Ракета от Амперки, часть 1: Теория ракетных двигателей. Карамельное топливо

    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
    2. Часть 2: Корпус двигателя, расчет сопла
    3. Часть 3: Токарка, допилы стенда, электроника
    4. Часть 4: Сборка двигателя и огневые испытания
    5. Часть 5: Разбор полетов, ремонт
    6. Часть 6: Тестовые шашки, перхлоратное топливо, стенд для тестов скорости горения


    Также просим учесть, что статьи, как и серии выпускаются не по выполненным этапам, а по привязке ко времени, то есть, что сделали за неделю, то и пишем/показываем.

    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. Некоторые бесстрашные любители делают это в сковородках, на открытом огне, даже, бывает на костре, но нам дороги наши пальцы и глаза. Придется делать нагреватель с контролем температуры и песчаная баня, для которого нам понадобятся:


    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 и 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.

    Не забываем про технику безопасности: вблизи топлива не должно быть никаких источников открытого огня, раскаленных предметов и чего-либо, что может вызвать возгорание.

    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.

    Вся серия целиком:

    Амперка
    Компания

    Похожие публикации

    Комментарии 47

      +5
      Безумно интересно, спасибо. Но вот в этом месте: «можно приступать к варке» желательно вставить предупреждение на тему ТБ. Хорошо когда хорошо, но знаю случай, когда профессионал в лаборатории при рутинном растирании состава остался без глаза и пальцев. А килограммовая варка это немало.
      Также про пузырьки и полости в шашке — они могут вызвать и детонацию. И возникать могут самопроизвольно, при высыхании состав может усаживаться и трескаться, такое даже для шаттловских «шашечек» описывалось.

      Конечно, самостоятельные расчёт профиля и изготовление шашек даёт большую гибкость в задании параметров двигателя.

      Высоких взлётов!

      ps. Что если для следующей съёмки раздобыть тепловизорную головку на смартфон? Возможно, факел не потеряется за дымом.
        +1
        Спасибо, предупреждение по ТБ добавил.
        Да мы и не варили килограмм сразу — чисто под шашку + небольшой запас.
          +1
          Кстати, калиевую/натриевую мне 10 лет назад во всех более-менее крупных садовых магазинах продавать не то чтобы отказывались — её вообще не было. Ещё и при вопросе о наличии смотрели как на террориста. Сейчас ситуация, думаю, ещё хуже :(
          Пришлось довольствоваться аммиачной и делать дымовухи.
            0

            Калийная селитра делается довольно несложно из аммиачной селитры и хлористого калия. Только просушить потом хорошенько надо.

              0
              Только это надо делать на улице и лучше в нежилых местах :)
                +1

                Или с хорошей вентиляцией.

                0
                а подробнее, или ссылку?
                  0
                  Особенность в очень плохой растворимости некоторых солей калия, например, нитрата. Простая ракция ионного обмена двух горячих насыщенных водных растворов с кристаллизацией, последующим охлаждением, докристаллизацией, и, возможно, перекристаллизацией.
                0
                Продают свободно, в том числе в крупных сетевых гипермаркетах. Бренд «буйские удобрения», как пишут на форумах пиротехники, чистота хорошая.
            +3
            Классно, но как бы вас под статью не подвели…
              0
              На самом деле вы правы. ТДД легко приравнивается к оболочному ВУ со соответствующими статьями. К сожалению, ракетный моделизм в России возможен только в подполье либо с покупными ТДД. Отдельная тема — запуск ракеты. Чего-то крупное надо довезти, при этом не попасть под проверку «а чего это у вас в багажничке, давайте посмотрим». Да и после запуска неплохо побыстрее уматывать.
                0
                К большому сожалению, это же касается и пиротехники.
              0
              Обычно термин применяют как РДТТ, в большинстве публикаций именно так (хотя и обратное случается).
              Какая интересная программка, а мы в своё время в маткаде считали, правда задача обратная была, по заданному профилю тяги подобрать форму заряда.
                0
                Там в тексте статьи есть ссылка на OpenRocket — можно и стабильность полета прикинуть, и высоту подъема по заданным характеристикам.
                  0

                  Эх, вспомнил детство и расчеты в excel-файле от Ричарда Накки. Оно довольно неплохо считало профиль тяги для нескольких вариантов каналов.

                0

                А в принципе такая конструкция допускает маштабирование? Возможно в принципе построить межконтинентральную ( или космическую) ракету на топливе типа "карамелька"?

                  0
                  На карамельном, скорее всего, нет. В какой-то момент можно упереться в предел соотношения тяги и веса ракеты, а еще — давления в камере сгорания. Вот с перхлоратным топливом ситуация получше, но, скорее всего, тоже не бесконечно можно масштабировать. Хотя на ютубе есть ролик, где любители запускали ракету на перхлоратном топливе на 10км вверх.
                    +1

                    Почти все твердотопливные МБР на перхлоратном топливе.

                    0
                    Тут уже нужно проектировать топливо. Большой столб топлива может «потечь», и если будет недостаточно эластичен, то треснет, а это новый неожиданный фронт горения. Если будет чересчур эластичен, то сильно деформируется, и внутренний канал тоже. Соответственно, тяга изменится. Вряд ли именно на «карамельке» можно достичь космоса
                      0
                      На одноступке однозначно достичь космоса не получится. Вот видео, где дается подробное обоснование без лютого матана:
                        0
                        Про одноступенчатые я знаю. Просто хотел сказать камраду, что карамельное топливо только для любительских запусков моделей
                          +4
                          Полный бред в описании компоновки ступеней. «Крест Королева» он не от хорошей жизни — не умели тогда двигатели в вакууме пускать. Поэтому на первой Р-7 запускали все ступени сразу, на Земле. Потом боковики отстреливались и вторая ступень довыводила ПН на орбиту.

                          На «Востоке», «Восходе» и «Союзе» масса ПН возрасла до таких величин, что понадобилась третья ступень. Но она пускалась «горячим» методом — вторая ещё работает, создавая ускорения для осадки топлива в баках третьей, и третья уже начинает запуск. Решетчатая ферма и конический отражатель газов на 2-й ступени — явный признак горячего пуска.

                          С «Протоном» вообще жесть — автор видео хоть знает, что у протона чистая поперечная схема, и «боковики» у него не отделяются?

                          Пустое спорить с этими авторами. Для справки — вывод в одну ступень невозможен из-за того, что у химических топлив есть фатальный недостаток — высокая плотность снижает удельный импульс (скорость истечения газов). Но высокая плотность дает силу тяги, так необходимую при старте с поверхности. Как итог среди ракет грузоподъемностью 100 т и выше мы имеем сегодня «Сатурн-5» и «Энергию», обе ракеты в первой ступени использовали пару керосин + кислород, обеспечивающую высокую тягу, а верхних ступенях — водород + кислород, обеспечивающую высокий удельный импульс. Высокой тягой быстро проскакиваем тропосферу и верхнюю стратосферу, сознаем необходимый наклон траектории, а дальше малой тягой но высоким УИ достигаем орбитальной скорости.

                          Решение одно — уйти от хим топлива в сторону ЯРД и ТЯРД, но это пока из разряда фантастики
                            +1
                            не умели тогда двигатели в вакууме пускать

                            Оговорился — не в вакууме, в невесомости. Но думаю, мысль понята
                              0
                              А как решили эту проблему?
                                0
                                На третьей ступени которая совсем в невесомости можно например гибкой перегородкой бак разделить и ею прижимать топливо к сливу. Можно начальный импульс дать
                                  +1
                                  Первую ступень — боковые блоки и вторую — центральный блок, собрали в пакет и пускали одновременно, на земле. Запуск третей ступени начинали когда ещё тянет вторая, тем самым добиваясь осаждения топливных компонент в баках. Отсюда на вершине 2 ступени решетчатая ферма и отражатель.

