Roket dari Amperka, bagian 1: Teori mesin roket. Bahan bakar permen

pengantar

Halo! Kami adalah tim saluran YouTube Amperka, di studio dan kami melihat video tentang proyek dan potongan-potongan besi. Namun, pada titik tertentu semuanya berubah.







Di bawah potongan - sejarah pembangunan roket kami.



Saat itu musim semi 2020 dan karantina isolasi diri tidak menyayangkan siapa pun. Termasuk kita, dikucilkan dari studio, agar tidak terpapar bahaya infeksi basil luar negeri. Itu selama periode ini bahwa ide-ide lama mulai aktif di kepala saya untuk melakukan apa yang saya inginkan untuk waktu yang lama, tetapi yang diletakkan di pembakar belakang "ketika saatnya akan tiba." Akhirnya, that_the_the_time telah datang, dan dari kotak itu juga ide membangun roket Anda diekstraksi, juga didorong oleh keberhasilan komisioning baru-baru ini dari "trampolin" dari SpaceX.



Karena tidak mungkin membuat proyek serius dalam sekali jalan, kami akan membaginya untuk kenyamanan menjadi bagian-bagian komponennya (daftar akan diperbarui saat kami bekerja):

1. Bagian 1. Teori mesin roket. Bahan bakar permen
2. Bagian 2: Rumah motor, perhitungan nozzle
3. Bagian 3: Pembubutan, finishing dudukan, elektronik

Kami juga meminta Anda untuk mempertimbangkan bahwa artikel, seperti seri, dirilis tidak sesuai dengan tahapan yang telah selesai, tetapi menurut waktu, yaitu, apa yang telah kami lakukan dalam seminggu, kami menulis / tampilkan.



Ilmu roket, secara umum, adalah ilmu yang kompleks, kompleks dan beragam. Kami tidak memiliki pengalaman yang relevan, kami tidak lulus dari institusi dalam arah ini, tetapi kami memiliki tangan, kepala, keinginan - dan ini sudah banyak, jadi, seperti yang Yuri Alekseevich katakan, mari kita pergi.

Teori TTRD

Apa itu jet propulsion (bagi mereka yang, tiba-tiba, tidak tahu) kita tidak akan banyak bicara: singkatnya, ini adalah gerakan karena membuang massa ke arah yang berlawanan dari arah gerakan. Kami tidak akan membicarakan segala macam desain mesin yang eksotis seperti nuklir, ion, dan lainnya seperti itu - yang satu tidak dirancang untuk bekerja di atmosfer, yang lain terlalu rumit dan tidak dapat direproduksi dalam kondisi amatir, dll., Jadi kami akan fokus pada desain yang sederhana namun terjangkau , yang, jika diinginkan, dapat diulang hampir di rumah, yaitu bahan kimia. Dalam mesin seperti itu, aliran jet diperoleh karena reaksi kimia bahan bakar dan oksidator (dalam beberapa kasus, oksigen atmosfer dapat memainkan peran oksidan).



Jadi, mesin kimia (CRD), sesuai dengan keadaan agregat bahan bakar, diklasifikasikan menjadi bahan cair (LRE) dan bahan bakar padat (TTRD), jadi kami akan memilih dari mereka. LPRE sangat nyaman, karena memungkinkan Anda untuk mengontrol dorong, namun, mereka membutuhkan penggunaan sistem nozel yang rumit di ruang bakar dan tidak ada sistem pasokan bahan bakar yang tidak terlalu rumit dalam desainnya. Merancang mesin roket cair saja, bahkan yang paling primitif, akan memakan waktu berbulan-bulan, dan karena itu, ini bukan pilihan kami. Alternatif dapat berupa mesin turbojet karena kesederhanaan desainnya dan kebutuhan bahan bakar yang jauh lebih rendah. Ya, kami tidak akan dapat mengidam ketagihan secara akurat. Lebih tepatnya, kita tidak akan bisa dosis sama sekali. Namun, ada beberapa aspek yang bisa kita mainkan, dan ini akan dibahas lebih lanjut.

Bahan bakar campuran

Yang paling pertama, dan, karenanya, bahan bakar primitif untuk roket adalah bubuk mesiu: pertama berasap, dan kemudian tanpa asap. Orang Cina, setelah membuat campuran yang mudah terbakar ini, dengan cepat menyadari bahwa itu tidak hanya menghasilkan ledakan dan banyak cahaya, tetapi juga mendorong proyektil, yang secara bertahap membakar di dalamnya. Tentu saja, ada sedikit rasa dari itu, hanya cocok untuk kembang api, dan dorongan spesifik meninggalkan banyak yang diinginkan. Evolusi bubuk tanpa asap telah menjadi formulasi berbasis nitroselulosa homogen (satu komponen). Mereka cukup bersahaja dalam penyimpanan dan operasi, dan juga cukup ramah lingkungan, tetapi mereka masih memiliki kelemahan yang sama dalam bentuk impuls spesifik yang lemah.



Komposisi campuran bahan bakar dan oksidator menunjukkan hasil yang jauh lebih baik. Paling sering, zat pengoksidasi yang dibuat dari perklorat dengan bahan bakar yang terbuat dari bubuk logam dan polimer atau "bahan bakar karamel" yang dikenal luas di kalangan pemodel amatir, di mana nitrat (sendawa) dan karbohidrat kompleks (gula, sorbitol) digunakan sebagai bahan bakar, digunakan sebagai pasangan semacam itu. ... Justru dua opsi terakhir (perklorat dan karamel) bahan bakar yang kami pilih sebagai subjek uji untuk roket kami.

Perhitungan mesin

Karakteristik paling penting dari bahan bakar padat adalah laju pembakarannya, seringkali nilai ini konstan untuk komposisi bahan bakar tertentu. Pembakaran menyebar ke permukaan. Jika kita hanya membakar ujung tongkat bahan bakar silinder, maka kita mendapatkan pembakaran ujung ke ujung, yang akan memberikan pembakaran seragam jangka panjang, namun, itu tidak akan bekerja untuk mendapatkan dorongan yang cukup untuk mengangkat roket ke udara. Untuk meningkatkan efisiensi, perlu membuat saluran dalam bahan bakar yang akan digunakan untuk pembakaran, sehingga menambah luasnya. Juga harus diingat bahwa ketika saluran terbakar, profil saluran akan berubah, oleh karena itu, area yang efektif akan berubah. Anda dapat, tentu saja, bereksperimen dengan profil yang berbeda untuk waktu yang lama, namun, semua ini telah dilakukan sebelum kami dan dikemas dalam toolkit perangkat lunak yang praktis .







Anda dapat memasukkan semua parameter yang diperlukan ke dalam program dan mendapatkan grafik dorong yang akan dikembangkan roket. Di kolom konfigurasi Butir, di bawah tanda tanya, ada manual deskriptif tentang berbagai profil saluran.















Secara empiris, menggunakan berbagai konfigurasi saluran, kami menemukan parameter optimal untuk roket kami. Untuk mendapatkan indikator yang sama, Anda harus memasukkan nilai berikut:







Kami memilih bentuk saluran Pembakar Bulan. Smart Meteor, dengan mempertimbangkan data yang dimasukkan, membuat grafik berikut untuk kami:







Dari diagram ini, kami memahami bahwa mesin akan mendapatkan tendangan yang baik dari awal dan akan mengembangkan traksi yang sangat baik sepanjang seluruh waktu operasi. Menurut perhitungan program, nilai daya dorong puncak hampir 312 N pada tekanan puncak 24,5 bar. Nilai rata-rata ditemukan sekitar 265 N dan 19,5 bar, masing-masing.



Keuntungan lain yang tak terbantahkan dari program ini adalah kemampuan untuk secara langsung mengekspor nilai yang dihitung ke dalam program lain yang tidak kurang bermanfaat bagi kita - OpenRocket , yang dengannya kita akan menghitung stabilitas roket, ekor, penyeimbang, dan indikator penting lainnya, tetapi ini akan berada di seri berikutnya.



Namun, seorang ilmuwan roket pemula tidak hidup hanya dengan bahan bakar. Nosel sama pentingnya. Menurut prinsip ini, taxiway dibagi menjadi nozzle dan nozzleless. Yang terakhir, secara teknis, memiliki nozzle subsonik, yang pada dasarnya hanya lubang atau kerucut di bagian bawah mesin. Disebut subsonik karena gas yang mengalir melaluinya tidak dapat mencapai, dan lebih dari itu, melebihi kecepatan suara, tidak peduli berapa banyak tekanan dalam ruang bakar meningkat, hidrodinamika memberitahu kita tentang hal ini. Dan fisika, seperti yang Anda tahu, tidak dapat diinjak-injak. Namun demikian, karena kesederhanaannya, nozel seperti itu digunakan pada roket amatir kecil, serta dalam kembang api. Tapi kami membuat roket, yang berarti nozel subsonik bukan jalan kami.



Solusi alternatif adalah nosel supersonik atau, karena juga disebut dengan nama penemu, nosel Laval. Dalam versi yang disederhanakan, ini diwakili oleh dua kerucut terpotong, dikonjugasikan oleh ujung yang sempit. Antarmuka disebut titik kritis.







Prinsip operasinya menyerupai prinsip di mana lemari es bekerja: gas yang melewati “leher sempit” dan masuk ke volume besar didinginkan dengan tajam, karena volumenya berkurang, yang menyebabkan peningkatan laju aliran keluarnya. Akibatnya, karena perbedaan dalam diameter outlet, kita dapatkan di outlet jet gas bergerak pada kecepatan supersonik. Dengan demikian, menggunakan nozzle Laval, kami secara signifikan meningkatkan efisiensi roket.



