Amperka的火箭,第1部分:火箭发动机理论。糖果燃料

介绍



你好!我们是录音室中Amperka YouTube频道的团队,我们观看了有关项目和铁片的视频。但是,在某些时候,一切都改变了。







根据削减-我们的火箭建造的历史。



到了2020年春季,自我隔离检疫措施没有幸免。包括我们在内,都已被录音室逐出办公室,以免受到海外芽孢杆菌感染的威胁。正是在这段时间里,旧的想法开始在我脑海中激起,去做我很久以来想要的事情,但是这些想法在“时机成熟时”被搁置起来。终于,时间到了,从那个盒子里提取出了建造自己的火箭的想法,这也受到了SpaceX最近成功调试“蹦床”的启发。



由于不可能一次完成这么一个严肃的项目,因此为了方便起见,我们将其分为几个组成部分(列表将在工作时进行更新):



  1. 第1部分。火箭发动机理论。糖果燃料
  2. 第2部分:电机外壳,喷嘴计算
  3. 第3部分:车削,机架精加工,电子




我们还请您考虑的是,文章和系列不是按照完成的阶段发布的,而是根据时间发布的,也就是说,我们一周内所做的就是编写/显示的内容。



总体而言,火箭科学是一门复杂,复杂和多方面的科学。我们没有相关的经验,我们没有朝着这个方向从机构毕业,但是我们有双手,有头脑,有欲望-而且已经很多了,因此,正如Yuri Alekseevich曾经说过的,让我们走吧。



TTRD理论



什么是射流推进(对于那些突然之间不知道的人),我们将不多说:简而言之,这是由于质量沿与运动方向相反的方向抛弃而产生的运动。我们不会谈论各种奇特的引擎设计,例如核,离子和其他类似引擎的引擎-一种引擎并非旨在在大气中工作,另一种引擎过于复杂且在业余环境下无法再现等,因此我们将着重于简单的设计,但简单的外行就可以使用,如果需要,几乎可以在家中重复,即化学反应。在这种发动机中,由于燃料和氧化剂之间的化学反应而获得了喷射流(在某些情况下,大气中的氧气可以起氧化剂的作用)。



因此,根据燃料的总状态,化学发动机(CRD)分为液体(LPRE)和固体燃料(TTRD),因此我们从中进行选择。LPRE非常方便,因为它们可以让您控制推力,但是它们需要在燃烧室中使用复杂的喷嘴系统,并且在设计中同样需要复杂的燃料供应系统。仅设计液体火箭发动机,即使是最原始的,也将花费我们几个月的时间,因此,这不是我们的选择。由于其设计简单且燃料需求显着降低,因此可以选择涡轮喷气发动机。是的,我们将无法准确地渴望剂量。更确切地说,我们将完全无法使用它。但是,我们可以在某些方面发挥作用,这将作进一步讨论。



混合燃料



最早的,也是相应的原始火箭燃料是火药:首先是黑烟,然后是无烟。中国人想出了这种可燃混合物,很快就意识到它不仅可以发出爆炸声和大量的光,而且可以推动弹丸,使其在里面逐渐燃烧。当然,几乎没有意义,它仅适用于烟火,而特定的脉冲则有很多不足之处。无烟粉末的演变已成为均一的(单组分)硝化纤维基配方。它们在存储和操作中没有伪装,并且在环境方面也相当友好,但是它们仍然具有相同的缺点,即弱的特定脉冲形式。



燃料和氧化剂的混合成分显示出更好的结果。在这样的一对中,最常见的是由高氯酸盐与金属和聚合物粉末制成的燃料或“焦糖燃料”的氧化剂,这在业余建模者圈子中广为人知,其中硝酸盐(盐)和复合碳水化合物(糖,山梨糖醇)用作氧化剂。 ... 正是这正是我们选择作为火箭测试对象的最后两种燃料(高氯酸盐和焦糖)。



引擎计算



固体燃料的最重要特征是其燃烧速率;对于某些燃料成分,该值通常是一个常数。燃烧扩散到整个表面。如果我们简单地在圆柱状燃料棒的末端放火,那么我们将得到端到端燃烧,这将提供长期的均匀燃烧,但是,它无法获得足够的推力来将火箭升空。为了提高效率,必须在燃料中形成燃烧将通过其传播的通道,从而增加其面积。还应记住,随着通道的烧尽,通道轮廓将发生变化,因此有效面积将发生变化。当然,您可以长时间使用不同的配置文件进行试验,但是,所有这些操作已经摆在我们面前,并且打包在一个方便的软件工具包中。







您可以将所有必要的参数输入程序,并获取火箭将要发展的推力图。在“谷物配置”列中的问号下,有关于各种通道配置文件的描述性手册。















根据经验,使用各种通道配置,我们找到了火箭的最佳参数。为了获得相同的指示器,您需要输入以下值:







我们选择了通道Moon燃烧器的形状。考虑到输入的数据,Smart Meteor为我们构建了下图:







从该图可以看出,发动机从一开始就将获得良好的行驶动力,并在整个运行时间内都具有良好的牵引力。根据程序的计算,在24.5 bar的峰值压力下,峰值推力值接近312N。平均值分别约为265 N和19.5 bar。



该程序的另一个无可争议的优势是能够将计算值直接导出到另一个对我们同样有用的程序-OpenRocket的能力,我们将使用它来计算火箭,尾翼,平衡和其他重要指标的稳定性,但这将在下一个系列中进行。



但是,火箭新手科学家并非仅靠燃料生活。喷嘴同样重要。根据这个原理,滑行道分为喷嘴式和无喷嘴式。从技术上讲,后者具有亚音速喷嘴,该喷嘴基本上只是发动机底部的孔或圆锥。之所以称其为亚音速,是因为无论燃烧室内的压力增加多少,流经它的气体都无法达到甚至超过声速,因此流体动力学告诉我们。如您所知,物理学不能被践踏。然而,由于其简单性,这种喷嘴被用于小型业余火箭以及烟花中。但是我们正在制造火箭,这意味着亚音速喷嘴不是我们的方法。



一种替代解决方案是超音速喷嘴,或者也叫发明人的名字,Laval喷嘴。在简化版本中,它由两个截锥形组成,两个截锥形由窄端共轭。该接口称为关键点。







其工作原理类似于冰箱的工作原理:穿过“窄颈”并进入大容积的气体被急剧冷却,由于其容积减小,这导致其流出速率增加。结果,由于出口直径的不同,我们在出口处获得了以超音速运动的气体射流。因此,使用拉瓦尔喷嘴,我们可以大大提高火箭的效率。



顺便说一句,Meteor进行了计算,假设引擎上安装了超音速喷嘴,其计算和制造也将留待下次发布。

因此,我们有了发动机的特性,参数和尺寸,就可以开始烹饪燃料。



制作油条



我们的第一种燃料将是焦糖,我们将使用山梨糖醇和硝酸钾烹饪。山梨糖醇可从柜台购买,并用作甜味剂。硝酸钾可以在园艺部门找到,但是那里很脏,所以我们在Ruskhim买了h / chda



最简单的方法是将组件研磨成细粉并混合,但是燃料保持自由流动并且不会保持其形状。决定将组件融合在一起。一些无所畏惧的业余爱好者在平底锅上,在明火上,甚至在火上都这样做,但是我们的手指和眼睛对我们很珍贵。我们必须制造一个温度可控的加热器和一个沙浴,我们需要:





我们从炉子里扔掉了它的本机调节器,并在切槽中放了一个固态继电器,我们将通过Arduino控制该固态继电器,并连接一个显示器和一个电位计,以便查看当前温度并能够对其进行调节。在烤盘上打一个孔,然后插入热电偶。用沙子填充一半的形状盐(手边没有沙子,但是附近有杂货店,这不会影响质量)。这是创建具有高热惯性的环境所必需的。顺便说一句,最好服用“额外的”盐,因为较大的盐在加热时会开始分裂并朝不同的方向射击,从而成为斯大林格勒。在盐浴的中央,放置一个蒸发杯,首先将一个热电偶探针放在其底部下方。我们将通过Arduino的第一个继电器控制器来控制过程。我们用高温计检查热电偶读数和碗温度之间的温差,进行适当的调整。







流星仔细计算了838克的燃油质量,让我们稍加留意,它仍然会派上用场。为了便于制造,决定分几部分进行加料。然后,您可以将它们简单地粘合在一起,然后将它们插入发动机壳体中。



不要忘记安全预防措施:在明火附近,不要有任何火源,任何热源或任何可能引起火灾的燃料。



我们以重量计65%的硝酸钾和35%的山梨糖醇,小心地倒入碗中并加一点水。这将使神经平静,并消除了将成分研磨成粉尘的需要,因为它们已经溶解并在水中很好地混合了。我们将其放在火上,设定温度,然后等待,不断搅拌。逐渐地,所得的粥将融化并变得像燕麦粥。必须等到所有多余的水蒸发掉(这可以通过停止释放沸腾的气泡来理解)。











然后我们需要果断地采取行动:将燃料压入预先准备好的给水PVC管中,该PVC管固定在带有圆轴内部紧固件的支架中。



















拆下车轴后,我们将在检查器的整个长度上有一个保险丝通道。用钻夹压入很方便,这在工作室里很容易找到。重要的是,按一定的方式压入燃料,以使检查器内部没有气泡和空腔,否则以后会对燃烧产生不利影响。



我们将装有燃料的管道放在一旁,让它冷却下来。然后就可以将其切割并获得检查器。我们制作了几块,为了实验目的,我们将烧掉其中的一块。







在下一部分中,我们将介绍电动机外壳,喷嘴和测试台。

同时,我们正在准备中,我建议阅读以下有关设计导弹的从中收集了大多数信息。



整个系列作为一个整体:






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