Introducción
¡Hola! Somos el equipo del canal de YouTube Amperka, en el estudio y vimos videos sobre proyectos y piezas de hierro. Sin embargo, en algún momento todo cambió.
Bajo el corte: la historia de la construcción de nuestro cohete.
Era la primavera de 2020 y la
Como no será posible realizar un proyecto tan serio de una vez, lo dividiremos por conveniencia en sus componentes (la lista se actualizará a medida que trabajemos):
- Parte 1. La teoría de los motores de cohetes. Combustible de caramelo
- Parte 2: carcasa del motor, cálculo de la boquilla
- Parte 3: torneado, acabado de stand, electrónica
También le pedimos que tenga en cuenta que los artículos, así como las series, se publican no según las etapas completadas, sino según el tiempo, es decir, lo que hemos hecho en una semana es lo que escribimos / mostramos.
La ciencia espacial, en general, es una ciencia compleja, compleja y multifacética. No teníamos experiencia relevante, no nos graduamos de instituciones en esta dirección, pero tenemos manos, una cabeza, un deseo, y esto ya es mucho, así que, como solía decir Yuri Alekseevich, vámonos.
Teoría TTRD
Qué es la propulsión a chorro (para aquellos que, de repente, no saben) no diremos mucho: en pocas palabras, este es el movimiento debido al lanzamiento de la masa en la dirección opuesta a la dirección del movimiento. No hablaremos de todo tipo de diseños exóticos de motores como el nuclear, el ion y otros similares: uno no está diseñado para funcionar en la atmósfera, otros son demasiado complejos y no reproducibles en condiciones de aficionado, etc., por lo que nos centraremos en diseños simples pero asequibles , que, si se desea, se puede repetir casi en casa, es decir, químico. En tales motores, la corriente en chorro se obtiene debido a la reacción química del combustible y el oxidante (en algunos casos, el oxígeno atmosférico puede desempeñar el papel del oxidante).
Entonces, los motores químicos (CRD), de acuerdo con el estado agregado del combustible, se clasifican en combustible líquido (LPRE) y sólido (TTRD), por lo que elegiremos entre ellos. Los LPRE son muy convenientes, ya que le permiten controlar el empuje, pero requieren el uso de sistemas complejos de boquillas en la cámara de combustión y sistemas de suministro de combustible no menos complejos en su diseño. Diseñar un motor de cohete líquido solo, incluso el más primitivo, nos llevará meses y, por lo tanto, esta no es nuestra opción. Una alternativa puede ser un motor turborreactor debido a la simplicidad de su diseño y a los requisitos de combustible significativamente más bajos. Sí, no podremos dosificar con precisión los antojos. Más precisamente, no podremos dosificarlo en absoluto. Sin embargo, hay algunos aspectos en los que podemos jugar, y esto se discutirá más a fondo.
Combustibles mixtos
El primer combustible primitivo y, por consiguiente, primitivo para los cohetes fue la pólvora: primero humeante y luego sin humo. Los chinos, habiendo ideado esta mezcla combustible, se dieron cuenta rápidamente de que no solo puede hacer una explosión y mucha luz, sino también empujar el proyectil, que se quema gradualmente dentro de él. Por supuesto, tiene poco sentido, es adecuado solo para fuegos artificiales, y el impulso específico deja mucho que desear. La evolución del polvo sin humo se ha convertido en formulaciones homogéneas (de un componente) a base de nitrocelulosa. Son bastante modestos en almacenamiento y operación, y también son bastante respetuosos con el medio ambiente, pero aún tienen la misma desventaja en forma de un impulso específico débil.
Las composiciones mixtas de combustible y oxidante muestran resultados mucho mejores. Muy a menudo, como tal, los oxidantes de los percloratos con un combustible hecho de metal y polímero en polvo o "combustible de caramelo", ampliamente conocido en los círculos de los modeladores aficionados, donde se usan nitratos (salitre) y carbohidratos complejos (azúcar, sorbitol) como agente oxidante como combustible. ... Estas son solo las últimas dos opciones (combustible de perclorato y caramelo), elegimos como experimental para nuestro cohete.
Cálculo del motor
La característica más importante del combustible sólido es su tasa de combustión; a menudo, este valor es una constante para una determinada composición de combustible. La combustión se extiende por la superficie. Si simplemente prendemos fuego al extremo de la barra de combustible cilíndrica, obtenemos una combustión de extremo a extremo, que proporcionará una combustión uniforme a largo plazo, sin embargo, no funcionará para obtener suficiente empuje para levantar el cohete en el aire. Para aumentar la eficiencia, es necesario hacer un canal en el combustible a través del cual se propague la combustión, aumentando así su área. También debe tenerse en cuenta que a medida que avanza el agotamiento, el perfil del canal cambiará, por lo tanto, el área efectiva cambiará. Por supuesto, puede experimentar con diferentes perfiles durante mucho tiempo, sin embargo, todo esto ya se ha hecho antes que nosotros y está empaquetado en un kit de herramientas de software conveniente .
Puede ingresar todos los parámetros necesarios en el programa y obtener los gráficos de empuje que desarrollará el cohete. En la columna de configuración de grano, debajo del signo de interrogación, hay un manual descriptivo sobre varios perfiles de canal.
Empíricamente, usando varias configuraciones de canales, encontramos los parámetros óptimos para nuestro cohete. Para obtener los mismos indicadores, debe ingresar los siguientes valores:
Elegimos la forma del quemador de luna del canal. Smart Meteor, teniendo en cuenta los datos ingresados, creó el siguiente gráfico para nosotros: a
partir de este diagrama, entendemos que el motor obtendrá una buena patada desde el inicio y desarrollará una muy buena tracción durante todo el tiempo de funcionamiento. Según los cálculos del programa, el valor de empuje máximo era de casi 312 N a una presión máxima de 24,5 bar. Se encontró que los valores promedio eran de aproximadamente 265 N y 19.5 bar, respectivamente.
Otra ventaja indiscutible del programa es la capacidad de exportar directamente los valores calculados a otro programa, no menos útil para nosotros: OpenRocket , con el que calcularemos la estabilidad del cohete, la cola, el equilibrio y otros indicadores importantes, pero esto será en la próxima serie.
Sin embargo, un científico de cohetes novato no vive solo con combustible. La boquilla es igualmente importante. De acuerdo con este principio, las calles de rodaje se dividen en boquillas y sin boquillas. Estos últimos, técnicamente, tienen una boquilla subsónica, que es esencialmente solo un agujero o cono en la parte inferior del motor. Se llama subsónico por la razón de que los gases que fluyen a través de él no pueden alcanzar, y aún más, exceden la velocidad del sonido, no importa cuánto aumente la presión en la cámara de combustión, la hidrodinámica nos dice sobre esto. Y la física, como sabes, no puede ser pisoteada. Sin embargo, debido a su simplicidad, tales boquillas se utilizan en pequeños cohetes aficionados, así como en fuegos artificiales. Pero estamos haciendo un cohete, lo que significa que las boquillas subsónicas no son nuestro camino.
Una solución alternativa es la boquilla supersónica o, como también se la llama por el nombre del inventor, la boquilla Laval. En una versión simplificada, está representado por dos conos truncados, conjugados por extremos estrechos. La interfaz se llama punto crítico.
El principio de su funcionamiento se asemeja al principio sobre el cual funciona el refrigerador: los gases que pasan a través de un "cuello estrecho" y entran en un gran volumen se enfrían bruscamente, por lo que su volumen disminuye, lo que conduce a un aumento en la velocidad de su flujo de salida. Como resultado, debido a la diferencia en el diámetro de la salida, obtenemos en la salida un chorro de gas que se mueve a una velocidad supersónica. Por lo tanto, utilizando la boquilla Laval, aumentamos significativamente la eficiencia del cohete.
Por cierto, Meteor hace cálculos, suponiendo que se instale una boquilla supersónica en el motor, cuyo cálculo y fabricación también se dejarán para la próxima versión.
Entonces, tenemos las características, parámetros y dimensiones del motor, podemos comenzar a cocinar combustible.
Hacer barritas de combustible
Nuestro primer combustible será el caramelo, cocinaremos con sorbitol y nitrato de potasio. El sorbitol está disponible sin receta médica y se usa como edulcorante. El nitrato de potasio se puede encontrar en el departamento de jardinería, pero está bastante sucio allí, así que compramos un h / chda en Ruskhim .
La forma más simple es moler los componentes a un estado de polvo fino y mezclar, pero luego el combustible sigue fluyendo libremente y no mantendrá su forma. Decidió fusionar los componentes juntos. Algunos aficionados intrépidos lo hacen en sartenes, en un fuego abierto, incluso en un fuego, pero nuestros dedos y ojos son queridos por nosotros. Tendremos que hacer un calentador con temperatura controlada y un baño de arena, para lo cual necesitamos:
- la estufa eléctrica más barata de Leroy
- relés de estado sólido
- Módulo de termopar tipo K
- arduino
- potenciómetro
- monitor
- recipiente de evaporación
- fuente para hornear de FixPrice
sal dearena
Tiramos su regulador nativo de la estufa y colocamos un relé de estado sólido en el corte, que controlaremos a través de Arduino, al que conectamos una pantalla y un potenciómetro para ver la temperatura actual y poder ajustarla. Haga un agujero en la fuente para hornear e inserte el termopar. Rellena la forma hasta la mitad
Meteor calculó cuidadosamente la masa de combustible, que era de 838 g, tomémosla con un margen, aún será útil. Se decidió hacer una carga de combustible de varias piezas para facilitar la fabricación. Luego, simplemente puede pegarlos e insertarlos en la carcasa del motor.
No olvide las precauciones de seguridad : no debe haber ninguna fuente de fuego abierto, objetos calientes o cualquier cosa cerca del combustible que pueda provocar un incendio.
Tomamos en peso 65% de nitrato de potasio y 35% de sorbitol, vertimos cuidadosamente en un recipiente y agregamos un poco de agua. Esto calmará los nervios y eliminará la necesidad de moler los componentes en polvo, ya que ya se disolverán y mezclarán bien en agua. Lo ponemos al fuego, ajustamos la temperatura y esperamos, revolviendo constantemente. Gradualmente, la papilla resultante se derretirá y se convertirá en avena. Es necesario esperar hasta que se evapore todo el exceso de agua (esto puede entenderse por la liberación cesada de burbujas hirviendo).
A continuación, debemos actuar con decisión: presionaremos el combustible en una tubería de PVC de suministro de agua preparada previamente fijada en un soporte con una fijación interna para un eje redondo.
Después de quitar el eje, tendremos un canal de fusibles a lo largo de todo el verificador. Es conveniente presionar con un soporte de taladro, este se encontró muy bien en el estudio. Es importante presionar el combustible de tal manera que no haya burbujas y cavidades dentro del verificador, de lo contrario, esto afectará negativamente la combustión.
Dejamos a un lado la tubería con combustible y la dejamos enfriar. Luego se puede aserrar y se puede sacar el corrector. Hicimos varias piezas, quemaremos una de ellas con fines experimentales.
En la próxima entrega, trataremos la carcasa del motor, la boquilla y el banco de pruebas.
Mientras tanto, lo estamos preparando, recomiendo leer el siguiente libro sobre el diseño de misiles. La mayor parte de la información se obtuvo de ella.
Toda la serie en su conjunto: