорания профиль канала будет меняться, следовательно, будет меняться эффективная площадь. Можно, конечно, долго экспериментировать с различными профилями, однако, это все уже сделано до нас и упаковано в удобный программный инструментарий.

В программу можно внести все необходимые параметры и получить графики тяги, которую будет развивать ракета. В графе Grain configuration под знаком вопроса есть описательный мануал по различным профилям канала.



Опытным путем, применяя различные конфигурации канала мы нашли оптимальные параметры для нашей ракеты. Для получения таких же показателей нужно ввести такие значения:

Форму канала мы выбрали Moon burner. Умный Meteor c учетом введенных данных построил нам вот такой график:

Из этой диаграммы понимаем, что двигатель со старта получит хороший пинок и будет развивать весьма неплохую тягу на протяжении всего времени работы. По расчетам программы пиковое значение тяги получилось без малого 312 Н при пиковом давлении в 24.5 бар. Средние значения оказались около 265 Н и 19.5 бар соответственно.
Еще одним неоспоримым плюсом программы является возможность прямого экспорта рассчитанных значений в другую не менее полезную для нас программу OpenRocket, при помощи которой мы будем рассчитывать стабильность ракеты, оперение, балансировку и другие важные показатели, но это будет уже в следующей серии.
Однако, не топливом единым жив начинающий ракетостроитель. Не менее важное значение имеет сопло. По этому принципу РД делятся на сопловые и бессопловые. Последние, технически, имеют дозвуковое сопло, являющееся, по сути, просто отверстием или конусом в нижней части двигателя. Дозвуковым оно называется по той причине, что истекающие через него газы не могут достигать, а уж тем более, превосходить скорость звука, сколько бы не наращивалось давление в камере сгорания, об этом нам говорит гидродинамика. А против физики, как известно, не попрёшь. Тем не менее, такие сопла за счет своей простоты применяются в малых любительских ракетах, а также в фейерверках. Но мы же делаем ракету, значит, дозвуковые сопла не наш путь.
Альтернативным решением является сверхзвуковое сопло или, как его еще называют по имени изобретателя, сопло Лаваля. В упрощенном варианте представляет собой два усеченных конуса, сопряженных узкими концами. Место сопряжения называется критической точкой.

Принцип его действия напоминает принцип, на котором работает холодильник: газы, проходя узкое горлышко и попадая в бОльший объем резко охлаждаются, за счет чего уменьшается их объем, что приводит увеличению скорости их истечения. В результате, за счет перепада диаметра выпускного отверстия мы получаем на выходе струю газа, движущегося со сверхзвуковой скоростью. Таким образом, применив сопло Лаваля мы значительно повышаем КПД ракеты.
К слову, Meteor проводит расчеты, подразумевая, что на двигателе установлено как раз сверхзвуковое сопло, расчет и изготовление которого также оставим на следующий выпуск.
Итак, характеристики, параметры и габариты двигателя у нас есть, можно приступать к варке топлива.

Изготовление топливных шашек

Первым топливом у нас будет карамельное, готовить будем из сорбита и калиевой селитры. Сорбит можно купить в аптеке, он используется как сахарозаменитель. Калиевую селитру можно найти в садово-огородном отделе, но там она довольно грязная, поэтому купили ч/чда в Русхиме.
Простейший способ измельчить компоненты до состояния мелкодисперсного порошка и смешать, но тогда топливо остается сыпучим и не будет держать форму. Решено сплавить компоненты вместе. Придется делать нагреватель с контролем температуры и песчаная баня, для которого нам понадобятся:

• самая дешевая электроплитка из Леруа
• твердотельное реле
• модуль термопары К-типа
• amperka.ru/product/iskra-mega?utm_campaign=serial-raketa-1-2020-07-04
• потенциометр
• дисплей
• выпарительная чаша
• форма для выпекания
• песок соль

Из плиты выбрасываем ее родной регулятор и ставим в разрез твердотельное реле, управлять которым будем через Ардуино, к которой подключим дисплей и потенциометр, чтобы видеть текущую температуру и иметь возможность ее настройки. В форме для выпекания проделываем отверстие и вставляем термопару. Заполняем форму примерно наполовину песком солью (песка под рукой не оказалось, зато рядом был продуктовый магазин, на качество это не повлияет). Это нужно для создания среды с большой тепловой инерцией. Кстати, соль лучше брать экстра, так как более крупная при нагреве начинает раскалываться и стрелять в разные стороны, устраивая Сталинград. В центре солевой бани устанавливаем выпарительную чашу, предварительно положив под ее дно щуп термопары. Контролировать процесс будем через первый попавшийся релейный регулятор для Ардуино. Проверяем пирометром разность температур между показаниями термопары температуры чаши, вносим соответствующие коррективы.
Meteor заботливо подсчитал массу топлива, которая составила 838г, возьмем с запасом, еще пригодится. Решено было сделать топливный заряд из нескольких шашек для простоты их изготовления. Потом можно будет их просто склеить между собой и вставить в корпус двигателя.
Возьмем по массе 65% калиевой селитры и 35% сорбита, аккуратно засыпаем в чашу и добавляем немного воды. Это и нервы успокоит, и избавит от необходимости измельчать компоненты в пыль, так как в воде они и без того хорошо растворятся и смешаются. Ставим на огонь, выставляем температуру и ждем, постоянно помешивая. Постепенно полученная каша расплавится и станет похожа на овсянку. Надо дождаться выпаривания всей лишней воды (это можно будет понять по прекратившемуся выходу кипящих пузырьков).
Дальше надо действовать решительно: в заранее подготовленную водопроводную ПВХ-трубу, зафиксированную в держателе с внутренним креплением под круглую ось будем запрессовывать топливо. После извлечения оси у нас как раз останется канал запала по всей длине шашки. Запрессовывать удобно при помощи держателя для дрели, такой очень удачно нашелся в студии. Важно запрессовать топливо таким образом, чтобы внутри шашки не оказалось пузырей и полостей, иначе это потом негативно скажется на горении.
Трубу с топливом откладываем и оставляем до остывания. Затем ее можно будет распилить и достать шашку. Мы сделали несколько штук, одну из них сожжем в целях эксперимента.

В следующем выпуске займемся корпусом двигателя, соплом и испытательным стендом.
А пока мы его готовим, рекомендую почитать следующую книжку про проектирование ЗУРов. Из нее была почерпнута бОльшая часть информации.
Всю серия целиком:

Однако, снова здравствуйте.
Прошла еще одна неделя делимся результатами работы над нашей ракетой.



Кто с нами впервые, для понимания происходящего, советую ознакомиться с историей продыдущих выпусков. Постояльцев прошу под кат.

Склеивание шашек

В предыдущих выпусках мы сварили топливо и придали им форму шашек с каналом внутри. Такая методика была выбрана из соображений удобства изготовления, так как лить шашку целиком и прессовать топливо довольно проблематично с учетом имеющегося у нас оборудования, и не факт, что получится хорошо. Поэтому было принято решение отлить небольшие шашки, а потом склеить их между собой.
В качестве клея будет использоваться все то же топливо, дабы была достигнута однородность. Для этого сварили небольшую свежую порцию, обработали торцы шашек, обмазали их топливом и совместили, соблюдая соосность. При обработке шашек следует помнить, что топливо весьма хрупкое и может раскрошиться при обработке, например, ножом, поэтому лучше всего делать это при помощи наждачной бумаги. В очередной раз напоминаю о мерах безопасности при работе с топливом: следует избегать источников открытого огня и мощных нагревателей вблизи топлива, а также соблюдать общую осторожность.
В результате получиласьбольшая длинная шашка, состоящая из пяти меньших как раз то, что надо для установки в корпус двигателя.