                                  У НАСА была похожая схема на ракете «Атлас» — три двигателя пускали одновременно на земле, потом два сбрасывали. Вот, кстати, «Атлас», тот, 60-х годов, ближе всех к схеме вывода в одну ступень, если посмотреть его конструкцию, то это не 2-х, а по сути 1,5-ступенчатая ракета.

                                  На «Сатурне» двигатели отработанной ступени полностью выключались, а на следующей стояли специальные микродвигатели для осадки топлива в баках. Их работа четко показана в фильме «Аполлон 13»
                                0
                                там еще веселее. Изначально хотели сделать боковушки как подвесные баки в авиации — с перекачкой топлива и отстрелом, но решили не рисковать (я полагаю, что еще и движков мощных на замену отсутствующих на баках не было)
                                0
                                Это вы формулу Циолковского обозвали матаном что-ли?
                              0
                              По крайней мере, пытаются
                              0

                              "Профессиональные" метательные составы, ЕМНИМС, делаются с "отрицательным балансом по кислороду". Для удобного хранения [и образования эффектного пламени на дульном срезе при соприкосновении раскалённых газов с окружающим воздухом]. А тут прям голая селитра. Или по стехиометрии всё сходится?

                                0
                                А для чего нужно это «эффектное пламя»?
                                  0

                                  Ни для чего, это просто побочка от состава смеси.

                                    0
                                    помимо блестящего порошка, можно солей металлов для цвета :)
                                      +1
                                      А ещё парашют и кербонавта в ближайшем пруду поймать.
                                +1
                                Возьмем по массе 65% калиевой селитры и 35% сорбита...

                                Однако…

                                А что касается DIY ракетостроения, то смотрим сюда:

                                www.youtube.com/c/BPSspace/videos
                                  +1

                                  Для интересующихся темой оставлю ссылку на Ракетомодельный форум Авиабазы. Ныне он здесь: http://www.wrk.ru/forums/viewforum.php?id=23

                                    +1
                                    спасибо за ссылку… порадовал такой редкий нынче — нейтрально-технически-деловой стиль общения без переходов на....xxx с таким подходом — может и взлетим!)
                                      0
                                      Интересно, Рома перевел Ракетомодельный форум Авиабазы на новый домен. Давненько не был на Авиабазе. Спасибо за напоминание.
                                        0
                                        Роман, если вы о Каршиеве, умер полтора года назад. :(
                                        0
                                        спасибо за ссылку, давно забыл об этом форуме!
                                        0
                                        Ох, как бы по нынешним временам к ракетчикам не пришли бы «космонавты» из ЦСН. А то 223 там просто на ровном месте лежит, а если постараться, то и 205 притянуть можно.
                                          0

                                          Чего уж там, бери шире! Почти половина под статьёй ходит, за наличие орудия изнасилования.

                                            0
                                            уж подготовку к 205 точно
                                            +1
                                            Очень пристально слежу за вашим экспериментом. Могу посоветовать небольшой канал, где парень тоже тестирует разные вариации с твердотопливными ракетными ускорителями.
                                            www.youtube.com/channel/UCPHMx7anmYtt2vY-ltT1G_g
                                            У него более 40 видео на эту тему, там измерения тяги, точные пропорции и разные сопла. Там много чего можно найти. Удачных запусков, и беспрепятственных испытаний!
                                              0
                                              Пишут, что оксиды железа FeO и Fe2O3 (банальная ржавчина, которую можно начистить железной щеткой с ржавых металлоконструкций) — неплохой катализатор для «карамельки». Не пробовали?
                                                0

                                                А если еще алюминия добавить, то и корпус двигателя прожжет)

                                                  0

                                                  Зачем "карамельке" катализатор? Они нужны там, где скорость горения или степенной коэффициент маловаты.

                                                Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                                Самое читаемое