XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Система воздушного старта ракеты
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Цель работы: Исследование существующих систем воздушного старта ракеты. Создание экспериментальной системы воздушного старта и ракеты с автоматическим запуском двигателя, эффективную с точки зрения экономии материалов и средств. В работе представлены конструктивные схемы экспериментальных моделей ракет с различными вариантами запуска двигателей в условиях «холодного» старта и различными устройствами пневматического запуска ракет, сравнение экспериментальных данных пусковых испытаний.
Ключевые слова: Холодный старт, пневматическая пушка, модель ракеты
Задачи:
1. Изучение устройства системы воздушного старта ракеты, особенностей её работы и эксплуатации.
2. Создание экспериментальной пневматической пушки для реализации «холодного» старта ракет.
3. Проектирование системы дистанционного запуска двигателя в ракете
4. Проведение экспериментальных пусков ракет на различных режимах пневматической пушки.
5. Анализ экспериментальных данных
Система холодного старта ракеты
«Холодный» старт ракеты - это способ запуска, при котором ракета выбрасывается из пусковой установки (транспортно-пускового контейнера) за счёт давления, создаваемого в замкнутом объёме каким-либо источником, расположенным вне ракеты. Таким источником может служить, например, пороховой аккумулятор давления, или паро-газогенератор. Двигатель ракеты при этом запускается уже после того, как ракета выйдет из пусковой установки. Холодный старт является эффективным решением, позволяюшим запускать ракеты с борта подводной лодки в подводном положении. В настоящее время эта схема широко применяется для боевых ракет различных классов
Преимущества пневматического старта перед обычным:
улучшаются энергетические показатели ракеты, так как экономится запас топлива на борту;
газовая струя ракетного двигателя меньше воздействует на пусковую установку и саму ракету;
упрощается конструкция и уменьшаются размеры пусковой установки, так как отпадает надобность в отводе газовой струи и защите от неё оборудования ПУ.
Рассмотрим некоторые газодинамические схемы старта ракеты
1. ШПУ с изолированным газоходом
1- Пусковой стакан
2- Бетонный ствол шахты
3- Газоотражатель
4- Газоповоротные решетки
5- Изолированные газоходы
6- Направляющие
2. Миномётный старт
2- Бетонный ствол шахты
6- Поддон
Достоинство: топливо используется рационально
3. Американская схема
2- Бетонный ствол шахты
3- Газоотражатель
Достоинство: Дешевле (т.к. нет пускового стакана)
Использование принципа «холодного» старта для ракет-носителей позволяет существенно изменить стартовые условия запуска. «Холодный» старт обеспечивает в момент запуска двигателя начальную скорость ракеты и начальную высоту стартовой позиции, отличную от нулевой. Уменьшение энергозатрат позволит сэкономить массу топлива, необходимую для доставки полезного груза на орбиту.
Реализацию предложенного решения мы будем проводить на модельных ракетах.
Для этого нами была предложена система пневматического пуска ракеты и дистанционного запуска двигателя. Система включает в себя пневматическую пушку и обеспечение дистанционного срабатывания запала.
Практическая часть работы
После проектирования системы воздушного запуска мы приступили к конструированию пневматической пушки. Компоновка пушки имеет модульный принцип, что позволяет разбирать и собирать пушку с целю безопасной транспортировки.
В первом варианте была разработана конструкция пушки из: пластиковой бутылки объемом 5 литров, нипеля вырезанного из камеры колеса и вклеенного в бутылку, сантехнический кран обеспечивающий выброс воздуха, и направляющей трубы диаметром 40мм и длиной 0,25 метра.
Испытания показали ряд недоработок конструкции, а именно:
1) конструкция не герметичная, и допускает утечку воздуха из системы;
2) у конструкции отсутствует жесткая опора вследствие высокой деформативности пластиковой бутылки;
3) 5 литровая бутылка выдерживает максимум 2 атмосферы.