Сборка двигателя

Так как идея с заглушкой на резьбе провалилась ввиду невозможности нарезки оной на трубе, решили не заморачиваться и просто заварить нерабочий конец.



На противоположный конец трубы-корпуса сопло надевается с трудом, поэтому будем садить на горячую. Фиксация будет осуществляться за счет трех винтов М5, установленых под 120 градусов.
Но для начала надо просверлить сопло под посадку винтов. Обычные сверла, имевшиеся в запасе, наотрез отказались сверлить нержавейку, рейд в ближайший магазин инструментов пополнил арсенал кобальтовыми сверлами, но неумелая рука сразу сломала два из них под диаметр 3мм. Звоним дядьке Кириллу и интересуемся, чем же сверлить эту сталь. Советы были примерно такие:

• кобальтовые сверла выполнено
• низкие обороты
• большое усилие подачи
• СОЖ

В качестве СОЖа предлагалось использовать олеиновую кислоту в любом виде. У нас из доступного под рукой оказалось только подсолнечное. Важно при сверлении не уменьшать давление на материал и не повышать скорость вращения сверла, так как нержавейка при этом в точке контакта наклёпывается и резко повышает свою твердость, вследствие чего потом ее просверлить практически невозможно этим же сверлом. Учитывая все эти советы, отверстия были просверлены без особых проблем при помощи ручного шуруповерта в два прохода: сначала сверлом 3мм, затем 5.2мм.





В трубе же, она, уже просто стальная (Ст30, вроде), просверлилась без особых проблем, в отверстиях нарезали резьбу.

Абляция

Перед установкой топливного заряда в двигатель, необходимо подумать об абляторе. Если коротко, это слой материала, который защищает корпус от воздействия нагрева путем собственного плавления и возгонки, на что и тратится тепловая энергия. Своеобразный вид жертвенного слоя. В нашем случае абляцию следует наносить внутри корпуса двигателя, в пространстве между стенкой и топливом. При изготовлении шашек как раз был дан допуск на этот слой.
Мы в качестве аблятора решили использовать эпоксидную смолу, которой у нас было в достатке. Задачу равномерного распределения эпоксидки по внутренней поверхности трубы решили вращением при помощи двигателя от шуруповерта и нехитрого стенда.



После растекания эпоксидки вставляем в корпус готовый топливный заряд и устанавливаем электрозапал, провода от которого пропускаем через сопло, которое, в свою очередь, греем, и садим на трубу, предварительно уплотнив место посадки термостойким герметиком. Закручиваем фиксирующие винты и наш тестовый двигатель готов!

Огневые испытания

Тесты ракетных двигателей крайне опасное мероприятие, поэтому к месту их проведений и подготовке нужно отнестись максимально серьезно. Для наших испытаний мы выбрали заброшенный город-призрак Адуляр бывший военный городок 310 ВЧ 51850 километрах в 80 от Москвы. Одним из факторов, повлиявших на такой выбор стало то, что военная часть обслуживала ЗРК С-51 Беркут, чтобыло знаковым для нас ракетостроителей-дилетантов.
За день до испытаний я съездил в Адуляр на разведку. Город действительно оказался давно заброшенным и необитаемым, однако территорию облюбовали различного вида киношники (к слову, на момент разведки на месте находилась съемочная группа какого-то музыкального клипа), а также страйкболисты (о чем свидетельствовало большое количество шариков для приводов) и любители огнестрела (повсюду лежаль гильзы от винтовок, пистолетов и охотничьих ружей). Основная достопримечательность две пятиэтажки, стоящие друг напротив друга.







На следующий день мы в полном составе выдвинулись на испытания. По прибатию на место выбрали площадку для проведения испытаний, где была возможность установить камеры и при этом спрятаться за укрытия. Безопасность прежде всего в таких делах. Установили стенд и зафиксировали его, вбив штырями в грунт, провели проверку, в ходе которой убедились, что всё работает в штатном режиме и не повредилось при транспортировке.
Затем зафиксировали двигатель на каретке стенда, еще раз убедились в отсутствии людей в опасной зоне, заняли места в укрытии и произвели зажигание.
Все произошло настолько быстро, что мы даже не успели удивиться или испугаться. Через несколько миллисекунд после старта запала был слышен свист, который резко прервался сильным хлопком.



Выйдя из укрытия обнаружили, что на двигателе отсутствует сопло, а из корпуса выходят остатки дыма. Посмотрев запись увидели, что двигатель штатно выплюнул стартер, после чего вышел на режим, однако, после этого основание сопла, надетое на трубу-корпус стало расширяться, сорвало винты и отправилось в полет по направлению движения газов.



Измерительный стенд показал крайне быстрый рост усилия тяги до 135 кг, при условии, что датчики были расчитаны на 100кг (2 по 50кг). Нельзя точно отверждать, что это значение было максимальным, однако, однозначно, не менее указанного. Кроме того, из-за возникшей ударной нагрузки каретка сломала одну из калёных направляющих диаметром 10мм, а также деформировалось коромысло, распределявшее нагрузку между двумя тензодатчиками. Последние тоже пострадали, так как оказались значительно выгнутыми и больше не реагировали на давление.







Итог: стенд покалечен, датчики сломаны, сопло мы так и не нашли в высокой траве. Будем возвращаться в студию, уставшие, подмоченые дождем и расстроенные, а в следующем выпуске найдем причины такого поведения двигателя и способы борьбы с ними.

Видео по статье можно посмотреть здесь:

Рад всех приветствовать.
Пока точатся детали для бомбы Кроуфорда, займемся подготовкой к испытаниям: заготовим мини-шашки, сварим новый вид топлива и сделаем электронику.

Карамельное топливо v.2

В предыдущем выпуске мы решили провести тесты скорости горения топлива под давлением, в качестве подопытных будут мелкие (около 3-4 см в длину) шашки топлива. Задумка такая: отливаем мини-заряды и вставляем в них перпендикулярно оси тонкие (0.1мм) медные провода, затем поджигаем шашку с торца. При горении топлива расплавится первая проволочка, что будет сигналом для начала отсчета времени. Затем, когда перегорит вторая проволочка, получим вторую временную отметку. Зная расстояние между проводами и тот факт, что топливо горит по поверхности, произведя нехитрые математические вычисления, получим скорость горения в мм/с, а засекать время и считать будет ардуино.
С логикой процесса понятно, перейдем к отливке шашек. Их корпуса изготавливаем из бумаги, пропитанной силикатным клеем, которая наматывается на гладкий стальной пруток (взяли как раз тот, что используется для направляющих стенда по замеру тяги двигателя). Как нам подсказывали ранее, такая конструкция вполне подходит для предотвращения горения по той поверхности, где это горение не требуется, то есть, выходит бронировка. В нее и будем заливать топливо.
Первые закупленые реактивы подошли к концу, закупили новых. В Русхиме почему-то не оказалось калиевой селитры ХЧ, пришлось взять ЧДА. Она оказалась почему-то с желтоватым оттенком. Попытка сварить топливо с ней не увенчалась особым успехом продукт получился какой-то слишком коричневый и не хотел полностью затвердевать, поверхность оставалась блестящей и липкой, как будто мокрая. Начали грешить на чистоту селитры и невозможность полностью выпарить воду. Отваруумировали результат тот же. Причем при вакуумировании материал выделял значительное количество пузырей.
Следующая итерация состояла в попытке не добавлять воду, а плавить сорбит напрямую, добавляя к нему сухую селитру. После варки топливо получилось примерно того же качества, только на этот раз в топливе были заметны вкрапления селитры. Оба топлива горели слабо и нехотя, при этом часть материала плавилась и вытекала. Нашли немного первоначальных реактивов еще с первой закупки, попробовали сварить, как делали раньше тот же эффект.
В голову начали лезть мысли по поводу влажности атмосферы в помещении и/или влажности изначальных реагентов. Нашли и купили селитру с чистотой 99.5%, просушили ее и сорбит (по отдельности, естественно) в течение 6 часов при температуре около 60 градусов для удаления влаги, отвакуумировали и поместили в герметичные контейнеры. Наличие кристаллов селитры в варианте топлива, сваренного без добавления воды подтолкнуло к идее измельчения оной перед добавлением в расплав сорбита. В этом деле очень хорошо помогла электрическая кофемолка селитра превратилась в пыль. Также нам подсказали, что изменение цвета на коричневый и низкое качество топлива может быть обусловлено перегревом сорбита.
Итак, опытным путем мы вывели технологию производства лучшего топлива в наших условиях:

• максимально чистые реактивы
• сушка реактивов перед варкой + вакуумирование
• хранение реактивов в герметичной емкости
• измельчение калиевой селитры перед использованием
• температура при плавлении не должна превышать 120 градусов
• варка без добавления воды

Результат нас весьма приятно удивил. Во-первых, процесс собственно варки значительно ускорился, так как не надо выпаривать из расплава воду (время, затрачиваемое на сушку не учитываем это процесс практически автоматический, вакуумирование тоже не занимает долго времени). Во-вторых, качество топлива (вид, цвет, время затвердевания) тоже заметно улучшились. По виду вообще получилось как на фотографии в википедии. В-третьих, топливо стало гореть намного лучше, ровно, без остатка и без расплавленых капель. Эту технологию и будем использовать в будущем.
В наших гильзах для мини-шашек швейной иглой проделываем сквозные отверстия перпендикулярно оси по диаметру, продеваем в отверстия проволоку, заливаем топливо и аккуратно трамбуем, стараясь не повредить провода. Контроль заполнения ведется путем взвешивания пустых шашек и полных. Зная объем топлива внутри шашки и его плотность, легко посчитать, полностью ли заполнена гильза или еще остались пустоты.

Перхлоратное топливо

Раз уж задались идеей провести испытания скорости горения, решено было протестировать сразу и топливо на основе перхлората аммония, изготовлением которого и занялись. Этот вид топлива, с одной стороны, более прост в изготовлении, т.к. не требует нагревания и плавления, но с другой более опасен ввиду своей неустойчивости и более сложен в плане компонентов.
А компоненты понадобятся такие:

• перхлорат аммония окислитель
• алюминиевый порошок топливо
• Эластэкс полиуретановое связующее
• Касторовое масло отвердитель для связующего

ПХА был закуплен в Русхиме, остальные компоненты в Пирохобби. Да, мы не стали использовать купленый ранее алюминиевый порошок, взяв вместо него сферический дисперсный алюминий марки АСД-6 с размером зерна < 10мкм с целью повышения площади поверхности реактивов. Перхлорат аммония был измельчен в той же электрической кофемолке, но делалось это уже по-другому: зафиксировали кнопку во включенном состоянии, а включали кофемолку вилкой в розетку с расстояния все-таки, ПХА опасная штука. Настотельно рекомендуем всем соблюдать технику безопасности.



Итак, для приготовления топлива нужно взять по массе такое соотношение компонентов:

• окислитель 70%
• топливо 15%
• связующее 15%

Следует учитывать, что в последнем случае под связующим понимается смесь Эластэкса и касторового масла в пропорции 1:1, с чего и начинается приготовление: компоненты связующего необходимо тщательно смешать в емкости (желательно пластиковой или стеклянной) и вымешать до отнородного состояния. Затем в него последовательно добавить топливо и окислитель. Из соображений безопасности добавлять необходимо мелкими порциями, тщательно вымешивая предыдущую. Надеюсь, не стоит напоминать, что при готовке рядом не должно находиться нагревательных приборов, источников огня и искр это может привести к возгоранию топлива. Окончательное перемешивание удобно производить руками (обязательно в перчатках, т.к. ПХА сильный окислитель и кожу совершенно не жалеет), разминая полученную пластилиноподобную массу темно-серого цвета. Также аналогия внешнему виду и консистенции мелкодисперсный кинетический песок.



В спешке нет необходимости такой состав сохраняет пластичность до 6 часов, а окончательно затвердевает через 24 часа, превращаясь в довольно твердый материал. С затвердевшим топливом также стоит соблюдать осторожность: его нежелательно подвергать механической обработке (резать, сверлить и т.п.) это может привести к возгоранию. Сразу же провели тест получившегося топлива. Горение напоминает бенгальский огонь.



Для ПХА-топлива в качестве гильз мы использовали обычные медицинские шприцы на 5 кубов, а проволоку в них вставляли при помощи игл от тех же шприцев: набиваем топливо до уровня проволоки, протыкаем корпус шприца насквозь поперек иглой, продеваем сквозь иглу проволоку, вынимаем иглу, оставляя проволоку внутри шприца и продолжаем набивать топливо дальше.



Лично для нас работа с перхлоратным топливом показалась более простой и удобной, чем с карамельным. Главное соблюдать все меры предосторожности.

Электроника для стенда.

Принцип работы измерителя скорости горения уже был описан выше не буду к этому возвращаться, а вот программную и аппаратную часть рассмотрим подробнее. Для стенда нам понадобятся:

1. WiFi-Slot
2. Slot Expander
3. OLED-дисплей
4. Силовой ключ N-Channel 2 шт.
5. Аккумулятор ET ICR16340C
6. Power Cell
7. провода, припой, флюс, разъемы
8. аккумулятор 12В от шуруповерта

Почти все компоненты соединяются между собой без пайки благодаря Troyka-форм-фактору. Связь осуществляется через WiFi, данные выводятся на веб-интерфейс. Скетч представляет из себя несколько видоизмененный вариант прошивки, которая использовалась для стенда, замеряющего тягу двигателя, в частности, оттуда же взят скрипт от Highcharts, выводящий данные в виде графика. Ссылка на прошивку будет в конце статьи.
На данный момент показания давления вводятся вручную, однако мы планируем поставить цифровой датчик давления и подхватывать результаты прямо с него. Если все выйдет, как задумано обновим информацию по скетчу, но это будет уже в следующем выпуске.
Итак, электроника собрана, предварительно протестирована, значит, можно провести испытания при атмосферном давлении. Подсоединяем контактные провода шашек к стенду, подключаем запалы и идем тестировать. Результаты вышли примерно такие:







Как и ожидалось, при атмосферном давлении ПХА-топливо проигрывает карамели в скорости горения (1.25мм/с против 2.85мм/с), однако это топливо показывает свою наибольшую эффективность при повышенном давлении. Что ж, нам остается ждать изготовления фитингов и переходников для нашего баллона, провести с ним работу по внедрению всей нужной арматуры и провести испытания под давлением. Этим и займемся в следующей части.
Всем спасибо за внимание.

Видео по статье:


Скетч для стенда по измерению скорости горения топлива.

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.

Итак,

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:

1. Засыпаем в трубу ложку перемолотого бентонита
2. Забиваем бентонитовую заглушку примерно на 10мм, при необходимости досыпаем бентонит. Важно плотно его утрамбовать, чтобы он не крошился и не высыпался из трубы
3. Утрамбовываем топливо примерно на 80мм. Его также нужно утрамбовывать плотно, по максимуму заполняя отведенное ему пространство в трубе. Чем больше топлива, тем больше тяга
4. Забиваем последнюю бентонитовую заглушку до конца трубы, аналогичным образом, как и первую
5. Высверливаем по центру на малой скорости в любой из заглушек отверстие глубиной примерно 50-70 мм. Таким образом мы делаем своеобразное сопло

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:

• Температура горения была высокой, из-за чего начала плавится пластиковая труба, и было решено, что корпуса следующих движков нужно делать из металла
• Сопло постоянно забивалось остатками продуктов горения, из-за чего могло повыситься давление в двигателе и ракета просто взорвалась бы, а rapid unscheduled disassembly никому не нужна. На тот момент я подумал, что это из-за не правильной пропорции селитры и из-за того, что сахарная пудра была не чистой, поэтому в следующих движках решил поэкспериментировать с пропорциями и заменить сахарную пудру на чистый сахар

Таким образом мой первый опыт двигателестроения хоть и выглядел печальным, но меня он подстегнул двигаться дальше в этом направлении и узнавать что-то новое, потому что я очень хотел запустить свою ракету!

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.

Прежде чем варить топливо, поговорим о технике безопасности, ведь карамелька легко воспламеняется, и горит очень резво. Варить топливо нужно только на электрической плите, на газовой плите или любом другом источнике открытого огня готовить топливо нельзя. Кстати в недавнем взрыве склада пиротехники в Бейруте по официальным данным воспламенилась именно селитра, так что будьте крайне осторожны при варке.

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:

• Движки с перемолотым в ступке и сваренным карамельным топливом
• Движки с измельченным в кофемолке и сваренным карамельным топливом
• Движки с измельченным в кофемолке и сваренным карамельным топливом с добавлением 1% оксида железа 3

Теперь необходимо было провести испытания движков. В спойлерах написано процентное соотношение ингредиентов в формате Селитра/Сахар/Ржавчина(если есть), а внутри прикреплены гифки самих прожигов.






Выводы:

• В этот раз все движки загорелись и горели они очень хорошо, что конечно же порадовало
• Ржавчина увеличивает скорость горения. Для сравнения двигатель 55/45 горел примерно 35 сек, а 54/45/1 уже 26 сек;
  
• Измельчение в кофемолке существенно не прибавило скорости горения
• Даже с заменой сахара в двигателях оставалось много не сгоревшего вещества (черное и белое вещество в бочонках на последней фотографии), состав которого был не известен

В общем, топливо загорелось, осталось решить, делать ли на нем ракету, или искать другое решение.

Что в итоге?

А в итоге у нас плохо работающие движки. Основная их проблема не полное сгорание топливной смеси (о последствиях этого я писал выше). Также подкачала и скорость горения. И вот тут то всплывает злополучная надпись N 13,6% и K2O 46% на упаковке селитры, потому что, скорее всего калиевая селитра для удобрений не чистая, и оставшиеся 40,4% это какие-нибудь примеси, которые и стали причиной плохой работы двигателей.

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 неизвестны их тягостные характеристики, 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.


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), массовых и тягостных характеристик двигателя и его крепления. Но сперва необходимо было добавить используемый движок.


Чертеж ракеты в Open Rocket



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

Вперед на полигон!

Когда обе ракеты были собраны, настало время их запустить! В роли стартового стола выступал стальной стержень длиною 1500 мм, воткнутый в землю. Ракета устанавливалась на него с помощью направляющих (листы бумаги, скрученные в трубочки).

Первый запуск 3D печатных ракет одновременно был смешным и страшным. Как оказалось двигатели были бракованные, из-за чего в небо взлетела крылатая ракета Калибр неисправная ракета и на полной скорости воткнулась в землю. Но была и хорошая новость, неисправные движки Real Rockets заменила бесплатно, за что я им благодарен.




С отремонтированной ракетой и новыми двигателями мы снова отправились на полигон. В этот раз удача была на нашей стороне и обе ракеты взлетели в воздух и мягко приземлились, даже неоднократно.

Заключение

В конце я хотел бы сказать, что на простых запусках ракет я не хочу останавливаться. Одна из моих ракет уже летала вместе с альтиметром, о разработке которого я расскажу в следующей статье. Сейчас же я делаю бортовую камеру, которую планирую установить на новую ракету и запустить уже на более мощных двигателях РД1-30-5.

А на этом у меня:


Спасибо за внимание!