Omong-omong, Meteor membuat perhitungan, dengan asumsi bahwa nosel supersonik dipasang pada mesin, perhitungan dan pembuatannya juga akan dibiarkan untuk rilis berikutnya.

Jadi, kita punya karakteristik, parameter dan dimensi mesin, kita bisa mulai memasak bahan bakar.

Membuat tongkat bahan bakar

Bahan bakar pertama kita adalah karamel, kita akan memasak dari sorbitol dan kalium nitrat. Sorbitol tersedia di atas meja dan digunakan sebagai pemanis. Kalium nitrat dapat ditemukan di departemen berkebun, tetapi di sana agak kotor, jadi kami membeli h / chda di Ruskhim .



Cara paling sederhana adalah menggiling komponen menjadi serbuk dan campuran halus, tetapi kemudian bahan bakar tetap mengalir bebas dan tidak akan mempertahankan bentuknya. Memutuskan untuk menggabungkan komponen bersama. Beberapa amatir yang tak kenal takut melakukannya dalam wajan, di atas api terbuka, bahkan di atas api, tetapi jari dan mata kita sayang kepada kita. Kita harus membuat pemanas dengan pengontrol suhu dan penangas pasir, yang kita perlukan:

• kompor listrik termurah dari Leroy
• relay solid-state
• Modul termokopel tipe-K
• Arduino
• potensiometer
• tampilan
• mangkuk penguapan
• memanggang hidangan dari FixPrice
• garam pasir

Kami membuang regulator aslinya dari kompor dan menempatkan relay solid-state dalam potongan, yang akan kami kontrol melalui Arduino, yang kami hubungkan layar dan potensiometer untuk melihat suhu saat ini dan dapat menyesuaikannya. Buat lubang di loyang dan masukkan termokopel. Isi bentuk sekitar setengah dengan pasirgaram (tidak ada pasir di tangan, tetapi ada toko kelontong di dekatnya, ini tidak akan mempengaruhi kualitas). Ini diperlukan untuk menciptakan lingkungan dengan inersia termal yang tinggi. Omong-omong, lebih baik untuk mengambil garam "ekstra", karena garam yang lebih besar mulai membelah dan menembak ke arah yang berbeda ketika dipanaskan, membuat Stalingrad. Di tengah bak garam, tempatkan mangkuk penguapan, pertama-tama letakkan probe termokopel di bawahnya. Kami akan mengontrol proses melalui pengontrol relai pertama untuk Arduino. Kami memeriksa perbedaan suhu antara pembacaan termokopel dan suhu mangkuk dengan pirometer, melakukan penyesuaian yang sesuai.







Meteor dengan hati-hati menghitung massa bahan bakar, yang 838g, mari kita ambil dengan margin, itu akan tetap berguna. Diputuskan untuk membuat biaya bahan bakar dari beberapa bagian untuk kemudahan pembuatan. Kemudian Anda bisa merekatkannya bersama-sama dan memasukkannya ke dalam rumah engine.



Jangan lupa tentang tindakan pencegahan keselamatan : tidak boleh ada sumber api terbuka, benda panas atau apa pun di dekat bahan bakar yang dapat menyebabkan kebakaran.



Kami mengambil 65% kalium nitrat dan 35% sorbitol, dengan hati-hati tuangkan ke dalam mangkuk dan tambahkan sedikit air. Ini akan menenangkan saraf dan menghilangkan kebutuhan untuk menggiling komponen menjadi debu, karena mereka akan larut dan bercampur dengan baik dalam air. Kami menaruhnya di atas api, mengatur suhu dan menunggu, terus diaduk. Secara bertahap, bubur yang dihasilkan akan meleleh dan menjadi seperti oatmeal. Kita perlu menunggu sampai semua air berlebih menguap (ini bisa dipahami dengan pelepasan gelembung mendidih yang berhenti).











Selanjutnya, kita harus bertindak tegas: kita akan menekan bahan bakar ke dalam pipa PVC pasokan air yang sudah disiapkan sebelumnya, dipasang di sebuah dudukan dengan pengikat internal untuk poros bundar.



















Setelah melepaskan gandar, kami hanya akan memiliki saluran sekering di sepanjang panjang checker. Lebih mudah untuk menekan dengan tempat bor, yang ini sangat baik ditemukan di studio. Penting untuk menekan bahan bakar sedemikian rupa sehingga tidak ada gelembung dan rongga di dalam pemeriksa, jika tidak ini nantinya akan mempengaruhi pembakaran.



Kami menyingkirkan pipa dengan bahan bakar dan membiarkannya menjadi dingin. Kemudian dapat digergaji dan pemeriksa dapat diambil. Kami membuat beberapa potong, kami akan membakar salah satunya untuk tujuan percobaan.







Dalam angsuran berikutnya, kita akan berurusan dengan housing motor, nozzle dan bangku tes.

Sementara itu, kami sedang mempersiapkannya, saya sarankan membaca buku berikut tentang merancang rudal. Sebagian besar informasi diperoleh darinya.



Seluruh seri secara keseluruhan: