introduction
salut! Nous sommes l'équipe de la chaîne YouTube Amperka, en studio et nous avons vu des vidéos sur des projets et des morceaux de fer. Cependant, à un moment donné, tout a changé.
Sous la coupe - l'histoire de la construction de notre fusée.
C'était le printemps 2020 et la
Comme il ne sera pas possible de réaliser un projet aussi sérieux en une seule fois, nous le diviserons par commodité en ses composants (la liste sera mise à jour au fur et à mesure que nous travaillerons):
- Partie 1. La théorie des moteurs de fusée. Bonbon carburant
- Partie 2: Carter moteur, calcul des buses
- Partie 3: Tournage, finition du stand, électronique
Nous vous demandons également de prendre en compte que les articles, comme les séries, ne sont pas publiés selon les étapes terminées, mais selon le temps, c'est-à-dire ce que nous avons fait en une semaine, nous écrivons / montrons.
La science des fusées, en général, est une science complexe, complexe et multiforme. Nous n'avions aucune expérience pertinente, nous n'avons pas été diplômés d'institutions dans ce sens, mais nous avons des mains, une tête, un désir - et c'est déjà beaucoup, alors, comme le disait Yuri Alekseevich, allons-y.
Théorie TTRD
Qu'est-ce que la propulsion à réaction (pour ceux qui, du coup, ne le savent pas), nous ne dirons pas grand-chose: en un mot, il s'agit d'un mouvement dû au rejet de la masse dans le sens opposé au sens du mouvement. Nous ne parlerons pas de toutes sortes de conceptions exotiques de moteurs tels que nucléaires, ioniques et autres comme eux - l'un n'est pas conçu pour fonctionner dans l'atmosphère, d'autres sont trop complexes et non reproductibles dans des conditions amateurs, etc., nous allons donc nous concentrer sur des conceptions simples, mais accessibles à un simple profane. , qui, si vous le souhaitez, peut être répété presque à la maison, à savoir, chimique. Dans de tels moteurs, le jet stream est obtenu grâce à la réaction chimique du carburant et de l'oxydant (dans certains cas, l'oxygène atmosphérique peut jouer le rôle d'oxydant).
Ainsi, les moteurs chimiques (CRD), en fonction de l'état agrégé du carburant, sont classés en carburant liquide (LPRE) et en carburant solide (TTRD), nous allons donc choisir parmi eux. Les LPRE sont très pratiques, car ils vous permettent de contrôler la poussée, mais ils nécessitent l'utilisation de systèmes complexes de buses dans la chambre de combustion et pas de systèmes d'alimentation en carburant moins complexes dans leur conception. Concevoir seul un moteur de fusée liquide, même le plus primitif, nous prendra des mois et, par conséquent, ce n'est pas notre option. Une alternative peut être un turboréacteur en raison de la simplicité de sa conception et des besoins en carburant nettement inférieurs. Oui, nous ne pourrons pas doser avec précision les envies. Plus précisément, nous ne pourrons pas du tout le doser. Cependant, il y a certains aspects sur lesquels nous pouvons jouer, et cela sera discuté plus loin.
Combustibles mixtes
Le tout premier carburant, et donc primitif pour les roquettes, était la poudre à canon: d'abord fumée, puis sans fumée. Les Chinois, ayant mis au point ce mélange combustible, se sont vite rendu compte qu'il pouvait non seulement faire un bang et beaucoup de lumière, mais aussi pousser le projectile, brûlant progressivement à l'intérieur. Bien sûr, cela n'a guère de sens, il ne convient que pour les feux d'artifice, et l'impulsion spécifique laisse beaucoup à désirer. L'évolution de la poudre sans fumée est devenue des formulations homogènes (à un composant) à base de nitrocellulose. Ils sont assez sans prétention dans le stockage et le fonctionnement, et sont également très respectueux de l'environnement, mais ils présentent toujours le même inconvénient sous la forme d'une faible impulsion spécifique.
Des compositions mixtes de carburant et d'oxydant donnent de bien meilleurs résultats. Le plus souvent, en tant que tel couple, des oxydants à partir de perchlorates avec un carburant à base de poudre de métal et de polymère ou «carburant caramel», largement connu dans les cercles des modélisateurs amateurs, où les nitrates (salpêtre) et les glucides complexes (sucre, sorbitol) sont utilisés comme agent oxydant comme carburant ... Ce sont précisément les deux dernières options de carburant (perchlorate et caramel) que nous avons choisi comme sujets de test pour notre fusée.
Calcul du moteur
La caractéristique la plus importante du combustible solide est sa vitesse de combustion; souvent cette valeur est une constante pour une certaine composition de combustible. La combustion se propage sur la surface. Si nous mettons simplement le feu à l'extrémité du bâton de carburant cylindrique, nous obtenons une combustion de bout en bout, ce qui donnera un épuisement uniforme à long terme, mais cela ne fonctionnera pas pour obtenir une poussée suffisante pour soulever la fusée dans les airs. Pour augmenter l'efficacité, il est nécessaire de créer un canal dans le carburant à travers lequel la combustion se propagera, augmentant ainsi sa surface. Il convient également de garder à l'esprit que lorsque le canal est épuisé, le profil du canal changera, par conséquent, la zone effective changera. Vous pouvez bien sûr expérimenter différents profils pendant longtemps, cependant, tout cela a déjà été fait avant nous et est emballé dans une boîte à outils logicielle pratique .
Vous pouvez entrer tous les paramètres nécessaires dans le programme et obtenir les graphiques de poussée que la fusée développera. Dans la colonne de configuration du grain, sous le point d'interrogation, il y a un manuel descriptif sur divers profils de canaux.
Empiriquement, en utilisant diverses configurations de canaux, nous avons trouvé les paramètres optimaux pour notre fusée. Pour obtenir les mêmes indicateurs, vous devez saisir les valeurs suivantes:
Nous avons choisi la forme du canal Moon Burner. Smart Meteor, en tenant compte des données saisies, a construit pour nous le graphique suivant: A
partir de ce schéma, nous comprenons que le moteur aura un bon coup de pied dès le départ et développera une très bonne poussée tout au long du temps de fonctionnement. Selon les calculs du programme, la valeur de poussée maximale était de près de 312 N à une pression maximale de 24,5 bars. Les valeurs moyennes se sont avérées être d'environ 265 N et 19,5 bar, respectivement.
Un autre avantage indiscutable du programme est la possibilité d'exporter directement les valeurs calculées dans un autre programme qui ne nous est pas moins utile - OpenRocket , avec lequel nous calculerons la stabilité de la fusée, la queue, l'équilibrage et d'autres indicateurs importants, mais ce sera dans la prochaine série.
Cependant, un spécialiste des fusées novice ne vit pas uniquement avec du carburant. La buse est tout aussi importante. Selon ce principe, les voies de circulation sont divisées en buses et sans buses. Ces derniers, techniquement, ont une buse subsonique, qui est essentiellement juste un trou ou un cône dans le bas du moteur. Il est appelé subsonique parce que les gaz qui le traversent ne peuvent pas atteindre, et plus encore, dépasser la vitesse du son, peu importe combien la pression dans la chambre de combustion augmente, l'hydrodynamique nous en dit long. Et la physique, comme vous le savez, ne peut être piétinée. Néanmoins, en raison de leur simplicité, de telles buses sont utilisées dans les petites fusées amateurs, ainsi que dans les feux d'artifice. Mais nous fabriquons une fusée, ce qui signifie que les buses subsoniques ne sont pas notre chemin.
Une solution alternative est la buse supersonique ou, comme on l'appelle aussi par le nom de l'inventeur, la buse Laval. Dans une version simplifiée, il est représenté par deux cônes tronqués, conjugués par des extrémités étroites. L'interface est appelée le point critique.
Le principe de son fonctionnement ressemble au principe sur lequel fonctionne le réfrigérateur: les gaz passant par un "col étroit" et entrant dans un grand volume sont fortement refroidis, ce qui réduit leur volume, ce qui entraîne une augmentation du taux de leur écoulement. En conséquence, du fait de la différence de diamètre de la sortie, on obtient en sortie un jet de gaz se déplaçant à une vitesse supersonique. Ainsi, en utilisant la buse Laval, nous augmentons considérablement l'efficacité de la fusée.
À propos, Meteor effectue des calculs, en supposant qu'une buse supersonique est installée sur le moteur, dont le calcul et la fabrication seront également laissés pour la prochaine version.
Ainsi, nous avons les caractéristiques, les paramètres et les dimensions du moteur, nous pouvons commencer la cuisson du carburant.
Faire des bâtons de carburant
Notre premier combustible sera le caramel, nous cuisinerons à partir de sorbitol et de nitrate de potassium. Le sorbitol est disponible en vente libre et est utilisé comme édulcorant. Le nitrate de potassium se trouve dans le département de jardinage, mais il est plutôt sale là-bas, nous avons donc acheté un h / chda à Ruskhim .
Le moyen le plus simple est de broyer les composants en un état de poudre fine et de les mélanger, mais le carburant reste fluide et ne conservera pas sa forme. Décidé de fusionner les composants ensemble. Certains amateurs intrépides le font dans des casseroles, sur un feu ouvert, voire sur un feu, mais nos doigts et nos yeux nous sont chers. Nous devrons fabriquer un radiateur à température contrôlée et un bain de sable, pour lesquels nous avons besoin:
- le poêle électrique le moins cher de Leroy
- relais statiques
- Module thermocouple de type K
- arduino
- potentiomètre
- afficher
- bol d'évaporation
- plat de cuisson de FixPrice
sel desable
Nous jetons son propre régulateur du poêle et mettons un relais à semi-conducteurs dans la coupure, que nous contrôlerons via Arduino, auquel nous connectons un écran et un potentiomètre afin de voir la température actuelle et pouvoir l'ajuster. Faites un trou dans le plat de cuisson et insérez le thermocouple. Remplissez la forme à moitié
Meteor a soigneusement calculé la masse de carburant, qui était de 838g, prenons-le avec une marge, cela sera toujours utile. Il a été décidé de faire une charge de carburant à partir de plusieurs pièces pour faciliter la fabrication. Ensuite, vous pouvez simplement les coller ensemble et les insérer dans le carter du moteur.
N'oubliez pas les précautions de sécurité : il ne doit pas y avoir de sources de feu ouvert, d'objets chauds ou quoi que ce soit à proximité du combustible pouvant provoquer un incendie.
Nous prenons en poids 65% de nitrate de potassium et 35% de sorbitol, versons soigneusement dans un bol et ajoutons un peu d'eau. Cela calmera les nerfs et éliminera le besoin de broyer les composants en poussière, car ils se dissoudront déjà et se mélangeront bien dans l'eau. Nous le mettons sur le feu, réglons la température et attendons en remuant constamment. Peu à peu, la bouillie qui en résulte fondra et deviendra comme de la farine d'avoine. Il est nécessaire d'attendre que tout l'excès d'eau s'évapore (cela peut se comprendre par l'arrêt de la libération de bulles bouillantes).
Ensuite, nous devons agir de manière décisive: nous enfoncerons le carburant dans un tuyau en PVC d'alimentation en eau pré-préparé fixé dans un support avec une fixation interne pour un essieu rond.
Après avoir retiré l'essieu, nous aurons juste un canal de fusible sur toute la longueur du vérificateur. Il est pratique d'enfoncer avec un porte-foret, celui-ci a été très bien trouvé en studio. Il est important d'enfoncer le carburant de manière à ce qu'il n'y ait pas de bulles et de cavités à l'intérieur du vérificateur, sinon cela affectera plus tard la combustion.
Nous mettons de côté le tuyau avec du carburant et le laissons refroidir. Ensuite, il peut être scié et le vérificateur peut être retiré. Nous avons fabriqué plusieurs pièces, nous allons en brûler une à des fins d'expérimentation.
Dans la prochaine tranche, nous traiterons du carter du moteur, de la buse et du banc d'essai.
En attendant, nous le préparons, je vous recommande de lire le livre suivant sur la conception de missiles. La plupart des informations en ont été tirées.
L'ensemble de la série dans son ensemble: