Большая Карамельная Ракета
Всем привет!
Меня зовут Илья и у меня есть хобби - это любительское ракетостроение. Точнее даже, скажем так, карамельное ракетостроение. За то время, что я занимаюсь темой, я успел набить себе немало шишек, во многом действуя по наитию и ставя различные, часто неудачные, эксперименты. Возможно, кто-то скажет, что я криворук и это не моё, что нужно срочно учить матчасть, что всё придумано до меня. И, пожалуй я соглашусь. Но, на мой взгляд, в любительском ракетостроении, как хобби, важен сам процесс инженерных поисков. Решение возникающих проблем и, конечно, создание себе новых. Наверное было бы проще взять уже готовую модель, заправить её готовым двигателем и…Но если бы действительно этим путём пользовались все, то наверное не было бы и развития.
Ракетостроение, даже не ракетомоделизм из кружков (Model Rocketry или High Power Rocketry), пожалуй отличное хобби для технаря, и, конечно айтишника. Даже сам Джон Кармак (один из создателей Doom, кто не знает) в детстве занимался ракетостроением, что уже после id Software переросло в свою ракетную компанию Armadillo Aerospace.
И таких, как он и я, к счастью не единицы. Хотя и совсем немного по земному шару. Наверное это из-за трудоёмкости, спектра проблем из разных научных областей. У той же Амперки в серии «Ракета против Лёхи» по официальной версии всё закончилось как раз из-за отсутствия возможности столько вкладывать ресурсов. Потому что процесс создания любой ракеты - это череда неудач, начала сызнова и итеративное приближение к цели. И к новой. И к ещё одной.
Для меня увлечение ракетами началось с . Сама простота и дешевизна такой «ракетой техники» меня подкупила и я решил воспроизвести этот эксперимент. Собственно тогда родилась цель - сделать такую ракету, которая бы взлетела метров на 300-400, ну, до полкилометра, и спокойно бы вернулась обратно на парашюте. С полезной нагрузкой: скажем, с небольшим бортовым компьютером и камерой. Всё тогда казалось просто, если бы не нюансы, коих было… много…
Конструкция ракеты
Конструкции большинства ракет в основном схожи между собой. Они удовлетворяют в большинстве случаев, так скажем, идеальной "эмпирической ракете":
- длина ракеты полная: L= 15~25 D
- длина головного обтекателя: Ln = 2.5~3.5*D
- размах стабилизатора: S = 1~2*D
- общая площадь стабилизаторов: F= 0,7~0,8*A, где A=L*D - площадь продольного сечения корпуса,
- запас устойчивости: k = 1,5~3*D
В зависимости от поставленных целей и используемых компонентов параметры ракеты могут варьироваться, конечно же, но почти всегда укладываются в вышеобозначенные границы. В моём случае размер ракеты будет определяться исходя из размеров двигателя, парашюта и электроники. Чтобы уместить всё в корпусе ракеты я использую трубу диаметром в 50мм. Трубу можно сделать, в идеале, из стеклопластика, а можно взять ПП канализационную трубу - она сравнительно прочная и лёгкая. Головной обтекатель так же делается из этой же трубы - вырезается "корона" (длиной в 2-3 диаметра ракеты) и склеивается вместе, образуя параболическую форму. Хотя, конечно есть и другие варианты - выточить обтекатель из деревянной заготовки на токарном станке или распечатать его на 3D-принтере. Обтекатель должен быть максимально правильной формы, гладким - это необходимо для снижения аэродинамического сопротивления ракеты и снижения вредных срывных течений в носовой части ракеты.
Стабилизаторы стоит изготавливать из достаточно лёгкого, но прочного материала. Например пластика, фанеры или бальзы. Форма и размер стабилизаторов зависят от размеров ракеты, а если быть точным, то от расположения центра тяжести ракеты и центра давления.
Ракета никогда не летит прямо, а все время поворачивается от направления полета то в одну, то в другую сторону, т.е. рыскает. На ракету набегает встречный поток воздуха, направление которого строго противоположно направлению полета. Получается, что ракета все время поворачивается боком к набегающему потоку на некоторый угол. В аэродинамике такой угол называется углом атаки. Мы уже установили, что ракета, как любое твердое тело, поворачивается относительно ЦТ, но результирующая сила давления воздуха приложена совсем к другой точке, т.е. к ЦД. Если ракета имеет симметричную форму относительно оси, то ЦД потока воздуха расположен на оси ракеты. Если ЦД расположен ближе к хвосту ракеты, то давление воздуха стремится вернуть ракету навстречу набегающему потоку, т.е. на траекторию. Ракета будет устойчива. Тут вполне допустима аналогия с флюгером. Если ракету насадить на стержень, проходящий поперек оси ракеты через ЦТ и вынести её на улицу, где сильный ветер, то устойчивая ракета повернется навстречу ветру. Из этих же соображений делается простейшая проверка ракеты на устойчивость с помощью веревки: привязываем веревку к ракете в месте расположения центра тяжести и начинаем вращать ракету вокруг себя. Если ракета при вращении ориентируется строго по направлению движения, то она аэродинамически устойчива, если ракету крутит в разные стороны или она летит хвостом вперед, то ракета неустойчива.
Центр тяжести ракеты определяется простым методом "взвешивания". Положив ракету на руку, нужно найти точку, в которой достигается равновесие.
Центр давления рассчитывается используя метод определения центра давления по Борроумену. К слову сказать, есть и другой, хотя и куда менее точный способ определения центра давления - метод аэродинамической проекции. В любом случае, какой бы мы метод не использовали, чтобы ракета была устойчивой, расстояние между центром тяжести и центром давления должно составлять хотя бы 1,5 диаметра самой ракеты. Эта, так называемая "устойчивость в диаметрах" может быть и выше, хотя устойчивость больше 2-2,5 диаметров не рекомендуется, так как в этом случае стабилизаторы будут больше, а значит тяжелее. Кроме того, большая площадь стабилизаторов приведёт к тому, что ракета будет испытывать большие боковые нагрузки, что приведёт к тому, что она будет, как флюгер разворачиваться по ветру и лететь не вверх, а вбок; в худшем случае - флаттер приведёт к разрушению ракеты в полёте. Подробно об устойчивости можно почитать здесь.
Есть готовые программные решения для расчёта параметров ракеты. Я использую Rocki-design, но чаще, тем более в англоязычном мире используют OpenRocket. Подобрав нужный размер стабилизаторов, вырезаем их из заготовки и прикручиваем винтами к корпусу, используя металлические уголки. Крепление должно быть жёстким. Для лёгких ракет сгодится и просто приклеивание, но для тяжелой ракеты лучше перестраховаться.
Система спасения
Система спасения - одна из самых сложных в ракете. Она включает в себя парашют, крепление к корпусу, а так же механизм выброса парашюта. Она в обязательном порядке порядке должна быть проверена не один раз на земле. Я использую пиротехнический вариант выброса парашюта (мортирка), инициируемый бортовым компьютером. Хотя встречаются и другие решения - механические и пневматические, или вовсе инерционные. Пиротехническая система одна из самых популярных и простых, содержит минимум компонентов.
Сам парашют - это купол диаметром в 70 сантиметров, сшитый из прочной и лёгкой ткани (рип-стоп). Можно рассчитать точно необходимую площадь парашюта для плавного спуска в зависимости от массы ракеты. Хотя, из практики, парашют лучше делать меньше диаметром - это увеличит скорость падения ракеты, конечно, но ракету будет меньше сдувать ветром, и поэтому меньше шансов намотать километры от места запуска до места падения.
Не менее важно обеспечить крепление ракеты с корпусом. Обычно в корпус устанавливаются силовые болты, к которым привязывается силовой трос (фал), соединяющийся со стропами парашюта. Фал пропускается через пыж - лёгкий цилиндр, который впритирку устанавливается ко внутреннему диаметру ракеты - он необходим для выброса парашюта, работая как поршень, приводимый в движение газами из мортирки.
Головной обтекатель так же подвязывается к фалу.
В сборе внутренние компоненты ракеты ракеты занимают весь внутренний объем.
Двигатель
В отличие от ракетомоделизма, в любительском, "карамельном" ракетостроении используются собственно изготовленные двигатели. Ракетные двигатели - это долгий и обширный разговор, который можно растянуть на не одну статью. Если рассказывать очень кратко, то в любительском ракетостроение в большинстве случаев используются твердотопливные двигатели, которые по конструкции очень схожи с двигателями настоящих твердотопливных ракет. Отличие состоит в материалах из которых изготовлен двигатель и в используемом топливе. Чаще всего для изготовления двигателей используется бумага, пластик или композит (стеклоровинг). В моём случае - пластик (полипропиленовая армированная труба в 40мм внешним диаметром). В качестве топлива используется смесь из калиевой селитры и сахара\сорбита в пропорции 65\35. Собственно при плавлении такой смеси образуется сладкая масса (несъедобная!), похожая на карамель, откуда и происходит название "карамельное топливо".
C6H14O6 + 3.345 KNO3 -> 1.870 CO2 + 2.490 CO + 4.828 H2O + 2.145 H2 + 1.672 N2 + 1.644 K2CO3 + 0.057 KOH
Топливо запресовывается в так называемые "топливные шашки" - цилиндры с отверстием. Размер шашек подбирается таким образом, чтобы во время работы двигателя топливо успевало выгореть равномерно во всех направлениях (в направлении от внутреннего канала к краю). Оптимальной длиной шашки внешним диаметром D и внутренним диаметром d является длина L=1.67D. Шашки в обязательном запрессовываются\оборачиваются в так называемую "бронировку" - внешнюю негорючую оболочку шашки. Бронировка препятствует горению шашки по внешней поверхности, что недопустимо. Слишком большая площадь горения топлива может привести к разрушению двигателя.
Из шашек формируется сборка двигателя с единым топливным каналом. При этом шашки укладываются в теплоизоляционную (негорючую) трубку из тефлона\бумаги, пропитанной силикатным клеем. Теплоизоляция нужна для того, чтобы не допустить разрушения двигателя из-за температуры (фронта горения и горячих газов) при горении топлива.
Карамельное топливо горит сравнительно медленно, поэтому для создания тяги зажигание двигателя производится в дальней точке канала (противоположного от сопла). Немаловажными параметрами двигателя, кроме тяги, является критика сопла и рабочее давление. Чем больше давление в двигателе - тем больше тяга. Чем больше давление - тем выше скорость горения топлива. Настоящим вызовом в создании двигателя является задача создания такого решения, которое при минимальной массе корпуса будет держать максимальное давление и содержать наибольшее количество топлива.
Для расчёта двигателя используются расчёты на основе закона горения. Безусловно, есть готовые решения для расчёта параметров двигателя.
Кроме того, обязательно проводятся стендовые испытания движков. Это позволяет отработать надёжность двигателя на земле, а так же снять реальные показания тяги двигателя (которые могут отличаться от расчётных).
Электроника
В качестве бортового компьютера я использую собственную схему, в основе которой находится Arduino Nano.
Компоненты:
- Барометр BMP180
- Гироскоп-акселерометр MPU6050
- Пищалка (piezo buzzer)
- microSD модуль
- Реле\MOSFET для активации запала мортирки
- 2 шт. 18650 аккумуляторов
- LM7805 для понижения напряжения для контроллера
- Мини-тумблер для включения компьютера
- Разъем JST-2P для соединения с запалом мортирки
При запуске компьютера инициализируются все датчики и модули, записывается текущая высота, подаётся звуковой сигнал перехода в режим ожидания старта. Моментом старта считается случай изменения высоты на пороговое значение (например 5 метров).
В момент старта фиксируется (записывается время), далее на карту начинают записываться данные с датчиков. В процессе полёта отслеживается апогей - записывается текущая высота, если она меньше предыдущей. Если текущая высота падает на пороговое значение, активируем вышибной заряд. Момент приземления не вычисляется, просто считаем, что через две минуты ракета должна сесть на землю. Через две минуты останавливается запись на карту и начинается подача звуковых сигналов для облегчения поиска ракеты.Полный скетч можно найти тут.
Полёт и результаты
Характеристики собранной ракеты:
- Длина: 1300 миллиметров
- Диаметр: 50 миллиметров
- Масса корпуса (со всеми компонентами): 1000 грамм
- Масса электроники: 180 грамм
- Масса двигателя: 440 грамм
- Масса полная: 1620 грамм
- Двигатель: ДКР-30-9-280-ПЭ(С)
- Класс: H115, максимальная тяга - 180 Н*с
- Расчётный (максимальный) апогей: 530 метров
- Время до апогея: 11,5 секунд
На фото - взлёт ракеты.
Полёт в целом получился успешным, ракета достигла апогея в 400 метров.
Ракета села с парашютом в 200 метрах от места старта.
Любопытно, что на данных с акселерометра видны всплески, соответствующие работе системы спасения (мортирки).
В итоге...
проект у меня занял целый год в неспешном режиме. Это отличное хобби, которое позволяет столкнуться с огромным разнообразным спектром задач из разных областей. Это и физика, химия, электроника, программирование, инженерия и технология изготовления, включая токарные работы. И, конечно, позволяющее получить незабываемые эмоции от рёва гула у взлетающей ракеты, до трепета и переживаний во время поиска ракеты и снятия показаний с логгера.
