XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Конструктивные особенности проектирования модели-копии ракеты МР-20
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В условиях стремительного технологического совершенствования XXI века, всё больше развиваются навыки инженерного мышления. И одним из наиболее эффективных инструментов для решения этой задачи становится ракетомоделирование — направление технического творчества, которое сочетает в себе элементы науки и инженерии. В нем особую ценность представляет создание моделей-копий реальных летательных аппаратов: работая над точной миниатюрой, ракетомоделист не просто воспроизводит внешний облик прототипа, но и решает комплекс инженерных задач. Ракетомоделирование перестает быть исключительно хобби: оно превращается в полноценную инженерную практику в миниатюре. Ведь в процессе создания модели-копии ракеты конструктор сталкивается с необходимостью поиска оригинальных решений — например, как сохранить полетные характеристики большого прототипа при использовании других материалов и в уменьшенном масштабе. В этом и заключается актуальность данного проекта.
Однако при переходе от реального аппарата к его масштабной копии возникает ключевая проблема — эффект масштабирования. Прямое пропорциональное уменьшение конструкции не даёт желаемого результата из-за нелинейного изменения физических зависимостей, может быть смещение положения центра масс. В результате тщательно проработанная внешне модель может оказаться неустойчивой в полете или осуществить опасный полет.
Цель проекта — разработать конструктивные решения для модели-копии ракеты МР-20, компенсирующие масштабные эффекты.
Для достижения поставленной цели нужно решить следующие задачи:
-
Изучить историю метеорологической ракеты МР-20.
-
Выполнить проектирование модели-копии ракеты и разработать детали в виде 3D-моделей.
-
Осуществить необходимые теоретические расчёты.
-
Собрать и испытать действующую модель.
Теоретическую основу для расчетов и обоснования конструкторских решений обеспечили: учебные пособия по ракетомоделизму, исторические обзоры развития ракетной техники и нормативная документация в области моделирования. Теоретические аспекты ракетного полёта рассмотрены в работах К. Э. Циолковского и других основоположников космонавтики, а методики ракетомоделизма — в трудах В. П. Кузнецова, В. С. Рожкова и А. Н. Лебедева. Однако вопросы адаптации конструкции МР-20 к требованиям класса моделей S7 с инженерным обоснованием остаются недостаточно освещёнными и требуют дополнительного изучения.
Личный вклад автора состоит в реализации комплексного подхода к решению поставленной проблемы. В исследовании исторического прототипа и сборки действующей модели. Разработанные конструктивные решения позволили достичь оптимального баланса между высокой степенью копийности и требуемыми лётными характеристиками, что сыграло ключевую роль в преодолении сложностей масштабирования для данного типа модели.
Глава 1. История и технический анализ метеорологической ракеты МР-20
1.1. История создания ракеты МР-20
Метеорологическая ракета МР-20 (Рис.1.1.1.) была разработана в СССР в конце 1960-х — начале 1970-х годов как логическое продолжение и более мощная модификация ракеты МР-12. Создание этой модели было продиктовано необходимостью расширения диапазона высотных исследований: если её предшественница достигала высот в 120–170 км, то МР-20 позволяла учёным «заглянуть» значительно выше — вплоть до 250 км. Разработкой занималось Центральное конструкторское бюро гидрометеорологического приборостроения (ЦКБ ГМП). Ракета проектировалась как надёжное и относительно недорогое средство для регулярного зондирования атмосферы. Она успешно прошла испытания и стала одним из основных инструментов советской программы ракетного зондирования, используясь как на наземных полигонах (Капустин Яр, остров Хейса), так и с борта научно-исследовательских судов («Профессор Визе», «Профессор Зубов»). Назначение: исследование верхних слоёв атмосферы Основная задача МР20 — доставка комплекта научной аппаратуры в верхнюю мезосферу, термосферу и нижнюю ионосферу. Ракета позволяет проводить комплексные измерения, которые невозможны с помощью метеозондов (из-за большой высоты) или спутников (из-за слишком высокой скорости движения и разреженности атмосферы). Ключевые направления исследований:
-
Термодинамические параметры
-
Ионосферные измерения
-
Газовый состав
-
Корпускулярные излучения
-
В
Рисунок 1.1.1. МР-20
етровой режим
МР-20 успешно прошла испытания и была принята на вооружение, став ключевым инструментом советской программы ракетного зондирования. Её запуски осуществлялись как с наземных полигонов (Капустин Яр, о. Хейса), так и с научно-исследовательских судов («Профессор Визе», «Профессор Зубов»). Морские запуски имели особое значение, позволяя получать глобальные данные о верхних слоях атмосферы в различных широтах, включая экваториальные и полярные.
1.2. Описание конструкции и аэродинамической схемы
Метеорологическая ракета МР-20 — одноступенчатая твердотопливная ракета, спроектированная по классической схеме «несущий корпус со стабилизаторами». Её модульная конструкция обеспечивала адаптацию под различные научные задачи. Целью было обеспечение стабильного полета, минимального аэродинамического сопротивления и эффективной доставки полезной нагрузки на высоты до 250 км.
Ракета состоит из:
1. Головной части: обычно оживальной или конической формы для минимизации аэродинамического сопротивления.
2. Приборного отсека: расположен за головной частью, служит для сбора данных.
3. Двигательной установки: одноступенчатый твердотопливный ракетный двигатель, обеспечивающий подъем.
4. Стабилизаторов: четыре неподвижных аэродинамических стабилизатора, размещенных в хвостовой части по крестообразной схеме.
1.3. Поведение ракеты при взлете
При взлёте ракета совершает контролируемое вращение вокруг продольной оси для стабилизации траектории. Это вращение нивелирует влияние асимметрии тяги двигателя и аэродинамической асимметрии корпуса, предотвращая нежелательные крен или рыскание.
Вращение инициируется специальными отклонениями на двух противоположных стабилизаторах, которые работают дифференциально, создавая крутящий момент.
Глава 2. Проектирование модели-копии ракеты МР-20 и 3D-моделирование деталей
2.1. Масштабирование и выбор геометрических параметров модели
Выбор масштаба для модели в классе S7— это не просто математическое масштабирование исходных размеров, а оптимальное инженерное решение. Он определяет ключевые характеристики модели: технологичность, аэродинамическую устойчивость,соответствие регламенту класса моделей S7.
Важное уточнение: при работе с моделями-копиями нередко приходится применять «масштабную коррекцию» центра масс.
На этом этапе все пересчитанные значения сводятся в единый чертежный проект: чертёж общего вида, который отражает компоновку всех секций ракеты МР-20, включая места стыковки, которые в модели должны обеспечивать идеальное сопряжение для имитации цельного корпуса.
Итак, масштабирование завершается созданием детального чертежа вручную (рис. 2.2.1), который позже станет частью судейской документации.
Рисунок 2.2.1. чертеж модели-копии в масштабе 1:10,37
2.2. Система спасения модели ракеты МР-20
Основное предназначение данной системы — обеспечение безопасного возвращения модели на землю после завершения активного участка полёта. Это позволяет предотвратить повреждение детализированных элементов конструкции (таких как антенны, датчики, стабилизаторы) при посадке, а также обеспечить возможность многократного использования модели.
Функционирование парашютной системы основано на использовании аэродинамического сопротивления воздушной среды для снижения скорости падения объекта.
Для обеспечения надёжного и контролируемого снижения параметры парашюта (площадь, форма купола, длина строп) подбираются с учётом общей массы модели, её аэродинамических характеристик и допустимой вертикальной скорости приземления. Узлы крепления парашютной системы к корпусу модели проектируются с расчётом на выдерживание динамических нагрузок, возникающих в момент наполнения купола.
2.3. Выбор материалов и разработка конструктивных элементов модели
Разработка модели класса моделей S7 требует баланса между копийностью и лётными характеристиками. Материалы подбираются с учётом внешнего вида оригинала, лёгкости, прочности и технологичности. Традиционно для корпусов применяется плотный, но лёгкий ватман.
Для обеспечения высокой точности и эффективности проектирования в данном конструкторском проекте была внедрена система автоматизированного проектирования (САПР) КОМПАС-3D1. Это позволило создать детали модели-копии МР-20 с высокой степенью точности и обеспечить гибкость для корректировки конструкции на всех этапах разработки.
При создании соединительных колец корпуса МР-20 на начальном этапе был сформирован осевой профиль с учётом точных геометрических размеров, что представлено в Приложении 1, рис. 1.
Далее была применена операция «Элемент выдавливания», с помощью которой воспроизведена сложная оживальная форма кольца. Такой подход гарантирует идеальную симметрию и чистоту поверхностей, недостижимые при ручной обработке. Процесс моделирования включал следующие этапы:
-
задание замеров для кольца (Приложение 1, рис. 1);
-
выполнение операции выдавливания детали и преобразование полученной геометрии (Приложение 1, рис. 2);
-
итоговое изображение готового кольца (Приложение 1, рис. 3).
Поскольку на оригинальной ракете установлено три кольца на корпусе, в модели были созданы все три элемента по единому алгоритму. Впоследствии полученные цифровые модели были подготовлены к аддитивному производству и напечатаны на 3D-принтере (Приложение 1, рис. 4).
Особое внимание уделялось моделированию нижнего кольца, интегрированного с нижним корпусом ракеты (втулкой). Для этого был создан единый эскиз, на основе которого методом выдавливания сформирована цельная деталь, обеспечивающая прочность и точность сопряжения (Приложение 2, рис. 1). Эта деталь была успешно распечатана на 3D-принтере (Приложение 2, рис. 2). Итоговое изображение смоделированной втулки в сборе с двигательным отсеком представлено на рисунке 3 (Приложение 2).
Аналогичный подход был применён при моделировании стабилизаторов ракеты. На основе точного эскиза профиля выполнена операция выдавливания, что позволило получить детали с заданной геометрией, готовые к последующей печати.
Головная часть, как неотъемлемый элемент модели, моделировалась на основе осевого профиля, который с помощью операций вращения или выдавливания преобразовывался в твердотельную модель оживальной формы. Цифровая модель головной части была подготовлена к печати на фотополимерном 3D-принтере.
Элементы модели проектируются функционально. Выполняется предварительный расчёт массы компонентов и общего веса для определения положения центра масс (ЦМ). Для обеспечения устойчивости критически важно, чтобы ЦМ располагался перед центром давления (ЦД). При необходимости предусматривается коррекция материалов или добавление балласта.
Глава 3. Необходимые теоретические расчеты
3.1. расчеты параметров системы спасения основного корпуса ракеты и головной части
Задача проектирования системы спасения зонда заключается в обеспечении нормативной скорости приземления (