Ракета от Амперки, часть 2: корпус двигателя, расчет сопла

    Мы продолжаем строить нашу ракету. Прошла неделя, выкладываем отчет по тому, что было за это время сделано.



    Для тех, кто зашел в тред впервые, прошу ознакомиться с предыдущим выпуском.

    Корпус двигателя


    Исходя из полученных данных по давлению газов в камере сгорания, нужно было подобрать соответствующий этим требованиям материал для корпуса. Пиковое значение давления у нас достигает почти 25 бар. Не мудрствуя лукаво и стараясь уйти от применения сложных материалов, где это возможно, решили принять на вооружение стальную трубу ДУ-40 с толщиной стенки в 3 мм. Соответствующая труба была успешно закуплена в первом попавшемся металлопрокате на рынке. К сожалению, склад продукции железячников находился под открытым небом, поэтому труба была несколько ржавая.

    Чистка при помощи наждачки и «лепестковой палки» авторства Лёши (передаем привет Доктору Дью) не дала нормального эффекта, да и лень было убивать на это время. Почему бы для этого не попробовать химический метод. Из химикатов, находившихся в пешей доступности, была только уксусная эссенция, лимонная кислота и соль, все закуплено в ближайшем продуктовом. Как назло, не нашлось подходящего тазика, в который можно было бы налить ядрёную смесь и замочить трубу, пришлось соорудить его дендрофекальным методом из других ящиков, используя их в качестве опоры, а между ними сделать ванночку из пленки, оставшейся после дирижабля, которую закрепили канцелярскими зажимами. Положили в этот хрустящий саркофаг трубу и залили ускусной кислотой, а для большего эффекта добавили растворенной в воде лимонки с солью.Реакция началась мгновенно.Довольные собой, мы оставили трубу травиться и с чистой совесью ушли на выходные.

    Запах, встретивший нас в понедельник, выедал глаза и нос. Да, зря не накрыли ничем ванну. Запах уксуса, казалось, въелся в стены. Даже открытые настежь окна не спасли, потом еще дня два пришлось проветривать студию, так что не повторяйте наших ошибок: такие вещи лучше делать либо на открытом воздухе, либо в плотно закрытой таре. Тем не менее, результат очистки трубы оказался вполне удовлетворительным: труба очистилась как снаружи, так и изнутри. Имейте в виду, после применения химической очистки нужно хорошо промыть водой и вытереть насухо очищаемый предмет, иначе он на воздухе быстро покроется мутной пленкой. Еще лучше — защитить поверхность от контакта с воздухом при помощи краски, лака или аэрозольного полиуретана. Но это исключительно наши эстетические соображения.

    Расчет сопла


    Сопло является главным элементом ракетного двигателя (ваш К.О.), так как в зависимости от правильности его расчета можно на одном и том же топливе с тем же каналом получить до +30% тяги.

    К расчету сопла мы подошли основательно, подробно о математике его расчета, принципе работы, протекающих процессах, да и вообще, много интересного, можно почитать тут и elib.osu.ru/bitstream/123456789/8572/1/1805_20110824.pdf. А еще на сайте нашелся очень удобный инструмент Rocki-nozzle (на странице листаем вниз и ищем соответствующую ссылку).



    Скачиваем программу, подставляем в соответствующие поля расчетные значения ракеты, полученные в Meteor (см. статью) и получаем на выходе профиль сопла. Обрабатываем данные и в SolidWorks рисуем красивое сопло с соблюдением всех размеров.

    Дальше должна была быть токарочка, но в этот выпуск она не попадет, так как у моего знакомого токаря ЧПУ-шка отказалась работать и мы не могли к нему попасть. Но к следующей серии все обязательно будет.

    Скачать полученную модель можно по ссылке в конце статьи.

    Испытательный стенд, механическая часть


    Перед запуском ракеты мы хотели провести замеры тяги на стенде, дабы сравнить реальные диаграммы с теми, что нам посчитал Meteor и проверить, насколько можно верить его расчетам. В принципе, вопрос о стенде поднимался уже давно и его решение было неизбежным, и, какобычно, методом проб и ошибок.

