Как в домашних условиях сделать ракетный двигатель: Реактивный двигатель своими руками: мастер-класс

Как спроектировать, построить и испытать малые жидкостные ракетные двигатели. Часть 1 / Хабр

Перевод разделен на две части.

• Теория

• Практика

Введение

В жидкостном ракетном двигателе используется жидкое топливо, которое под давлением подается из резервуаров в камеру сгорания. Смесь обычно состоит из жидкого окислителя и жидкого горючего. В камере сгорания топливо вступает в химическую реакцию (сгорает), образуя горячие газы, которые затем ускоряются и выбрасываются с большой скоростью через сопло, придавая тем самым двигателю импульс. Момент — это произведение массы и скорости. Сила тяги ракетного двигателя — это реакция, которую испытывает конструкция двигателя в результате выброса высокоскоростного вещества (газов).

Рисунок 1 Типичный ракетный двигатель

Типичный ракетный двигатель состоит из камеры сгорания, сопла и инжектора, как показано на рисунке 1. Камера сгорания — это место, где происходит сжигание топлива под высоким давлением. Камера должна быть достаточно прочной, чтобы выдержать высокое давление, возникающее в процессе сгорания и высокую температуру. Из-за высокой температуры и теплопередачи камера и сопло обычно охлаждаются. Камера также должна быть достаточной длины, чтобы обеспечить полное сгорание до того, как газы попадут в сопло.

Рисунок 2 Форсунка ДеЛаваль

Функция сопла заключается в преобразовании химико-тепловой энергии, образующейся в камере сгорания, в кинетическую энергию. Сопло преобразует медленно движущийся газ высокого давления и температуры в камере сгорания в высокоскоростной газ более низкого давления и температуры. Поскольку тяга является произведением массы (количества газа, проходящего через сопло) и скорости, желательна очень высокая скорость газа. В ракетных соплах можно получить скорость газа от 1,5 до 3,7 километра в секунду. Сопла, в которых достигается этот удивительный результат, называются соплами ДеЛаваль (по имени их изобретателя) и состоят из сходящегося и расходящегося участков, как показано на рис. 2. Минимальная площадь потока между сходящимся и расходящимся участком называется поперечным сечением сопла. Область потока в конце расходящегося участка называется областью выхода сопла. Сопло обычно делается достаточно длинным (или площадь выхода достаточно велика), чтобы давление в камере сгорания на выходе из сопла уменьшилось до давления, существующего вне сопла. Если ракетный двигатель запускается на уровне моря, это давление составляет около 101,3 килопаскаля (кПа). Если двигатель предназначен для работы на большой высоте, то давление на выходе из сопла меньше 101,3 кПа. Падение температуры газов сгорания, проходящих через форсунку, велико и может достигать 1100-1600 °C. Поскольку газы в камере сгорания могут иметь температуру 2700-3200 °C, температура газа на выходе из сопла все равно составляет около 1600 °C.

Выбор топлива и его свойства

Выбор топлива

Жидкостные ракетные двигатели могут сжигать различные комбинации окислителей и топлива, некоторые из которых приведены в таблице I. Большинство из перечисленных комбинаций топлива опасны, токсичны и дороги. С другой стороны, любителю, создающему ракетные двигатели, требуется легкодоступное, достаточно безопасное, простое в обращении и недорогое топливо. Основываясь на опыте, ROCKETLAB рекомендует использовать газообразный кислород в качестве окислителя и углеводородную жидкость в качестве топлива. Они дают хорошие характеристики, пламя сгорания хорошо видно, а их высокая температура сгорания представляет собой адекватную конструкторскую задачу для строителя-любителя. Эти топлива используются в ракете Atlas и космическом ускорителе Saturn. Однако в этих системах в качестве окислителя используется жидкий, а не газообразный кислород.

ТАБЛИЦА I

Газообразный кислород можно легко и недорого получить в баллонах под давлением практически в любом населенном пункте, поскольку он используется для кислородно-ацетиленовой сварки. При соблюдении разумных мер предосторожности, которые будут подробно описаны ниже, газ (и баллон) безопасен в обращении для использования на ракетном стенде.

Углеводородные виды топлива, такие как бензин и спирт, легко доступны в любом населенном пункте. Меры предосторожности уже известны большинству ответственных лиц в связи с широким использованием этих видов топлива в двигателях внутреннего сгорания автомобилей.

Во всех последующих разделах данной публикации будет упоминаться и предполагаться, что топливо, которое будет использоваться в любительских жидкотопливных ракетных двигателях — это газообразный кислород и углеводородное топливо.

Температура пламени углеводородного топлива, сжигаемого в газообразном кислороде при различных давлениях в камере сгорания, изображено на рисунке 3 для стехиометрического соотношения смеси. Соотношение смеси определяется как весовой расход окислителя, деленный на весовой расход топлива, или

(1)

Рис. 4 Зависимость температуры пламени от соотношения смесей при постоянном давлении в камере.

Когда достигается стехиометрическое соотношение, кислорода достаточно для химической реакции со всем топливом; в таких условиях достигается самая высокая температура пламени. Если требуется более низкая температура пламени, то обычно лучше, чтобы топлива было больше, чем окислителя; это известно как сжигание «вне соотношения» или «с большим количеством топлива». Это условие является менее тяжелым для ракетного двигателя, чем горение при стехиометрических или богатых кислородом условиях.

На рисунке 4 показано, как изменяется температура пламени, когда давление в камере сгорания поддерживается на постоянном значении, а соотношение смеси может изменяться.

Рисунок 3. Температура пламени в зависимости от давления в камере при стехиометрическом соотношении смеси.

Тяга, развиваемая на единицу веса (ньютон) всего топлива, сжигаемого в секунду, известна как удельный импульс и определяется как

(2)

На рисунке 5 показана максимальная производительность углеводородного топлива, сжигаемого с газообразным кислородом при различных давлениях в камере, при расширении газа до атмосферного давления. Этот график можно использовать для определения расхода топлива, необходимого для создания определенной тяги. Предположим, вы хотите спроектировать ракетный двигатель, использующий газообразное кислородно-бензиновое топливо, которое будет сжигаться при давлении в камере 1,4 МПа с тягой 445 Н. При таких условиях производительность топлива, согласно рисунку 5, составляет 244 Н тяги на килограмм топлива, сжигаемого в секунду. Поэтому

(3)

Рисунок 5 Производительность Isp углеводородных топлив с газообразным кислородом.

Поскольку максимальное отношение смеси Isp(r) для кислорода/бензина равно 2,5, мы имеем:

(4)

(5)

(6)

Свойства топлива

Химические и физические свойства газообразного кислорода, метилового спирта и бензина приведены в табл. II .

Таблица II

Примечание: Плотность газообразного кислорода при условиях, отличных от стандартных, можно определить поформуле ρ ₂ = ρ ₁ ( P ₂ / P ₁ )( T ₁ / T ₂ ), где P ₁ = 101,3 кПа, T ₁ = 20 °С, ρ ₁ = 1,330 кг/м ³ .

Расчетные уравнения

Рис. 6 Конфигурация двигателя

В следующем разделе будут подробно описаны упрощенные уравнения для проектирования небольших жидкотопливных ракетных двигателей. Номенклатура для проектирования двигателя показана на рисунке 6.

Сопло

Площадь критического сечения сопла может быть рассчитана, если известен общий расход топлива и выбраны топливо и условия эксплуатации. В предположении теории закона идеального газа:

(7)

R = газовая постоянная, определяемая R = R*/M.

R* — универсальная газовая постоянная, равная 8,31446 Дж/(моль — К),

M — молекулярный вес газа. Молекулярный вес горячих газообразных продуктов сгорания газообразного кислорода/углеводородного топлива составляет около 24, так что R составляет около 350 Дж/(кг — К).

Гамма, (𝛾), — это отношение удельных теплот газов и термодинамическая переменная, о которой читателю рекомендуется прочитать в другом месте. Гамма составляет около 1,2 для продуктов сгорания газообразного кислорода/углеводородного топлива.

Для дальнейших расчетов читатель может принять следующие константы в качестве постоянных при использовании газообразного кислорода/углеводородных топлив:

Tt — температура газов в поперечном сечении сопла. Температура газа в поперечном сечении сопла меньше, чем в камере сгорания, из-за потери тепловой энергии на разгон газа до локальной скорости звука (число Маха = 1) в поперечном сечении сопла. Поэтому

(8)

Для 𝛾 = 1,2

(9)

Tc — температура пламени в камере сгорания в градусах Цельсия (°C), задается следующим образом

(10)

Pt — давление газа в поперечном сечении сопла. Давление в поперечном сечении сопла меньше, чем в камере сгорания из-за ускорения газа до местной скорости звука (число Маха = 1) в поперечном сечении сопла. Поэтому

(11)

Для 𝛾 = 1.2

(12)

Теперь горячие газы должны быть расширены в расходящейся части сопла для получения максимальной тяги. Давление этих газов будет уменьшаться, так как энергия используется для ускорения газа, и теперь мы должны найти ту область сопла, где давление газа равно атмосферному давлению. Эта область и будет площадью выхода из сопла.

Число Маха — это отношение скорости газа к местной скорости звука. Число Маха на выходе из сопла задается выражением для расширения идеального газа

(13)

Pc — давление в камере сгорания, а Patm — атмосферное давление, или 101,3 кПа.

Площадь выхода из сопла, соответствующая числу Маха на выходе, полученному в результате выбора давления в камере, определяется следующим образом

(14)

Поскольку для газообразного кислорода/углеводородных топливных продуктов гамма фиксирована на уровне 1,2, мы можем рассчитать параметры для будущего использования при проектировании; результаты приведены в таблице III.

Таблица III

Параметры сопла для различных давлений в камере, 𝛾 = 1,2, Patm = 14,7 psi

(15)

Отношение температур газов в камере и на выходе из сопла определяется как

(16)

Диаметр поперечном сечении сопла определяется

(17)

а диаметр выходного отверстия определяется

(18)

Хорошее значение полуугла схождения сопел (бета) (см. рис. 6) составляет 60 градусов. Полуугол расхождения сопла (альфа) должен быть не более 15 градусов для предотвращения потерь внутреннего потока сопла.

Камера сгорания

Параметром, описывающим объем камеры, необходимый для полного сгорания, является характерная длина камеры, L*, которая задается следующим образом

(19)

где Vc — объем камеры (включая сходящуюся часть сопла), в кубических дюймах, а At — площадь поперечном сечении сопла (дюйм2). Для газообразного кислорода/углеводородного топлива подходит L* от 50 до 100 дюймов. L* действительно является заменой для определения времени пребывания в камере реагирующих топлив.

Для снижения потерь, связанных со скоростью потока газов внутри камеры, площадь поперечного сечения камеры сгорания должна быть как минимум в три раза больше площади поперечном сечении сопла форсунки. Это соотношение известно как «коэффициент сжатия».

Площадь поперечного сечения камеры сгорания определяется следующим образом

(20)

Объем камеры определяется

(21)

Для небольших камер сгорания сходящийся объем составляет примерно 1/10 объема цилиндрической части камеры, так что

(22)

Диаметр камеры для небольших камер сгорания (уровень тяги менее 75 фунтов «34 кг») должен быть в три-пять раз больше диаметра поперечного сечения сопла форсунки, чтобы инжектор имел полезную площадь поверхности.

Толщина стенки камеры

Камера сгорания должна выдерживать внутреннее давление горячих продуктов сгорания. Камера сгорания также должна быть физически прикреплена к охлаждающей рубашке, поэтому толщина стенок камеры должна быть достаточной для сварки или пайки. Поскольку камера будет представлять собой цилиндрическую оболочку, рабочее напряжение в стенке задается следующим образом

(23)

P — давление в камере сгорания (пренебрегая влиянием давления охлаждающей жидкости на внешнюю поверхность гильзы)

D — средний диаметр цилиндра

tw — толщина стенки цилиндра.

Типичным материалом для небольших камер сгорания с водяным охлаждением является медь, для которой допустимое рабочее напряжение составляет около 8000 фунтов (3628,7 кг) на кв. дюйм. Поэтому толщина стенки камеры сгорания определяется следующим образом

(24)

Это минимальная толщина; на самом деле толщина должна быть несколько больше, чтобы обеспечить возможность сварки, смятия и концентрации напряжений. Толщина стенок камеры и сопла обычно равны.

Уравнение  также можно использовать для расчета толщины стенок рубашки водяного охлаждения. И в этом случае значение tw будет минимальной толщиной, поскольку факторы сварки и конструктивные соображения (такие как уплотнительные кольца, канавки и т.д.) обычно требуют стенок толще, чем указано в уравнении напряжений. В уравнении необходимо использовать новое значение допустимого напряжения, зависящее от выбранного материала рубашки.

Охлаждение двигателя

Любителю не следует рассматривать возможность создания неохлаждаемых ракетных двигателей, поскольку они могут работать только в течение короткого времени, а их конструкция требует глубоких знаний в области тепло- и массообмена. В охлаждаемых ракетных двигателях предусмотрено охлаждение некоторых или всех металлических деталей, контактирующих с горячими продуктами сгорания. Инжектор обычно самоохлаждается поступающим потоком топлива. Камера сгорания и сопло определенно требуют охлаждения.

Охлаждающая рубашка обеспечивает циркуляцию охлаждающей жидкости, которая в случае летных двигателей обычно является одним из топливных материалов. Однако для статических испытаний и для любительской эксплуатации рекомендуется использовать только воду. Охлаждающая рубашка состоит из внутренней и внешней стенки. Внутреннюю стенку образует камера сгорания, а внешнюю — другой концентрический, но большего размера цилиндр. Пространство между стенками служит проходом для охлаждающей жидкости. Область поперечного сечения сопла обычно имеет самую высокую интенсивность теплопередачи и, следовательно, ее труднее всего охладить.

Выделение энергии на единицу объема камеры ракетного двигателя очень велико и может быть в 250 раз больше, чем у хорошего парового котла или в пять раз больше, чем у камеры сгорания газовой турбины. Скорость теплопередачи ракетного двигателя обычно в 20-200 раз выше, чем у хорошего котла. Поэтому очевидно, что охлаждение ракетного двигателя является сложной и ответственной задачей. Полная конструкция теплообмена ракетного двигателя чрезвычайно сложна и обычно находится за пределами возможностей большинства строителей-любителей. Однако некоторые важные эмпирические рекомендации по проектированию имеются, и они перечислены ниже:

1. Используйте воду в качестве охлаждающей жидкости.

2. Для стенок камеры сгорания и сопла используйте медь.

3. Скорость потока воды в рубашке охлаждения должна составлять 20-50 футов/сек.

4. Скорость потока воды должна быть достаточно высокой, чтобы не происходило кипения.

5. Удлините водяную рубашку охлаждения за пределы торца форсунки.

6. Необходимо обеспечить постоянный поток охлаждающей воды.

Теплопередача

Большая часть тепла, передаваемого от горячих газов камеры к стенкам камеры, происходит за счет конвекции. Количество тепла, передаваемого теплопроводностью, невелико, а количество тепла, передаваемого излучением, обычно составляет менее 25% от общего количества. Стенки камеры должны поддерживаться при такой температуре, чтобы прочность материала стенок была достаточной для предотвращения разрушения. Разрушение материала обычно вызывается либо повышением температуры стенки со стороны газа, чтобы ослабить, расплавить или повредить материал стенки, либо повышением температуры стенки со стороны жидкого теплоносителя, чтобы испарить жидкость рядом со стенкой. Последующее разрушение происходит из-за резкого повышения температуры стенки, вызванного чрезмерной теплопередачей к кипящему теплоносителю.

(25)

Q = общее количество переданного тепла, Btu/sec

q = средняя скорость теплопередачи камеры, Btu/in²-sec

A = площадь теплообмена, in²

w(w) = скорость потока теплоносителя, Ib/sec

cp = удельная теплота теплоносителя, Btu/lb°F

T = температура теплоносителя, выходящего из рубашки, °F

Ti = температура теплоносителя, поступающего в рубашку, °F

Использование этого уравнения будет проиллюстрировано в разделе Пример расчета конструкции.

Материалы

Стенки камеры сгорания и сопла должны выдерживать относительно высокую температуру, высокую скорость газа, химическую эрозию и высокие нагрузки. Материал стенок должен обеспечивать высокую скорость теплопередачи (что означает хорошую теплопроводность) и в то же время обладать достаточной прочностью, чтобы выдерживать давление камеры сгорания. Требования к материалу являются критическими только для тех деталей, которые непосредственно контактируют с топливными газами. Другие компоненты двигателя могут быть изготовлены из обычных материалов.

Как только материал стенок работающего ракетного двигателя начинает разрушаться, окончательное прогорание и разрушение двигателя происходит чрезвычайно быстро. Даже небольшое отверстие в стенке камеры почти сразу (в течение одной секунды) превратится в большое отверстие, поскольку горячие газы камеры (4000-6000 °F) окисляют или расплавляют прилегающий металл, который затем сдувается, подвергая новый металл воздействию горячих газов.

Экзотические металлы и сложные технологии изготовления используются в современных космических и ракетных ракетных двигателях, обеспечивая легкую конструкцию, абсолютно необходимую для эффективных стартовых и летательных аппаратов. Эти передовые металлы и технологии изготовления находятся далеко за пределами возможностей серьезного строителя-любителя. Однако использование более распространенных (и гораздо менее дорогих) металлов и технологий изготовления вполне возможно, вот только двигатель полетного веса не получится. Поскольку почти все любительские ракетные стрельбы должны проводиться на статическом испытательном стенде, это не является серьезным ограничением для строителя-любителя. Опыт работы с широким разнообразием конструкций ракетных двигателей позволяет сделать следующие рекомендации для любительских ракетных двигателей:

1. Камера сгорания и сопло должны быть выточены как единое целое из меди.

2. Те части инжектора, которые соприкасаются с горячими газами камеры, также должны быть изготовлены из меди.

3. Рубашка охлаждения и те части форсунки, которые не контактируют с горячими пороховыми газами, должны быть изготовлены из латуни или нержавеющей стали.

4. Квалифицированные станочные и сварочные работы необходимы для производства безопасного и пригодного для использования ракетного двигателя. Некачественное или небрежное выполнение работ или плохая сварка могут легко привести к отказу двигателя.

Форсунки

Функция инжектора — вводить топливо в камеру сгорания таким образом, чтобы происходило эффективное сгорание. Существует два типа инжекторов, которые конструктор-любитель может рассмотреть при проектировании небольшого двигателя. Один из них — инжектор с набегающим потоком, в котором окислитель и топливо впрыскиваются через несколько отдельных отверстий так, что получающиеся потоки пересекаются друг с другом. Поток топлива сталкивается с потоком окислителя, и оба потока распадаются на мелкие капли. Когда в качестве окислителя используется газообразный кислород, а в качестве топлива — жидкий углеводород, столкновение потока жидкости с высокоскоростным потоком газа приводит к диффузии и испарению, что вызывает хорошее смешивание и эффективное сгорание. Недостатком этого типа инжектора является то, что для малых расходов двигателя требуются очень маленькие отверстия, а гидравлические характеристики и уравнения, обычно используемые для прогнозирования параметров инжектора, не дают хороших результатов для маленьких отверстий. Маленькие отверстия также трудно просверлить, особенно в мягкой меди.

Однако, чтобы дать полное представление об уравнениях, используемых при проектировании ракетных двигателей, ниже мы приводим уравнение для потока жидкости через простое отверстие (например, круглое просверленное отверстие)

(26)

w = расход ракетного топлива, lb/sec

A = площадь отверстия,  ft²

ΔP = перепад давления через отверстие, фунт/кв. psi

ρ = плотность ракетного топлива, lb/ft³

g = гравитационная постоянная, 32,2 ft/sec²

C(d) = коэффициент разряжения отверстия

Коэффициент разгрузки для простого отверстия хорошей формы обычно имеет значение от 0,5 до 0,7.

Скорость впрыска, или скорость потока жидкости, выходящего из отверстия, определяется следующим образом

(27)

В небольших жидкотопливных ракетных двигателях обычно используются перепады давления впрыска от 70 до 150 фунтов (31,7 кг до 68 кг) на квадратный дюйм или скорости впрыска от 50 до 100 футов (22,6 кг до 45,3 кг) в секунду. Перепад давления впрыска должен быть достаточно высоким, чтобы устранить нестабильность горения в камере сгорания, но не должен быть настолько высоким, чтобы нанести ущерб баку и системе нагнетания, используемой для подачи топлива в двигатель.

Рисунок 7 Топливные форсунки для любительских ракетных двигателей

Второй тип форсунок — это распылительные форсунки, в которых может быть получен конический, сплошной конус, полый конус или другой тип распылительного листа. Когда жидкое углеводородное топливо продавливается через распылительную форсунку (подобную тем, которые используются в домашних масляных горелках), образующиеся капли топлива легко смешиваются с газообразным кислородом, и полученная смесь легко испаряется и сгорает. Распылительные форсунки особенно привлекательны для строителей-любителей, поскольку несколько компаний производят их серийно для нефтяных горелок и других применений. Любителю нужно только определить размер и характеристики распыления, необходимые для его конструкции двигателя, а затем можно недорого приобрести подходящую форсунку. На рисунке 7 показаны два типа форсунок.

Настоятельно рекомендуется использовать коммерческие распылительные форсунки для ракетных двигателей, построенных любителями.

Испания передает Украине ракетные комплексы Aspide. Что это за техника

Украина получит от Испании новый пакет военной помощи. В него входят батареи зенитно-ракетного комплекса Aspide, противотанковые ракетные комплексы, пушки со снарядами и системы ПВО Hawk. Про это рассказал министр иностранных дел Дмитрий Кулеба на брифинге в Киеве с испанским коллегой Хосе Мануэлем Альбаресом.

«Я очень рад, что новый пакет есть, он уже на пути в Украину, и в ближайшее время наше государство укрепит свою обороноспособность, получив батарею зенитно-ракетного комплекса Aspide и ракеты к ней», – рассказал министр.

Что за системы

Aspide – это класс управляемых ракет средней дальности для поражения воздушных целей, Они рассчитаны для защиты стратегических объектов, например, портов, промышленных предприятий и аэродромов. Их преимущество в том, что они могут обмениваться данными с ЗРК других типов.

Ракеты Aspide оснащены полуактивным радаром для самонаведения, а его инверсный искатель намного точнее и гораздо менее восприимчив к радиоэлектронному противодействию.

Комплексы изначально делались в Италии на базе американской RIM-7E Sea Sparrow. Но Aspide получил оригинальную электронику и боевую часть, а также новый мощный двигатель. Гидравлика с закрытым контуром позволила улучшить маневренность на низкой дистанции.

Курс

QA

Обучайся онлайн на тестировщика с нуля и начни зарабатывать от $600 на старте

РЕГИСТРИРУЙТЕСЬ!

Комплексы находятся на вооружении 19 стран, и Украина станет 20-й. В пакет помощи входят шесть батарей (18 пусковых установок).

Тактико-технические характеристики

• Дальность: 35 км
• Потолок: 8000 м
• Скорость полета: 1324 м/с
• Стартовый вес: 220 кг
• Масса боевой части: 30 кг
• Длина: 3,7 м
• Диаметр: 203 мм
• Размах крыла: 1 м

Что еще передадут Украине

Министр отметил, что Испания также передаст системы ПВО Hawk. Эти установки – предшественники системы противоракетной обороны Patriot американского производства.

«Это именно то, о чем мы просили Испанию. Это то, что поможет нам защитить нашу гражданскую инфраструктуру», – сказал Кулеба.

Напомним, ранее сообщалось, что система противовоздушной обороны IRIS-T, которую Украине предоставила Германия, показала 31 октября 100%-й результат, но подобных систем Украине для защиты своих земель нужно больше.

Российско-украинская война

По теме:

• «Выходной у нас с восьми вечера до восьми утра». Истории предпринимателей, которые открыли бизнес в войну и не жалеют об этом
• Ко Дню Защитника. 10 историй ІТ-специалистов и предпринимателей, которые сейчас защищают Украину

Проектирование, сборка и испытания жидкостных ракетных двигателей « Научные эксперименты :: WonderHowTo

• Автор Джастин Мейерс
• 8.12.10 15:04

Двигайтесь НАСА — SpaceX принимает управление.

Ну, не совсем так. Но сегодня частные финансируемые 9Космический корабль 0014 компании превзошел все ожидания, когда их капсула Dragon совершила мягкую посадку в Тихом океане, совершив несомненно успешный демонстрационный полет из почти двух полных полетов вокруг Земли. Это был первый в истории повторный вход коммерческого космического корабля, приблизивший коммерческий космический транспорт к реальности.

Космический корабль Dragon стартовал сегодня утром с мыса Канаверал с помощью ракеты Falcon 9 .

A Заявление SpaceX сказал:

SpaceX запустила свой космический корабль Dragon на низкую околоземную орбиту на ракете Falcon 9 в 10:43 по восточному стандартному времени со стартового комплекса 40 на базе ВВС на мысе Канаверал.

Космический корабль Dragon облетел Землю со скоростью более 17 000 миль в час, снова вошел в атмосферу Земли и приземлился в Тихом океане вскоре после 14:00 по восточному стандартному времени.

Это первый случай, когда коммерческая компания успешно подняла космический корабль, возвращающийся с низкой околоземной орбиты. Это подвиг, совершенный только шестью странами или правительственными учреждениями: Соединенными Штатами, Россией, Китаем, Японией, Индией и 9 европейскими странами. 0035 Космическое агентство.

Это также первый полет в рамках программы COTS НАСА по развитию коммерческих услуг по снабжению Международной космической станции. После того, как космический шаттл уйдет на пенсию, SpaceX выполнит не менее 12 миссий по доставке грузов на Международную космическую станцию ​​​​и обратно в рамках контракта на коммерческие услуги по пополнению запасов для НАСА. Ракета Falcon 9 и космический корабль Dragon были рассчитаны на то, чтобы однажды доставить астронавтов; как миссии COTS, так и CRS дадут ценный опыт полетов для достижения этой цели.

Участники включают в себя:

• Элон Маск, генеральный директор SpaceX и CTO (через спутник из Mission Control в Hawthorne, CA)
• Gwynne Shotwel Менеджер грузовой программы

Если хотите, загрузите PDF-файл официального пресс-кита от SpaceX .

Вот если бы Илон Маск (сооснователь PayPal ) можете это сделать, вы тоже можете. Но вы можете начать немного меньше, с базовой ракетной техники . Может быть, небольшой жидкостный ракетный двигатель…

РАЗРАБОТКА, СОЗДАНИЕ и ИСПЫТАНИЯ МАЛЫХ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Старенький, но полезный для всех, кто интересуется ракетной техникой и космическими полетами. Это обширное практическое руководство от Leroy J. Krzycki компании ROCKETLAB уже некоторое время не издается, и к нему можно получить доступ онлайн с нескольких веб-сайтов ( или по ссылкам ниже ):

• http://risacher.yi.org/
• http://gramlich.net/

ПРОЕКТИРОВАНИЕ, СОЗДАНИЕ и ИСПЫТАНИЯ МАЛЫХ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ «от 1967 года в виде файла PDF или tarball. Вот пара ссылок, где их можно получить:

• PDF
• TAR 1
• TAR 2
• ZIP
  

  5

ПРЕДИСЛОВИЕ:

Ракетный двигатель представляет собой относительно простое устройство, в котором топливо сжигается, а образующиеся под высоким давлением газы расширяются через сопло особой формы для создания тяги. Газовые топливные баки под давлением и простые регуляторы расхода топлива делают работу небольшого ракетного двигателя на жидком топливе примерно такой же простой, как работа автомобильного двигателя. Почему же тогда так много любительских ракетных двигателей выходят из строя или вызывают травмы? Причина, как правило, и проста, заключается в том, что любитель не привык к устройствам высокого давления, работающим вблизи предельных температур материала. Вместо этого его обычная повседневная жизнь заполнена устройствами и приспособлениями, работающими при низком давлении и низком уровне тепловой энергии. При правильном проектировании, тщательном изготовлении и хорошем испытательном оборудовании, эксплуатируемом безопасным образом, любитель может построить небольшие ракетные двигатели на жидком топливе, которые будут иметь часы безопасной эксплуатации.

Целью этой публикации является предоставление серьезным строителям-любителям информации о конструкции, процедурах изготовления, требованиях к испытательному оборудованию и процедурах безопасной эксплуатации малых жидкостных ракетных двигателей.

Содержание

1. ВВЕДЕНИЕ

2. Выбор и свойства и свойства против0154 3. Толщина стенки камеры
4. Охлаждение двигателя
5. Теплопередача
6. Материалы
7. Инжекторы

4. Пример расчет дизайна
1. Дизайн

5. Изготовление

5. Изготовление

5. Изготовление

5. 6. Испытательное оборудование
    1. Система подачи
    2. Компоненты системы подачи

7. Испытательный стенд

90 13

5

Safety

9. Engine Check-Out and Calibration

10. Ignition and Operation

11. The Law

12. Bibliography

13. Список поставщиков

14. Коэффициенты пересчета

• Дополнения и исправления 90 90 4 0 6 9 00005

Авторские права принадлежат Лерою Дж. Кржицки, 1967 г.
Напечатано в Соединенных Штатах Америки
Первое издание: март 1967 г.
Второе издание: март 1971 г.
Первое издание WWW: июнь 1996 г.

Хотите освоить Microsoft Excel и поднять перспективы работы на дому на новый уровень? Сделайте рывок в своей карьере с помощью нашего учебного комплекта Microsoft Excel Premium от А до Я в новом магазине Gadget Hacks Shop и получите пожизненный доступ к более чем 40 часам инструкций от базового до продвинутого уровня по функциям, формулам, инструментам и многому другому.

Купить сейчас (скидка 97 %) >

Другие выгодные предложения:

• Скидка 97 % Комплект сертификации Ultimate White Hat Hacker 2021
• Скидка 98 % Комплект 2021 Accounting Mastery Bootcamp 9 9000 906 99 Мега-пакет All-in-One Data Scientist 2021
• Скидка 59 % XSplit VCam: пожизненная подписка (Windows)
• Скидка 98 % Сертификационный комплект Premium Learn To Code 2021
• Скидка 62 % Программное обеспечение MindMaster Mind Mapping: бессрочная лицензия
• Скидка 41% на анализатор NetSpot Home Wi-Fi: бессрочные обновления

1 Комментарий

• Горячий
• Последние

• Сделать слайм без буры:
  5 простых рецептов липкой домашней слизи

• Как:
  Сделайте эту удивительную 9-слойную башню плотности из вещей, найденных на вашей кухне

• Как:
  Лучшие исследовательские проекты в науке: 16 забавных и простых идей для запуска вашего проекта

• Новости:
  Что будет, если смешать кока-колу и молоко

• Как:
  Разорвать пенни пополам

• Новости:
  Создайте свой собственный генератор колебательных волн

• Как:
  Постройте простой бумажный мост в качестве научного эксперимента

• Как:
  Сделайте мыло из экстракта листьев гуавы для исследовательского проекта

• Как:
  Сделать соляную кислоту из соли

• Классическая химия:
  Раскрашивайте бесцветные жидкости с помощью «черной» магии, также известной как реакция йодных часов.

  

• Как:
  Приготовление калийной селитры в домашних условиях

• Как:
  Сделайте свои собственные самодельные светящиеся палочки

• Как:
  Заставьте воду мгновенно превратиться в лед

• Как:
  Сделайте поддельную кровь из железа, хлорида и калия

• Как:
  Сделайте хлорат калия из обычного бытового отбеливателя и заменителя соли

• Как:
  Используйте мерную колбу в химической лаборатории

• Как:
  Сделайте светящиеся палочки с DEP, TCPO, ацетатом натрия и красителем.

  

• Как:
  Разожгите огонь 4 способами без спичек, используя химию

• Как:
  Измерьте объем воздушного шара

• Как:
  Сделайте динамик из бумажной тарелки, который действительно работает менее чем за 1 доллар

• Все функции

• Как:
  Сделайте эту удивительную 9-слойную башню плотности из вещей, найденных на вашей кухне

• Как:
  Лучшие исследовательские проекты в науке: 16 забавных и простых идей для запуска вашего проекта

• Новости:
  Что будет, если смешать кока-колу и молоко

• Как:
  Разорвать пенни пополам

• Новости:
  Создайте свой собственный генератор колебательных волн

• Как:
  Постройте простой бумажный мост в качестве научного эксперимента

• Как:
  Сделайте мыло из экстракта листьев гуавы для исследовательского проекта

• Как:
  Сделать соляную кислоту из соли

• Классическая химия:
  Раскрашивайте бесцветные жидкости с помощью «черной» магии, также известной как реакция йодных часов.

  

• Как:
  Приготовление калийной селитры в домашних условиях

• Сделать слайм без буры:
  5 простых рецептов липкой домашней слизи

• Как:
  Сделайте свои собственные самодельные светящиеся палочки

• Как:
  Заставьте воду мгновенно превратиться в лед

• Как:
  Сделайте поддельную кровь из железа, хлорида и калия

• Как:
  Сделайте хлорат калия из обычного бытового отбеливателя и заменителя соли

• Как:
  Используйте мерную колбу в химической лаборатории

• Как:
  Сделайте светящиеся палочки с DEP, TCPO, ацетатом натрия и красителем.

  

• Как:
  Разожгите огонь 4 способами без спичек, используя химию

• Как:
  Сделайте динамик из бумажной тарелки, который действительно работает менее чем за 1 доллар

• Как:
  Измерьте объем воздушного шара

• Все горячие сообщения

Как построить ракетный двигатель

Мартин Джуд

Цюрих, 06. 05.2021

Перевод: Патрик Стейнбрук

Они не являются частью НАСА или ЕКА, и тем не менее они собираются летать высоко на сверхзвуковых скоростях. За девять секунд ракета Swiss Academic Spaceflight Initiative поднимется на высоту 30 000 футов. Для этого ему нужен мощный двигатель.

Если вы хотите взлететь, вам нужны амбиции. К счастью, у Швейцарской академической космической инициативы (ARIS) их предостаточно. Ежегодно в ARIS более 150 студентов из ETH Zurich, HSLU, ZHAW, OST и Цюрихского университета исследуют, разрабатывают и создают космическое оборудование. Каждый год строится новая ракета, чтобы конкурировать с моделями из других колледжей и университетов по всему миру.

На прошлогоднем кубке Spaceport America Cup 2019, крупнейшем в мире инженерном соревновании по строительству ракет, швейцарская ракета HEIDI уже добилась огромного успеха: она заняла второе место в своей категории.

Путешествие ХАЙДИ на Кубке Америки по космодрому 2019 принесло ей второе место.

Мероприятие, к сожалению, было отменено в 2020 году из-за коронавируса, а в 2021 году будут представлены только виртуальные полеты. По крайней мере, в Португалии было новое соревнование, дебютировавшее в прошлом году, — European Rocketry Challenge.

Победа в конкурсах — цель АРИС, хотя и не первоочередная: к концу десятилетия ожидается вывод объекта на орбиту. Это может быть либо собственная ракета, либо спутник, запущенный более крупной космической компанией. Но соревнования важны, так как талантливые молодые строители не только показывают, на что способна их техника, но и набираются опыта. Это возможно только в ограниченной степени в Швейцарии.

Любой, кто хочет запустить ракету в этой стране, не может летать высоко из-за (обычно) сильно перегруженного воздушного пространства и текущей правовой ситуации. Поэтому полеты, совершенные в Швейцарии в прошлом, были лишь небольшими прыжками с последующей проверкой спасательной системы — парашюта.

Испытательный полет HEIDI 2019 года в кантоне Юра.

Еще один снимок прошлогодней ракеты EULER во время испытаний на падение в нашей прекрасной стране. К сожалению, запуск на осеннем португальском конкурсе 2020 года пришлось прервать из-за проблем с бортовым компьютером. Тем не менее, команда ARIS получила награду за техническое превосходство.

Испытание на падение ракеты EULER 2020 в кантоне Люцерн.

Команда ARIS знала о необходимости создания собственного двигателя после взрыва TELL в июне 2018 года. Этот двигатель проработал около полутора секунд.

Замедленное видео взрыва ракеты TELL 2018 года.

Не то чтобы самодельные двигатели были невосприимчивы к взрыву, но успех или неудача полностью зависели бы от вас самих.

Для полета HEIDI 2019 в пустыне Нью-Мексико, а также для EULER 2020 были закуплены двигатели, так как раньше их не было. Тем временем многое произошло; в 2019 году были разработаны, а затем испытаны в декабре 2019 года часть испытательной инфраструктуры и первый небольшой прототип двигателя RHEA. В 2020 году был разработан, построен и успешно испытан первый летный гибридный ракетный двигатель. В настоящее время разрабатывается вторая версия, которая осенью впервые примет участие в соревнованиях на ракете в Португалии.

Но как устроен ракетный двигатель?

Гибридный двигатель на основе сорбита, свечного воска и закиси азота

Чтобы построить свой собственный ракетный двигатель, вам сначала нужны правильные умы для его реализации.

Разработка первого летного ракетного двигателя ARIS с IRIDE в 2020 году.

За первую версию двигателя IRIDE отвечают восемь человек. В этом году он будет переработан шестью другими в рамках проекта DAEDALUS и впервые интегрирован в ракету.

Берут первую версию двигателя, улучшают его и интегрируют в ракету.

Здесь вы можете увидеть всю команду IRIDE.
Это команда ДЭДАЛ.

Однако шесть новых членов команды не совсем одиноки. Чтобы обеспечить идеальную передачу знаний о проектах предыдущего года во всех деталях, тренеры и выпускники АРИС всегда рядом. Один из них — Шейди Эльшатер. Его можно увидеть в верхнем левом углу первого изображения, и он уже работал над проектами RHEA и IRIDE в качестве руководителя проекта и системного инженера. Кроме того, он несет ответственность за объяснения, которые сейчас последуют. Похоже, ему подходит работа в прессе.

Помимо быстро соображающих нужны амбициозные цели:

• Разрабатывается гибридный ракетный двигатель , , который надежно функционирует и имеет модульную конструкцию.
• Утверждается, что тяга имеет пиковую мощность 5000 ньютонов и должна быть способна поднимать ракеты на высоту до 10 000 метров.
• Время записи должно составлять десять секунд. Предыдущая фаза зажигания в сумме составляет четыре секунды.
• Кроме того, необходимо использовать облегченную конструкцию и интегрированное регулирование тяги.

Пять килоньютонов тяги примерно эквивалентны силе веса в полтонны — именно столько тяги необходимо, чтобы удержать его в воздухе. Или разогнать ракету весом 81 кг до более чем 8,5 г. Он предназначен для доставки четырехкилограммовой полезной нагрузки со стандартным размером трех кубсатов на расстояние до 10 000 метров. Точнее, в этом году 6,34-метровая, 81-килограммовая ракета под названием PICCARD и диаметром 17,9 сантиметра должна достичь своей цели на высоте 30 000 футов или 9144 метра с максимальной скоростью 1,05 Маха за девять секунд.

PICCARD имеет размеры более шести метров и, как ожидается, будет летать со сверхзвуковой скоростью.
Изображение: ARIS

1 Мах соответствует простой локальной скорости звука. Это 343 метра в секунду или 1235 километров в час при температуре 20 градусов Цельсия, сухой влажности и атмосферном давлении 1 атм (физическая атмосфера на высоте 0 метров над уровнем моря). Заданная максимальная скорость 1,05 Маха соответствует 1296,54 км/ч. Однако полет быстрее звука возможен уже при меньшей скорости, так как скорость звука сравнительно сильно зависит от температуры. Например, если летающий объект должен преодолеть звуковой барьер на высоте 10 километров, он должен двигаться со скоростью всего 300 метров в секунду при преобладающей температуре окружающей среды -50 °С.

Гибридные ракетные двигатели используют твердое топливо в сочетании с жидким окислителем.
Изображение: ARIS

Все это будет оснащено гибридным ракетным двигателем, а это означает, что твердое топливо будет сочетаться с жидким окислителем. ARIS использует в качестве окислителя закись азота, более известную как веселящий газ. Он хранится в резервуаре под давлением, как показано на иллюстрации выше. Открытие пневматического клапана направляет газ в инжекторное сопло, которое помещает его в корпус двигателя в распыленной форме, похожей на насадку для душа. Внутри корпуса газ воспламеняется и образует огненный вихрь, который позволяет равномерно сгорать твердотопливной составляющей и вместе с ней обеспечивает необходимую тягу через сопло.

ARIS использует комбинацию свечного воска (керосина) и сорбита в качестве твердого топлива. Сорбитол используется пекарями для подслащивания или врачами в качестве слабительного при клизмах. Вещи, которые также можно купить или ввезти в Португалию или США.

Сопло ракеты с водяным охлаждением в грузовом контейнере

Переход от теории к практике требует хороших планов, основанных на существующих концепциях. Кроме того, необходимы спонсоры. Например, для изготовления отдельных деталей (по чертежам САПР) или для обеспечения безопасной испытательной площадки. Это означает, что строительство, которое происходит в ETH Zurich, должно осуществляться на мобильной платформе. Вот почему команда выбрала испытательный стенд в грузовом контейнере.

Этот снимок команды IRIDE в открытом контейнере вполне мог быть взят из научно-фантастического фильма.
Изображение: ARISКонтейнер, состоящий из трех частей, содержит испытательный стенд, газовые баллоны и электронику.
Изображение: ARIS

Грузовой контейнер имеет три отдельных помещения. В первом устанавливается испытательный стенд, на который устанавливается двигатель, чтобы сопло могло стрелять из контейнера.

В первой комнате находится испытательный стенд. Он же обеспечивает форсунку с водяным охлаждением и доступ к окислителю, бак которого расположен во втором помещении.
Изображение: ARIS

Когда двигатель в итоге будет установлен на ракету, он получит самодельное сопло из углеродного волокна с графитовой вставкой. Однако эта часть не будет использоваться для многократных полетов из-за чрезмерных температур. Для снижения износа сопла во время испытаний вместо него на испытательном стенде используется медное сопло с водяным охлаждением.

Подробно об испытательном стенде.
Изображение: ARISДвигатель в деталях.
Изображение: ARIS

Двигатель установлен на испытательном стенде слева, а окислитель подается справа. Когда главный клапан открывается, датчик контролирует массовый расход окислителя. Кроме того, установлена ​​система измерения тяги, обеспечивающая получение правильных данных после запуска двигателя. Только в этой первой комнате уже установлено более 15 датчиков, измеряющих каждый параметр двигателя и протекающего окислителя.

Во второй комнате есть место для газовых баллонов.
Изображение: ARIS

Во второй средней комнате есть место для бака с окислителем, который виден слева. Рядом с ним на внешней стене три баллона с азотом. Первый из них помогает системе наддува. Второй ведет к пневматической системе, отвечающей за открытие и закрытие клапанов. Третий баллон с азотом можно использовать для промывки двигателя.

Справа от трех азотных баков при эксплуатации устанавливается дополнительная защитная стенка, за которой находятся еще два бака с закисью азота. Они используются для заполнения бака окислителя, который напрямую соединен с двигателем.

В третьей контейнерной комнате находятся измерительные модули, реле безопасности, а также система электропитания, система камер наблюдения и множество кабелей — все электронное оборудование находится в этой области. Здесь контролируется вся установка. А также все тестовые данные собираются.

Изображение: ARIS

По всей конструкции проложено более двух километров кабеля.

Изображение: ARIS

И специальный гаджет, которым, к сожалению, может пользоваться только один человек за раз за пределами контейнера на безопасном расстоянии.

5 килоньютонов, обязательно: стартуй!

Кнопка запуска, показанная выше, была готова еще в конце лета 2020 года, когда после года планирования, изготовления и сборки все было наконец готово к первым испытаниям. Компоненты, которые не могла изготовить сама компания, были реализованы с помощью спонсоров.

Охлаждающая вода проходит через канавки этой специальной форсунки после ее установки на испытательном стенде.
Изображение: ARIS

Специальная металлическая насадка, прикрепленная к системе водяного охлаждения, была изготовлена ​​снаружи. Напротив, оригинальные угольные форсунки изготавливались вручную на месте.

Производство топлива такое же домашнее: керосин и сорбит, с небольшим количеством алюминиевой пудры для дополнительного эффекта, тщательно нагревают в нужных пропорциях и заливают в трубку из фенольной смолы. Раньше все вертелось, как барабан.

Двигатель впервые собран под ярким солнцем. Хорошее предзнаменование.
Изображение: ARIS Модульная конструкция имеет много преимуществ. Если что-то сломается, это можно заменить без осложнений.
Изображение: ARIS

Первая сборка двигателя состоялась солнечным июльским днем ​​в Цюрихе Хёнгерберг, что воодушевило команду IRIDE, а также спонсоров и преподавателей. Вроде все подходило. Все системы были готовы к воспламенению, что потребовало перемещения контейнера.

Где-то в глуши: будущая стартовая площадка.
Изображение: ARIS

На грузовике вся испытательная установка была перевезена на расстояние 60 километров. Все направляются в Оксенбоден, в кантоне Швиц. У Rheinmetall там есть испытательный центр. Зажигание любого ракетного двигателя возможно только в очень отдаленных местах.

Двигатель готов к испытаниям.
Изображение: ARIS

Подготовка обычно занимает около нескольких часов на одно зажигание. У всех есть фиксированная задача — как при реальном запуске. Благодаря более чем годовому сотрудничеству и знаниям в отношении каждой детали системы все прошло гладко.

Это просто работает.
Изображение: ARISКаждый член команды абсолютно сосредоточен.
Изображение: ARIS

Двигатель впервые заправлен твердым топливом, закреплен на испытательном стенде и соединен с баком. Впечатляющее водяное охлаждение действительно привлекает внимание.

Изображение: ARIS

После последней проверки бака вся команда исчезла в бункере. Во время розжига необходимо соблюдать безопасное расстояние от емкости. Бункер также содержит выключатель аварийной остановки и пять мониторов: на них отображаются данные датчиков, панель управления открытием и закрытием всех клапанов и видео с камер наблюдения.

Изображение: ARIS

Последний взгляд в окна бункера, и вот они: флаг запуска и красная светодиодная полоса в контейнере. Система была на вооружении.

Изображение: ARIS

Бабочки. Через мгновение зажжется мощная искра. С надеждой. От предвкушения захватывало дух, а напряжение в те несколько мгновений перед воспламенением было почти невыносимым. Через мгновение все, что копилось больше года, разом выйдет на свободу. Не только в двигателе, но и в каждом из восьми членов команды.

Будет ли IRIDE обеспечивать достаточную тягу? Сможет ли ракетный двигатель достичь желаемых 5 килоньютонов при времени горения 10 секунд?

Узнайте из этого напыщенного видео в формате 4K. Мурашки по коже, гарантировано:

Какая блестящая струя пламени. И какие эмоции.

Как показали оценки, собранные после 19 зажиганий с общим временем горения 89 секунд: цель была не просто достигнута, а значительно превышена. Всего было проведено двенадцать успешных тестов, самый продолжительный из которых длился 16 секунд. 5 килоньютонов, установленных во время обжига, развивают двигатель с пиковой силой до 79.94 ньютона. На 60% больше мощности, чем ожидалось.

Тем временем новый проект DAEDALUS также с большим успехом испытал усовершенствованный двигатель десятки раз. Это должно обеспечить PICCARD прочную позицию для октябрьского мероприятия в Португалии. Интересно, удастся ли ему преодолеть звуковой барьер.

Станет ли Швейцария независимой космической державой к концу десятилетия благодаря АРИС?

Оставайтесь с нами!

114 людям нравится эта статья

Мартин Джуд

Старший редактор

martin.