4) невысокий стартовый удельный импульс
На основе полученных данных были внесены изменения в конструкцию пневматической пушки.
Во втором варианте разработанной нами пневматической пушки сжатый воздух закачивается в расширительный бак систем водоснабжения (высота-0,30м; ширина-0,45м), позволяющем выдержать давление до 6 атм. Использование бака обеспечивает герметичность конструкции и его устойчивость в стартовом положении. В бак встроен манометр, позволявший контролировать и фиксировать давление при старте ракеты. Герметичность системы обеспечивается специальным сертифицированным оборудованием (кран, клапан, переходник), рассчитанным на высокое давление (до 10 атм). Передача импульса от бака к стартовой трубе обеспечивается специальным переходником, с изоляцией всех стыковочных узлов конструкции.
Толкающим элементом, передающим стартовый импульс ракете от пневматической пушки, был выбран пыж (поршень) из пенокартона, соответствующий диаметру стартовой трубы. Для спроектированной нами пневматической пушки была проведена серия лабораторных испытаний для определения высоты выброса ракеты от давления в баке (см. видео).
Результаты натурных экспериментов представлены в таблице
|
Давление в баке, атм |
Высота полета от среза стартовой трубы, м |
Высота полета от опоры, м |
Время полета до верхней точки, сек |
|
2 |
0,5 |
1.5 |
2,5 |
|
3 |
1 |
2 |
3 |
|
4 |
2 |
3 |
3,5 |
|
5 |
3 |
4 |
4 |
|
6 |
3 |
4 |
4 |
Стартовый импульс пневматической пушки, передаваемый ракете представлен в таблице:
|
Давление в баке, атм |
Стартовый импульс P, кг*м/c |
|
2 |
0,06 |
|
3 |
0,066 |
|
4 |
0,0857 |
|
5 |
0,1 |
|
6 |
0,1 |
Где M = 100грамм (0,1 кг) (масса ракеты)
P = v= h/t(стартовый импульс пневматической пушки)
Стартовый импульс, передаваемый модельной ракете пневматической пушкой, обеспечивает ей начальную скорость и начальную высоту запуска. Следующим этапом старта ракеты является запуск модельного ракетного двигателя (МРД) в верхней точке траектории холодного пуска.
Нами было рассмотрено три варианта запуска МРД в воздухе:
1. Запуск при помощи свето-датчика
2. Запуск с помощью таймера
3. Запуск с проводами
В первом варианте была разработана схема(на слайде) свето-чувствительного реле, суть которой заключалась в дистанционном срабатывании запала за счет изменения попадающего света на чувствительный элемент который находится на боковой части фюзеляжа ракеты, при попадании света свето-транзистор меняет сопротивление и резистор пропускает ток в цепи после чего запускается двигатель ракеты.
Главный минус этого варианта в том, что для срабатывания запала двигателя нужно 12-вольтовая батарея, а присутствие аккумулятора в ракете сильно увеличивала ее массу а следовательно импульс пушки уменьшался, после проведенных испытаний мы решили отказаться от использования этого метода. Во втором варианте с таймером ситуация аналогичная, помимо погрешностей при установке задержки таймера, для питания двигателя так же нужен аккумулятор. После первичного тестирования нами был выбран третий вариант запуска ракеты в воздушном положении. Это запуск при помощи проводов, реализуемый двумя способами:
Первый: Провода прячутся под пыж и проходят через отверстие (в пыже) к ракете, при срабатывании пневматической пушки провода разматываются, параллельно с этим подается сигнал с пульта о запуске двигателя ракеты.
Второй: Ракета надевается на направляющую, закрепленную в стартовой трубе. К стабилизаторам ракеты прикрепляются стальные токопроводящие пластины и соединяются проводами с двигателем. Такая же пластина, обеспечивающая замыкание цепи, устанавливается по внутреннему диаметру стартовой трубы и обеспечивает срабатывание двух пластин при замыкании электрической цепи в фиксированной точке стартовой трубы.
Для обеспечения более высокой надежности срабатывания при запуске двигателя мы остановились на первом способе.
Результаты натурных испытаний подтвердили правильность принятого решения и показали высокую надежность выбранной схемы воздушного старта ракеты. Высота полета ракет с использованием системы воздушного старта на 30-40% выше, чем у аналогичных ракет, запускаемых со стационарного устройства. (см. видео нарезку)
Д ля увеличения энергетических характеристик спроектированной нами системы воздушного старта ракет мы решили увеличить ее стартовый импульс.
Для ракет того же класса этого можно добиться уменьшением диаметра стартовой трубы, что приведет к увеличению начальной скорости и высоты стартового «холодного» участка траектории при тех же параметрах внутреннего давления в устройстве.
При этом диаметр ракеты можно приравнять к диаметру стартовой трубы, а двигатель значительно сместить к головной части и обеспечить, тем самым, дополнительную высокую статическую устойчивость ракеты.
После проектирования схемы новой ракеты (см. рисунок) мы приступили к ее конструированию. Основными отличиями ракет новой конструктивно-силовой схемы являются;
смещение центра масс ракеты ближе к головной части и обеспечение, тем самым, более высокой её статической устойчивости;
возможность использования стабилизаторов любых геометрических размеров (без возможных ограничений за счет внутреннего диаметра стартового ствола).
Что бы избежать возможного выгорания корпуса из-за высокой температуры газовой струи двигателя, было принято решение изолировать внутреннюю часть фольгированным скотчем, ряд натурных экспериментов доказал ненадежность данной системы защиты, для решения данной проблемы был спроектирован новый силовой корпус ракеты, в котором вместо картона были использованы деревянные реечки так же изолированные фольгированным скотчем. После данной модернизации ракету стало легко оснащать двигателем и выводить провода, масса ракеты осталась прежней. Толкающим элементом был выбран пыж (поршень) из пенокартона, диаметром 50мм. Ряд экспериментов показал что «пневматический корпус» прогорал от работы двигателя и дестабилизировал траекторию полета ракеты.
Следующим этапом было принято сделать ракету из 2ух частей:
1- Силовой корпус
2- Отделяющийся пневматический поршень
Суть данной конструкции заключалась в том что «пневматический поршень» поглощая весь импульс от пневмо-пушки даёт первоначальную скорость «силовому корпусу» ракеты, у которой после набора максимальной высоты холодной траектории запускается свой двигатель.
Следующим шагом мы заменили сантехнический кран на электро-магнитный клапан, это устройство, предназначенное для регулирования потоков всех типов жидкостей и газов. Он состоит из корпуса, соленоида (электромагнита) с сердечником, на котором установлен диск или поршень, регулирующий поток. Принцип действия: На электромагнитную катушку клапана подаётся электрическое напряжение, после чего магнитный сердечник втягивается в соленоид, что приводит к открытию либо закрытию клапана. Сердечник помещён внутри закрытой трубки катушки соленоида — это необходимо для герметичности электромагнитного клапана. Благодаря этой конструкции из одного полного баллона, пушка может выпускать от 3-5 зарядов воздуха и теперь легче объединить работы пневмо-пушки и двигателя ракеты.
В следующем варианте планируем перейти к использованию баллона для пропана, который может выдерживать до 20 атмосфер и увеличить размеры ракеты.
Перспективы использования результатов исследований
Данные, полученные в ходе проводимых исследований, можно применять в ракетно-космической технике. Финальные версии системы воздушного старта можно использовать в спортивном и любительском ракетомоделизме. Дальнейшая перспектива использования системы холодного запуска для ракет-носителей позволит улучшить энергетические характеристики ракеты за счет экономии запаса топлива на борту, упростить конструкцию ракеты и уменьшить размеры пусковой установки, так как отпадает необходимость в отводе газовой струи и защите от неё стартового оборудования.