    Первой версией было использование в качестве чувствительного элемента кухонных весов на 10 кг с прикрепленным к оси стрелки потенциометром. Весы были успешно куплены в интернет-магазине и разобраны для удобства использования. Но к этому моменту появились расчеты тяги и понимание, что диапазона измерений в 10 кг будет мало, а вносить погрешность в виде рычагов не хотелось.

    Затем пришел вариант 2: использовать аналоговые (с вращающимся диском) напольные весы для людей. При разборке внутри оказалась дохленькая пружина и система рычагов, крайне неподходящая для использования на стенде.





    Вариант 3. Долго не хотелось его применять из-за низкой скорости измерений, однако, пришлось. Тензодатчики. Поскребав по сусекам, нашел дома несколько тензодатчиков на 50 кг и модуль на микросхеме HX711.





    Основная проблема в том, что тензодатчики оказались не мостовые, а полумостовые. Ну что ж, придется ставить 2 шт. С другой стороны, это даже плюс: получим стенд, способный измерять тягу до 100 кг, а разрешение АЦП в HX711 24бит позволит производить замеры с достаточно высокой точностью. По крайней мере, согласно нашим расчетам. Как будет на самом деле, проверим самым точным методом — эмпирическим.

    Тем временем, Лёша собрал каркас стенда из профильной трубы 20х20, стальных направляющих и линейных подшипников. Сначала подумали, что можно поставить испытуемый двигатель таким образом, чтобы вектор его тяги был направлен вниз, то есть, в землю, однако отказались от этой идеи в пользу точности измерений, так как на старте у нас на датчик будет давить вес самого двигателя, который будет уменьшаться по мере прогорания топлива. Вместо этого решено было направить вектор тяги параллельно земле, а от сдвигания вперед стенд защитим фиксацией при помощи вбитой в землю арматуры или анкеров. Ну, или к валуну прижмем — будем посмотреть по месту проведения испытаний.







    В следующей серии планируем полностью собрать стенд, прикрутитьк нему электронику, собрать двигатель, снарядить топливом, поставить на стенд и выехать в безлюдные места для проведения огневых испытаний. Оставайтесь с нами — будет много интересного.

    Видео во статье можно посмотреть вот тут:


    Ссылки:

    Принцип работы сопла Лаваля
    Расчет и построение профиля сопла Лаваля
    Программа Rocki-nozzle
    Модель нашего сопла
    Амперка
    Компания

    Комментарии 26

      0
      Вариант 3. Долго не хотелось его применять из-за низкой скорости измерений, однако, пришлось. Тензодатчики.


      10...80 изм./с, вполне себе нормальная скорость. Или движок милисекунды работает?
        0
        Если верить расчетам, то около 3.5 секунды.
          0
          Если верить расчетам, то около 3.5 секунды.

          Тогда чем не устраивает скорость hx711 в 80 изм./с?
            0
            Хотелось быстрее.
              0
              Хотелось быстрее.

              Зачем? Вам точности измерения времени горения заряда в 1000/80 = 12.5мс недостаточно? Слишком большая погрешность?
              Или небольшая выборка данных для идентификации параметров двигателя?
                0
                Запиши на звуковую карту 24 бит 192 кГц
                  0
                  Это очень плохое предложение, т.к. звуковая карта не записывает постоянную составляющую сигнала.
                    0
                    Это зависит от модели, у некоторых вход микрофона прямо на АЦП идёт без разделительного конденсатора. (можно в принципе закоротить его, если есть)
                      0
                      Гораздо проще взять за пару сотен рублей специализированный АЦП, чем ковыряться в дорогой звуковой карте.
                        0
                        Ни капли не проще.

                        Что бы использовать звуковуху, нужно просто спаять шнур. Стоимость карты не имеет значения, она уже есть в любом компе. Копаться в ней не нужно, штатными средствами делаем запись звука в файл, потом анализируем его.

