XX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Проектирование устройства передачи импульса в многоступенчатой модельной ракете
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Один из первых эскизов многоступенчатой ракеты был представлен в 1556 году в книге военного техника Конрада Хааса. В XVII веке рисунок с изображением ракет был опубликован в труде военного инженера и генерала от артиллерии Казимира Семеновича, «Artis Magnae Artilleriae pars prima» , напечатанном в 1650 году в Амстердаме, Нидерланды. На нём — трехступенчатая ракета, в которой третья ступень вложена во вторую, а обе они вместе — в первую ступень. В головной части помещался состав для фейерверка . Ракеты были начинены твёрдым топливом . Это изобретение интересно тем, что оно более трёхсот лет назад предвосхитило направление, по которому пошла современная ракетная техника.
Впервые идея использования многоступенчатых ракет была выдвинута американским инженером Робертом Годдаром в 1914 году, и был получен патент на изобретение. В 1929 г. К. Э. Циолковский выпустил в свет свою новую книгу под заглавием «космические ракетные поезда ». Этим термином К. Циолковский назвал составные ракеты или, вернее, агрегат ракет, делающих разбег по земле, потом в воздухе и, наконец, в космическом пространстве. Поезд, составленный, например, из 5 ракет, ведётся сначала первой — головной ракетой; по использовании её горючего, она отцепляется и сбрасывается на землю. Далее, таким же образом, начинает работать вторая, затем третья, четвёртая и, наконец, пятая, скорость которой будет к тому времени достаточно велика, чтобы унестись в межпланетное пространство. Последовательность работы с головной ракеты вызвана стремлением заставить материалы ракет работать не на сжатие, а на растяжение, что позволит облегчить конструкцию. По Циолковскому, длина каждой ракеты — 30 метров. Диаметры — 3 метра. Газы из сопел вырываются косвенно к оси ракет, чтобы не давить на следующие ракеты. Длина разбега по земле — несколько сот километров.
Несмотря на то, что в технических деталях ракетостроение пошло во многом по другому пути (современные ракеты, например, не «разбегаются» по земле, а взлетают вертикально, и порядок работы ступеней современной ракеты — обратный, по отношению к тому, о котором говорил Циолковский), сама идея многоступенчатой ракеты и сегодня остаётся актуальной.
В 1935 году Циолковский написал работу «Наибольшая скорость ракеты», в которой утверждал, что при уровне технологии того времени достичь первой космической скорости (на Земле) можно только с помощью многоступенчатой ракеты. Это утверждение сохраняет свою справедливость и сегодня: все современные носители космических аппаратов — многоступенчатые, т.к многоступенчатая ракета позволяет достичь большей скорости. Первым рукотворным объектом, пересекшим линию кармана и вышедшим в космос, была одноступенчатая немецкая ракета А4 «фау-2». Высота полётов достигала 188 км.
1.1 Теоретическая часть
Ракета является весьма «затратным» транспортным средством. Ракеты носители космических аппаратов «транспортируют», главным образом, топливо, необходимое для работы их двигателей, и собственную конструкцию, состоящую в основном из топливных контейнеров и двигательной установки. На долю полезной нагрузки приходится лишь малая часть (3-6%) стартовой массы ракеты.
Составная ракета позволяет более рационально использовать ресурсы за счёт того, что в полёте ступень, выработавшая своё топливо, отделяется, и остальное топливо ракеты не тратится на ускорение конструкции отработавшей ступени, ставшей ненужной для продолжения полёта.
Варианты компоновки ракет. Слева направо:
1. одноступенчатая ракета;
2. двухступенчатая ракета тандемной схемы
3. двухступенчатая ракета пакетной схемы.
4. Ракета с внешними топливными ёмкостями, отделяемыми после исчерпания топлива в них.
1.2 Тандемная схема
Трёхступенчатая ракета тандемной схемы сатурн-5
Конструктивно многоступенчатые ракеты выполняются в виде пакетной или тандемной схемы
При тандемной схеме ступени размещаются одна над другой и работают последовательно друг за другом, включаясь только после отделения предыдущей ступени. Такая схема даёт возможность создавать системы, в принципе, с любым количеством ступеней. Недостаток её заключается в том, что ресурсы последующих ступеней не могут быть использованы при работе предыдущей, являясь для неё пассивным грузом.
1.2 Пакетная схема
Трёхступенчатая ракета-носитель с пакетной схемой Союз-2
При пакетной схеме первая ступень состоит из нескольких одинаковых ракет (на практике — от 2 до 8) или разных, работающих одновременно и располагающихся вокруг корпуса второй ступени симметрично, чтобы равнодействующая сил тяги двигателей первой ступени была направлена по оси симметрии второй. Такая схема позволяет работать двигателю второй ступени одновременно с двигателями первой, увеличивая, таким образом, суммарную тягу, что особенно нужно во время работы первой ступени, когда вес ракеты максимален. Ракета с продольным разделением ступеней, теоретически, может иметь неограниченное количество ступеней, работающих параллельно, но на практике количество таких ступеней ограничено двумя. Известен проект ракеты-носителя «Виктория-К», имеющей три ступени с продольным разделением.
Существует и комбинированная схема разделения , позволяющая совместить преимущества обеих схем, при которой первая ступень разделяется со второй по пакетной схеме, а разделение всех последующих ступеней происходит по тандемной схеме. Пример такого подхода — отечественный носитель Союз
1.3 Spaceshuttle
Компоновка STS «space transport system».
Первая ступень — боковые твердотопливные ускорители.
Вторая ступень — орбитальный корабль с отделяемым внешним топливным баком. При старте запускаются двигатели обеих ступеней.
Старт STS
Уникальную схему двухступенчатой ракеты с продольным разделением имеет космический корабль Space shuttle , первая ступень которого состоит из двух SRB (solid rocket booster), маршевые двигатели второй ступени (RS-25) установлены на орбитере «многоразовый космический корабль», а топливо второй ступени содержится во внешнем баке. После исчерпания топлива во внешнем баке, он отделяется и сгорает в атмосфере, главные двигатели отключаются, а вывод корабля на орбиту завершает с помощью маневровой двигательной установки орбитера. Такая схема позволяет повторно использовать дорогостоящие главные двигатели.
2 Разделение ступеней
В тандемной схеме разделении ступени соединяются между собой специальными секциями — переходниками — несущими конструкциями цилиндрической или конической формы (в зависимости от соотношения диаметров ступеней), каждый из которых должен выдерживать суммарный вес всех последующих ступеней, помноженный на максимальное значение перегрузки, испытываемой ракетой на всех участках полёта, на которых данный переходник входит в состав ракеты.
При пакетной схеме на корпусе второй ступени создаются силовые бандажи (передний и задний), к которым крепятся блоки первой ступени
Элементы, соединяющие части составной ракеты, сообщают ей жёсткость цельного корпуса, а при разделении ступеней должны практически мгновенно освобождать верхнюю ступень. Обычно соединение ступеней выполняется с помощью пироболтов.
Далее ступени должны быть разведены на безопасное расстояние друг от друга, так как запуск двигателя высшей ступени вблизи низшей может вызвать прогар её топливной ёмкости и взрыв остатков топлива, который повредит верхнюю ступень, или дестабилизирует её полет. При разделении ступеней в атмосфере для их разведения может быть использована аэродинамическая сила встречного потока воздуха, а при разделении в пустоте иногда используются вспомогательные небольшие твердотопливные ракетные двигатели.
2.1Вопрос безопасности
Увеличение числа ступеней даёт положительный эффект только до определённого предела. Чем больше ступеней — тем больше суммарная масса переходников, а также двигателей, работающих лишь на одном участке полёта, и, в какой-то момент, дальнейшее увеличение числа ступеней становится контрпродуктивным. В современной практике ракетостроения более четырёх ступеней, как правило, не делается.
При выборе числа ступеней важное значение имеют также вопросы надежности. Пироболты и вспомогательные РДТТ — элементы одноразового действия, проверить функционирование которых до старта ракеты невозможно. Между тем, отказ только одного пироболта может привести к аварийному завершению полёта ракеты. Увеличение числа одноразовых элементов, не подлежащих проверке функционирования, снижает надёжность всей ракеты в целом. Это также заставляет конструкторов воздерживаться от слишком большого количества ступеней.
2.3Применение модельных многоступенчатых ракет на практике
Применение модельных многоступенчатых ракет очень широко.
Начиная от красивых сьемок с борта ракеты, заканчивая научными экспериментами. Также модельной многоступенчатой ракетой можно моделировать запуск баллистической ракеты и на основе полученных данных понимать подходит ли данная баллистическая ракета под данные задачи.
На сегодняшний день многоступенчатая модельная ракета - это одно из самых перспективных направлений в беспилотных летательных аппаратах т.к она имеет скорость в несколько раз большую, чем скорость других беспилотных ЛА. Поэтому мы решили создать тандемную многоступенчатую ракету, но столкнулись с проблемой как же передать импульс, чтобы запустился двигатель второй ступени. Так и зародился данный проект.
3. Задачи, цель, актуальность
Цель: спроектировать и успешно испытать устройство передачи импульса для многоступенчатой модельной ракеты
Задачи:
1.Просмотр вариантов аналогов нашего устройства
2.Спроектировать устройство для передачи импульса
3.Испытать данное устройство
4.Провести запуск многоступенчатой ракеты
Актуальность проекта
1. Обеспечение зрелищности запусков многоступенчатых модельных ракет.
2. Возможность выступать на международных соревнованиях.
3. Упрощение передачи импульса
4. Увеличение надежности передачи импульса
5.Скростная высокоточная доставка полезного груза
Проблема проектной работы
Спроектировать устройство передачи импульса в многоступенчатой ракете, для дальнейшего использования устройства на практике.
3.1Опытно экспериментальная часть проекта
Многоступенчатая ракета — летательный аппарат, состоящий из двух или более механически соединённых ракет, называемых ступенями, разделяющихся в полёте.
Многоступенчатая ракета позволяет достигнуть скорости большей, чем каждая из её ступеней в отдельности
импульс— векторная физическая величина, являющаяся мерой механического движения тела
Развитие многоступенчатых ракет в ракетомоделировании является одним из самых перспективных направлений. Примером может послужить Американская программа Rocket Cargo созданная для высокоточной доставки полезного груза в любую точку мира. Для различной массы полезного груза и дальности доставки возможно применение различных ракет в том числе малой массы и для того чтобы протестировать доставку полезного груза при помощи модельной ракеты нами была поставлена задача сконструировать многоступенчатую ракету, а так же систему передачи импульса, чтобы передать заряд на вторую ступень.
Обзор решений
Рассмотрев все возможные варианты передачи импульса мы пришли к выводу, что у нас есть два варианта, либо работать с ардуиновыми платами или разработать новое устройство.
Сравнительный анализ
Плюсы контроллера arduino:
1) Гибкость программирования
2) Скорость опроса
3) Гигантское кол-во различных датчиков
и модулей расширения
4)Возможность передачи импульса
В больших многоступенчатых ракетах
Минусы контроллера arduino:
1) 3.3V рабочее напряжение (несовместимость с
некоторыми шилдами/устройствами)
2) Несовместимость с некоторыми библиотеками
3) Иногда после подачи питания нужно нажать
reset чтобы программа запустилась
4) Большой вес около 25гр
5) Недешевая стоимость платы около 1000 рублей
Плюсы устройства :
1. Небольшие размеры
2. Дешевая стоимость
3. Высокая надежность передачи импульса
4. Простота использования
5. Маленький вес 2гр
минусы устройства:
1) Невозможность передачи импульса в больших многоступенчатых ракетах
2) Невысокая прочность конструкции
Предлагаемое решение
Упростить систему передачи импульса при помощи трубки напечатанной на 3д принтере, трубка и сопло двигателя второй ступени забивается порохом.
На данном слайде вы видите схематичный эскиз двигателя с передаточной трубкой в разрезе, где видна трубка, вставленная в просверленный замедлитель и сопло второго двигателя, при этом во втором двигателя остаётся вышибной заряд для выброса системы спасения.
1)Реактивное сопло;2)Топливо;3)Просверленный замедлитель;4)Шпангоут удерживающий трубку;5)Вышибной заряд;6)Замедлитель;7)Трубка.
Сравнительный анализ
Дымный порох
Плюсы
1.долго хранится
2.очень быстро передает заряд 2см в секунду
3.его свойства не зависят от колебаний внешних температур
минусы
1. высокая температура воспламенения 270 градусов
2.полная потеря свойств при намокании
Бездымный порох
Плюсы
1 не боится сырости
2 не высокая температура воспламенения 200градусов
минусы
1не высокая скорость передачи заряда 5миллиметров в секунду
2не может долго хранится
Из-за перечисленных данных нами был выбран дымный порох т.к он имеет большую скорость распространения и долго хранится, а это одни из важнейших параметров для нашей переходной трубки. ведь чем быстрее передастся заряд тем ровнее полетит ракета
Выбор пластика для переходной трубки
Перед началом печати трубки, мы встали перед выбором какой пластик лучше использовать для печати, ведь порох с которым мы работаем, а именно дымный взрывается при температуре 270 градусов. Рассмотрев множество вариантов пластика, мы пришли к выводу, что самым оптимальным является PLA пластик по нескольким причинам.
1.Данный пластик является самым не токсичным пластиком
2.PLA пластик выдерживает высокие температуры
3.Это самый доступный и легкий для печати пластик
4.Стоимость трубки напечатанной PLA пластиком 4 руб, что дешевле других пластиков
После выбора пластика мы приступили к печати первого образца трубки.
Создав первый образец трубки, мы провели эксперимент как данная трубка проводит импульс
Размеры: внутренний диаметр 1мм; наружный 3мм; длина 100мм
В ходе данного эксперимента мы установили, что импульс передается слишком долго т.к трубка имеет небольшое отверстие. Из за этого нам пришлось пересмотреть чертежи и снова напечатать трубку
На данном слайде видно как трубка сильно деформировалась после передачи заряда, что может в последствии привести к её разрыву во время самой передачи
С учетом данных прошлого эксперимента мы изменили геометрические размеры трубки
Внутренний диаметр был увеличен до 1,5мм; наружный диаметр - до 3.5мм; длина осталась прежней 100мм
По результатам данного эксперимента мы убедились, что передача импульса произошла достаточно эффективно, под спроектированную нами трубку мы сконструировали первую ракету
На данном слайде видно как трубка деформировалась, но меньше чем в прошлый раз, так что вероятность её прогорания меньше
Первый запуск многоступенчатой ракеты прошел не так как нам хотелось.
Проведя анализ результатов, мы выявили несколько проблем.
1.Трубка слишком долго передавала заряд на 2-ю ступень, вследствие чего снова был пересмотрен чертеж
2. Двигателю первой ступени не хватило тяги, чтобы разогнать ракету до оптимальной скорости.
3.Стыковка ступеней, представляла собой не самую идеальную конструкцию, т.к первая ступень слишком долго отделялась от второй в следствии чего мы в пустую тратили драгоценное топливо
С учетом результатов запусков мы снова изменили геометрические размеры трубки
Внутренний диаметр был увеличен до 2мм; внешний диаметр увеличен до 4мм; длина 100мм
В результате этот вариант трубки мы считаем конечным поскольку он удовлетворил всем нашим проектным требованиям. Для того, чтобы убедиться в этом, предстояло провести еще один экспериментальный запуск ракеты
На данном слайде видно как трубка деформировалась, но не прогорела, это означает, что у нас есть определённый запас прочности во время передачи заряда.
После полета первой ракеты мы выявили недочеты и убрали их в ракете номер 2
1.изменена технология стыковки ступеней
2.применены более мощные двигатели
3.применена трубка нового образца
после полета ракеты номер два мы сделали несколько выводов
1. Отделение ступеней прошло в штатном режиме.
2.Ракета ушла от запланированной нами траектории
3.Задержки во время передачи заряда не произошло
Из результатов прошлого запуска мы выявили несколько недостатков прошлой ракеты.
1. Слишком длинный корпус в сравнении с стабилизаторами
2. Из-за того, что стабилизаторы не были опущены вниз корпуса
центр давления и центр масс небыли соблюдены.
3.Двигателю первой ступени не хватило тяги для того, чтобы набрать необходимую скорость
В новой ракете мы убрали данные недостатки.
Результаты запуска ракеты нас удовлетворили:
1.Отделение ступеней прошло в штатном режиме
2.Ракета полетела строго вертикально и набрала высоту +-450метров
3.Задержки во время передачи заряда не произошло
Трёхступенчатая ракета
После 7-ми запусков двухступенчатых ракет нами была установлена цель запустить 3-х ступенчатую ракету. После осмотра прошлых ракет был выявлен недостаток.
А именно слишком тяжелые стабилизаторы, примерно 3/5 веса всей ракеты
В этой ракете мы убрали данный недостаток Уменьшен вес стабилизаторов до 1/4 веса всей ракеты
Запуск данной ракеты прошёл не так как нам хотелось из за
того, что во время транспортировки ракеты погнуло стабилизаторы вследствие чего ракета изменила свою траекторию
Виско шнур
после того как мы сконструировали оптимальную передаточную трубку. мы решили сравнить её с виско шнуром. нами было рассмотрено множество вариантов шнуров характеристики которых приведены в таблице ниже.
|
Виско шнур |
Скорость горения |
Площадь поперечного сечения |
|
Visko Fuse 1 |
0.85см/с |
2.2мм |
|
Visko Fuse 2 |
1.5см/с |
2.5мм |
|
Visko Fuse 3 |
10см/с |
2.5мм |
Виско шнур эксперимент
После того как нами были выбраны шнуры, а именно 2 и 3 были проведены эксперименты по скорости сгорания данных шнуров.
Нами был выбран шнур номер 3 из за скорости его передачи импульса и чтобы испытать его в действии нам предстоит собрать новую ракету для запуска с пирошнуром
Ракета на виско шнуре
Выбрав оптимальный виско шнур для запуска ракеты, мы провели испытательный пуск. Из за того, что вискошнур в двигателе первой ступени «для более надёжного соединения» был залит клеем, шнур не загорелся и вторая ступень не отделилась
Предстоит провести повторный пуск ракеты с другим крепежом шнура
Ракета на виско шнуре №2
После первого запуска были учтены ошибки, а именно изменено крепление вискошнура в двигателе первой ступени и закрепления шнура в сопле двигателя второй ступени в результате чего нам удалось снизить скорость передачи импульса с примерно двух секунд, до одной секунды, что позволило нам существенно сэкономить на времени разделения ступеней.
Из за этого ракета набрала оптимальную скорость и полетела строго вертикально
выводы
1.Сконструировано оптимальное устройство переходной трубки
2.Была сконструирована оптимальная конструкция стабилизаторов для ракеты
3.успешно запущенна ракета на виско шнуре
4.Так же создана оптимальная технология стыковки ступеней, которая сейчас используется нами
Заключение
На данный момент перед нами стоят задачи
1.сконструировать многоступенчатую ракету пакетной схемы и сравнить её с тандемной
2.Провести сравнение виско шнура с трубкой
3.провести успешный запуск трёх ступенчатой ракеты
4 Список использованных источников:
1.https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%BD%D0%BE%D0%B3%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%83%D0%BF%D0%B5%D0%BD%D1%87%D0%B0%D1%82%D0%B0%D1%8F_%D1%80%D0%B0%D0%BA%D0%B5%D1%82%D0%B0
2. http://micpic.ru/home/proekty-na-arduino/188-plyusy-i-minusy-arduino.html
3. https://huntland.ru/index.php/2018/07/19/poroh/.
4. Тестоедов, Н. А. Проектирование и конструирование баллистических ракет и ракет-носителей : учебное пособие / Н. А. Тестоедов, В. В. Кольга, Л. А. Семенова. — Красноярск : СибГУ им. академика М. Ф. Решетнёва, 2014. — ISBN 978-5-86433-608-3. — Текст : электронный // Лань : электронно-библиотечная система. — URL: https://e.lanbook.com/book/147502 (дата обращения: 24.03.2023).