                        Что бы использовать АЦП, нужно спаять нечто, что можно будет подключить к компу. Вообще, это что-то по сути напоминающее простую звуковую плату.

                        То есть, вы предлагаете спаять свою звуковую плату и написать к ней драйвер, вместо того, что бы использовать уже имеющуюся с уже готовыми штатными драйверами.

                        Хотя, если вы имеете ввиду не микросхему ЦАП, а готовое устройство — то это, конечно, будет проще.
                          0
                          Хотя, если вы имеете ввиду не микросхему ЦАП, а готовое устройство — то это, конечно, будет проще.

                          Описанная в статье и показанная на фотографии собранная плата с HX711 стоит 200 рублей (от 50 на Алике). К ней только и остается что подпаять провода от датчика и подключить к любой ардуине.
                      0
                      Можно постоянку взять с редкими отсчетами и добавить сигнал со звуковухи. Все это совместить аналитически. Получится и постоянка, и точность, и скорость.
                      0
                      Вот кстати да, мы, например, вибродатчики подключаем к Line In. А здесь можете схему примерную указать?
                      0
                      Кстати… мне кажется, это хорошая идея использовать звуковую карту.
                      Единственный момент — она убирает постоянку, как уже написали, а она нужна.
                      Предлагаю такое решение. Берем источник опорного напряжения. А звуковуху подключаем через ключ попеременно либо к истонику, либо к датчику. Тогда на входе звуковухи получиться прямоугольный сигнал, амплитуда которого равна разнице между напряжением датчика и опорным напряжением.
                      Ключ, естественно, полупроводниковый.
                        0
                        Можно и так. Единственное что, сигнал с датчика должен подключаться к дифференциальному входу. Если у звуковой карточки нет такого, то можно использовать разницу левого и правого каналов, но тогда точность немного уменьшится.
                0
                Я правильно понимаю, что сопло делали не из трубы, а из прутка и потом стыковали с корпусом? Каким было соединение? Резьба? Сопло дает прирост тяги 30%, а как эта величина сопоставима с весом сопла при данных размерах двигателя?
                  0
                  Насчет соединения сопла с корпусом двигателя будет в следующей серии.
                  +8

                  Посмотрел ваше первое видео. Без обид. Вы — не умеете работать руками. В слесарке ваши познания просто заставляют плакать. У вас 20 минут выпуска посвящены тому, как с трубы снять ржавчину! Корщёткой! Нет корщётки — стальной щёткой. А потом — в преобразователь ржавчины. Который суть есть ортофосфорная кислота. У вас же уксус, лимона, соль… Вы хотя бы с этими азами разберитесь. Достаточно просто лимонки, если прокипятить. Или просто уксуса. Без соли. Соль не работает как ингибитор. Она вообще не работает против ржавчины. Изнутри снимать ржавчину — вообще тупая затея. Вы хоть в курсе что произойдёт с трубой когда в ней сгорит хотя бы ОДИН двигатель из сорбита? Всё ваше преобразование пойдёт лесом. Хотите многоразовую трубу — используйте кислотостойкую нержавейку. В идеале термостойкую, но такую в широкой продаже вам не найти. Тягу надо измерить? Стенд запиливаете? Масса подвижных частей вашего стенда будет на себе рассеивать процентов 20 тяги малых двигателей.
                  И ещё. Прежде чем варить на камеру — КУПИ ТОНКИЕ ЭЛЕКТРОДЫ И ЗАЧИСТИ МЕТАЛ! Потом потренируйся делать ровные швы, а уж потом — вари. Ибо сваренный тобою стенд — это образец того, как варить не надо. Естественно что он у тебя кривой. У тебя после сварки каждого узла — никакого контроля. У тебя швы утягивают метал, а он в свою очередь — искривляется. Такую тонкую трубу — в твоём случае варить надо точками. Или вообще крепить на болты.
                  Тебе тягу измерить во времени надо или разово? Оставь только линейные направляющие. Собери из станочного профиля (да даже из простого алюминиевого) обычный прямоугольный каркас. Закрепи направляющие в каркасе (по средине) и сделай ложемент для движка./ракеты МЕЕЖДУ линейными (у тебя цилиндрическими) направляющими. Так, чтобы движок де факто "висел" между направляющими. Ибо когда он выше направляющих тяга измеряется с ошибкой. Впереди поставь тензодатчик. И сможешь смотреть весь график горения топлива. Но знаешь что сделай первее всего? Прокачай навыки слесарной обработки.
                  Касаемо самого видео — смотреть как люди катаются с телегой по строительным магазинам — неуважение к зрителю. Это трата времени. Каждый прекрасно понимает что вы не с потолка материалы берёте. Да на это всем собственно говоря всё-равно. Главное как вы — укращаете ракетный двигатель. Поэтому стенд, электроника, испытания и расчёты — это главное. Потом уже звпилите второй канал на котором будет доооолгое повествование на тему "вот мы покупаем сталь, а теперь мы её пилим"… Копоче — успехов и развития вам. Будут вопросы — пишите.

                    0
                    Предлагаю рассмотреть бессопловые двигатели, автор по ссылке пишет об их сопоставимой эффективности
                    serge77-rocketry.net/nozzleless0/nozzleless0.htm

                    Металлические двигатели имеют больший УИ, но при равном весе дают тот же или только немного больший суммарный импульс за счёт тяжёлого корпуса, т.е. выигрыша нет или он совсем небольшой.
                      –1

                      Российский SpaceX — начало? :)

                        0
                        Хочу так же напомнить о технике безопасности. Металлический корпус двигателя при разрушении дает большие, тяжелые осколки, которые летят далеко и обладают большой пробивной силой.
                        Поэтому я бы рекомендовал использовать пластиковый корпус (он заодно и легче будет), а испытания проводить, поместив двигатель в защитное укрытие.
                        Не повторяйте ошибку Лин индастриз, из за халатности которых пострадал непричастный человек (как раз из за улетевшего вдаль металлического осколка)!
                          0
                          Пластиковый корпус, скорее всего, не выдержит сочетания температуры и давления. В прошлой серии мы провели испытания горения шашки (без сопла, с открытым срезом) в полипропиленовой толстостенной водопроводной трубе. За те несколько секунд горения труба превратилась в пластилин.
                          Также у нас используется схема канала Moon burner, что делает невозможным использование топлива в качестве термозащиты, так как со стороны канала оно прогорит быстрее, чем с противоположной, и после прогорания будет греться уже сам корпус.
                            0
                            Уже два года занимаюсь темой. Армированные водопроводные трубы отлично держат температуру (с теплоизоляций на основе бумаги и силикатного клея) и давление. Не заоблочное, но прекрасно. Ну а пряморукие (не я) моделисты и вовсе из бумаги делают движки и ничего не взырвается.
                          0
                          А от горячих химически активных эрозионных газов высокого давления металлической трубе разве не поплохеет тоже? Защита нужна, имхо.

                          Ну и пункт про укрытие, ВНУТРИ которого испытывается двигатель, становится обязательным.
                            0
                            Не буду спойлерить, на тему защиты внутренней поверхности трубы будет в следующем выпуске, мы об этом уже подумали.

                            Пункт про укрытие настолько сам собой разумеющийся, что просто очевиден. Возможно, он будет вывернут наизнанку, то есть, испытания будут проводиться в месте, где нет и не может появиться людей, а мы будем находиться в укрытии. Пока с местом еще не определились.
                            +2
                            Пункт про укрытие настолько сам собой разумеющийся, что просто очевиден.


                            то есть, испытания будут проводиться в месте, где нет и не может появиться людей, а мы будем находиться в укрытии.


                            Полагаться на отсутствие людей можно только на соответствующих полигонах. Ну или в степи, окружив место испытаний кольцом наблюдательных пунктов и колючей проволокой (те по сути, построив полигон).
                            А в подмосковье люди есть везде, и могут неожиданно вылезти где угодно, и откуда угодно. Особенно, когда увидят, что на поле что то происходит.

                            Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                            Самое читаемое