VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

РАКЕТОМОДЕЛИРОВАНИЕ, РАКЕТА НА КАРАМЕЛЬНОМ ДВИГАТЕЛЕ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Файзуллаев А.А. 1

---

1МАОУ " Гимназия №1"

Дятел О.И. 1

---

1МАОУ " Гимназмя №1 "

Работа в формате PDF

3.1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Цели и задачи.

Цели: используя современные знания, информацию из Интернета, доступные конструкционные материалы, воспроизвести моделирование, изготовление, запуск ракеты. Получить наиболее полное представление об особенностях конструкции, возможностях и использования и отличиях различных типов ракет с жидкостными и твёрдотопливными ракетными двигателями, которые используются для запусков в околоземное и космическое пространство.

Смоделировать, сконструировать и произвести запуск ракеты.

Задачи:

Изучить историю ракетомоделирования.

Изучить от чего зависит полёт ракеты.

Изучить формулу Циолковского и её смысл для ракет.

Изучить аэродинамическое сопротивление и способы его уменьшения.

Изучить устойчивость ракеты в полёте.

Изучить строение двигателя и корпуса ракеты.

Изучить cпособы спасения ракеты от столкновения с землёй.

Что же такое ракетомоделирование?

Ракетомоделирование, являющее ранее частью авиамодельного спорта, уже достаточно долгое время является самостоятельным видом спорта.

Ракетомоделирование - это изготовление рабочих моделей ракет, которые используют движущую силу небольших ракетных двигателей на твёрдом топливе и поднимаются на высоту более 100 метров. После окончания работы двигателя, модель спускается на землю с помощью разнообразных систем спасения (стримерная лента, парашют, ротошут, крыло) В процессе запуска моделей используются уменьшенные аналоги твердотопливных реактивных двигателей. Особенность ракетного двигателя в том, что он движется вперёд, отталкиваясь не от воздуха, как это делают, к примеру, вертолёт или самолёт, а благодаря эффекту тяги ракетного двигателя. Этот эффект основан на третьем законе Ньютона, по которому тело движется вперёд, отталкивая назад часть своей массы.

Ракетомодельный спорт - это технический вид спорта, в котором участники соревнуются в конструировании, изготовлении, организации запуска и пилотировании (для радиоуправляемых) моделей ракет и ракетопланов.

История и современность ракетомоделирования.

Как отдельный вид спорта ракетомодельный спорт существует с 70-ых годов 20 века. В качестве технического вида спорта в настоящее время широко распространен в России, странах СНГ и Восточной Европы. В мировом масштабе широкого распространения не получил. В СССР ракетомодельный спорт официально существует с 1961 года. Ракетомоделирование возникло и приобрело популярность сразу, как только стало известно о запуске первых искусственных спутников Земли, а особенно после полётов в космическом пространстве советских лётчиков-космонавтов. С этого момента начались попытки построить действующие модели ракет. Модель ракеты состояла из приспособления для плавного снижения (парашют, крылья), а также имела способность после смены ракетных двигателей вновь запускаться в воздух. Корпус модели был изготовлен из неметаллических материалов и состоял из трёх ступеней, каждый из которых снижался на своём парашюте. Изначально они были не совершенны, имели достаточно примитивный самодельный ракетный двигатель. В советское время ракетомодельный спорт был очень сильно развит, в каждом районе каждого города существовали клубы, станции, дома юных техников, именно в них зарождались будущие спортсмены. Инициатором организованных форм развития ракетомоделирования стала Московская областная станция юных техников, которая в апреле 1962 года провела первые в Советском Союзе областные ракетомодельные состязания. С этого момента ракетомоделирование приобрело массовый характер. В каждой школе, в каждой внешкольной организации существуют группы юных умельцев, которые пробуют построить и запустить в воздух модели ракет. Ракетомоделирование - это не просто увлечение, оно даёт большую пользу, влияя на общее и техническое развитие будущего инженера-конструктора. Чуть позже многочисленные организации были объединены в Федерацию ракетомодельного спорта СССР (с 1993 года – России).

Сегодня смоделировать и запустить ракету на высоту 100-150 метров можно, если сконструировать и изготовить её самостоятельно или купить уже готовую модель. В нашей стране проводятся научные фестивали, где можно продемонстрировать свои разработки в ракетном моделировании и запустить ракету в небо. В других странах также существуют организации по ракетному моделированию, которые тоже устраивают ежегодные фестивали и соревнования.

Имена тех, кто начал космический век.

Николай Иванович Кобальчич – пришёл к мысли использовать силу взрыва для полёта человека.

Константин Эдуардович Циолковский – основоположник современной ракетной техники и космонавтики.

Юрий Васильевич Кондратюк – доказал возможность полёта в мировые пространства на ракете.

Цандер Фридрих Артурович – сделал первые расчёты, относящиеся к области космических путешествий.

Сергей Павлович Королёв – изобрёл первый спутник.

Юрий Алексеевич Гагарин – стал первым кто полетел в космос.

Терешкова Валентина Владимировна – первый космонавт-женщина. И единственная женщина совершившая полёт одна, без экипажа.

Леонов Алексей Архипович — первый человек, который вышел в открытый космос 18 марта 1965 года. Продолжительность первого выхода составила 23 минуты.

Анато́лий Я́ковлевич Соловьёв – российский космонавт ему принадлежит рекорд по числу выходов в открытый космос. Он совершил 16 выходов общей продолжительностью более 78 часов. Суммарный налет Соловьева в космосе составил 651 сутки.(см. приложение 1.)

Виды ракет в ракетомодельном спорте.

Модели ракет подразделяются на 12 категорий: 

S1 — модели ракет на высоту полёта.
S2 — модели ракет на высоту полёта со стандартным грузом.
S3 — модели ракет на продолжительность полёта с  парашютом.
S4 — модели планеров с ускорителем на продолжительность полёта.
S5 — модели-копии ракет на высоту полёта.
S6 — модели ракет на продолжительность полёта с лентой.
S7 — модели-копии ракет на реализм полёта.
S8 — модели ракетных планеров на продолжительность полёта.
S9 — модели ракет на продолжительность полёта с ротором.
S10 — модели ракет на продолжительность полёта с «мягким крылом».
S11 — модели-копии ракетопланов и космических кораблей.
S12 — модели ракет для троеборья на продолжительность полёта.

От чего зависит полёт ракеты?

Понятие силы тяги двигателя и её определение.

Как можно, хотя бы упрощённо, представить себе процесс образования тяги?

Для этого воспользуемся такой моделью. Допустим, что каждую секунду из камеры под действием упругих сил давление расширяющегося газа выбрасывается масса рабочего тела. На рисунке она обозначена буквой m. Изобразим газ, находящийся в камере в виде сжатой пружины. Распрямляясь, пружина давит одним концом на “массу” m, а другим - на переднюю стенку камеры. Сила, действующая со стороны пружины на камеру, не что иное, как тяга R. Точно такая же сила действует на рабочее тело, которое под её действием получает некоторую скорость W (её называют скоростью истечения газа из двигателя). На основе законов физики легко доказывается, что сила тяги R равна произведению секундного расхода массы газа m на скорость его движения W. Чтобы правильно использовать законы, выраженные формулой тяги, проведём её анализ. Из формулы сразу же видно, что увеличить тягу двигателя можно 2 путями: увеличивая секундный расход массы топлива или повышая скорость истечения газов. Какой же из этих 2 путей наболее выгоден? Очевидно, 2, поскольку он не связан с увеличением запаса топлива на ракете. А как можно увеличить скорость истечения газов из двигателя? Один из способов – увеличение коэффициента полезного действия. Сама конструкция двигателя должна быть такой, чтобы топливо использовалось наиболее эффективно.

Формула Циолковского и её смысл для ракет.

А можно ли найти конечную скорость ракеты? Интересно, что это был первый вопрос, которой задал себе Циолковский. Он поставил перед собой задачу: определить конечную скорость ракеты. Правда, сначала для идеальных, наземных условий. Он предположил, что ракета летит в безвоздушном пространстве, вдали от Земли, других планет и звёзд, то есть вне гравитационных полей, создаваемых небесными телами. Циолковский решил эту задачу уже в 1897 году. Формула, выведенная Циолковским, устанавливает связь между скоростью самой ракеты, скоростью истечения газов из сопла ракетного двигателя, массами ракеты на старте и в конце активного участка полёта. Ныне эта формула носит имя Циолковского и является краеугольным камнем всей современной космонавтики. Зависимость, устанавливаемая формулой Циолковского, графически изображена на рисунке. Буквой Vк обозначена идеальная конечная скорость ракеты, обозначение для скорости истечения W нами уже применялось, а буквами Mo и M к отмечены начальная и конечная массы ракеты. Здесь же, на графике, приведена и сама формула Циолковского в показательном виде. В формуле буквой е обозначена постоянная величина – иррациональное число, широко используемое в математике и равное примерно 2,72. Что же позволяет выяснить формула Циолковского? Посмотрим на график. Если после сгорания топлива масса ракеты уменьшится вдвое, то конечная скорость станет равной трём четвертям от скорости истечения газов. Когда отношение масс достигнет 10, то конечная скорость в 2,3 раза превысит скорость истечения, а при Mo/Mк = 100 отношение Vк/W = 4,6 (последней точки на графике нет, её можно получить расчётным путём ). Чтобы наглядно представить, какими должны быть ракеты с указанным соотношением масс, заметим, что отношение масс Mo/Mк =2 соответствует отношению массы бутылки с водой и без неё, Mo/Mк = 10 – отношению масс полного и пустого ведра, а цифре 100 соответствует отношение массы мешка с картошкой и без неё. Отношению Mo/Mк является конструктивным параметром ракеты.

Формула Циолковского:

где:

{\displaystyle V}V — конечная скорость летательного аппарата, которая для случая маневра в космосе при орбитальных манёврах и межпланетных перелётах часто

именуется характеристической скоростью.

{\displaystyle I}I — удельный импульс ракетного двигателя (отношение тяги двигателя к секундному расходу массы топлива);

{\displaystyle M_{1}}M1— начальная масса летательного аппарата (полезная нагрузка + конструкция аппарата + топливо);

{\displaystyle M_{2}}M2— конечная масса летательного аппарата (полезная нагрузка + конструкция аппарата).

Аэродинамическое сопротивление и способы его уменьшения.

При подъеме модели ракеты у нее есть друзья и враги. Разгоняет ракету сила тяги, а препятствуют разгону две силы: сила притяжения Земли и сила аэродинамического (дословно: воздушно-силового) сопротивления. Велики ли силы, тормозящие ракету? Силен ли враг?

Обратимся к космической технике. Установлено, что при выведении космического аппарата на круговую орбиту, высота которой 500 км, потери скорости вследствие аэродинамического торможения составляют 0,4 км/сек, а гравитационные потери (потери, вызванные действием силы притяжения Земли) — 1,1 км/сек. Как видим, потери значительные.

Еще большие потери сопутствуют полету модели, особенно потери аэродинамические: полет космической ракеты лишь частично происходит в плотных слоях атмосферы (напомним, что 75% всей массы атмосферы содержит десятикилометровый нижний ее слой), а полет модели полностью совершается в плотной среде.

Расчеты показывают, что у модели ракеты потери высоты, вызванные аэродинамическим сопротивлением, могут быть равны, а иногда и больше гравитационных. Поэтому моделисту особенно важно изучить «воздушного» противника, чтобы успешно бороться с ним.

Какова же природа аэродинамического сопротивления?

Сопротивление, которое воздействует на модели ракет и сами ракеты, на самолеты, автомобили, корабли, — в общем, на все, что передвигается в жидкой или газообразной среде, — создается двумя силами: трением и давлением.

Сопротивление трения возникает благодаря «вязкости» среды, в которой происходит движение. Двигаясь в атмосфере, тело «сдвигает» слои воздуха, очень близко прилегающие к его поверхности. Напряжение сдвига появляется потому, что частицы воздуха на самой поверхности движутся вместе с телом, а на сравнительно небольшом расстоянии от тела воздух неподвижен. В этом отношении сопротивление трения подобно тем силам, которые возникают, например, при скольжении какого-нибудь предмета по столу.

Сопротивление давления возникает потому, что воздушная среда обладает инерцией, мерой которой служит ее масса или массовая плотность. Когда тело движется в атмосфере, частицы воздуха должны расступаться, освобождая пространство для тела. При этом они ускоряются и в соответствии с физическими законами Ньютона оказывают противодействие движущемуся телу. В результате такого противодействия и возникает сопротивление давления. Как мы видим, силы давления играют большую роль в создании аэродинамического сопротивления. Аэродинамическое сопротивление ракет и моделей рассчитывают по формуле:

Q — полное аэродинамическое сопротивление;

r — массовая плотность воздуха;

V — скорость полета;

S — площадь наибольшего поперечного сечения (миделя) ракеты.

Буквами c_x  в формуле обозначен безразмерный поправочный коэффициент, называемый коэффициентом лобового аэродинамического сопротивления. Итак, лобовое сопротивление модели или ракеты будет тем больше, чем плотнее среда, в которой происходит полет (чем больше массовая плотность воздуха r). Сопротивление также очень сильно зависит от скорости полета: если, например, скорость увеличивается вдвое, то сопротивление возрастает вчетверо, при тройном увеличении скорости сопротивление возрастает в 9 раз!

Особое внимание моделисту следует обратить на коэффициент лобового сопротивления — именно с помощью этого коэффициента можно в значительной мере повлиять на величину аэродинамической тормозящей силы, а значит, и на летные свойства модели.

Для одноступенчатой модели коэффициент аэродинамического сопротивления будет где-то около 0,4 — 0,5. Коэффициент лобового сопротивления характеризует важное качество летящего тела — его обтекаемость. Идеально обтекаемое тело имеет закругленную головную часть, продолговатое «туловище», плавно переходящее в удлиненную, сильно сужающуюся хвостовую часть.

Обтекаемая форма была бы наилучшей и для модели ракеты. К сожалению, мы не можем точно следовать мудрым указаниям природы: закругленную головную часть и продолговатый корпус сделать еще можно, но вот для кормовой части ракеты сужающаяся, сходящая на нет форма не подойдет: если сделать хвост ракеты такой формы, то негде будет разместить двигатель, обеспечивающий продвижение ракеты вперед.

Устойчивость ракеты в полёте.

Тяга ракеты направлена вдоль оси симметрии, сила тяжести в соответствии с законами механики приложена в центре тяжести (центре масс) и действует в направлении центра Земли, а аэродинамическая сила соответствует набегающему потоку ветра. Точка приложения силы Р называется центром давления. Для движения вдоль заданной траектории ракета должна быть устойчивой. Движение ракеты вдоль траектории устойчиво в том случае, когда действующие на нее силы и моменты непрерывно сохраняют равновесие и направляют ракету на первоначальную траекторию полета. 
Для сохранения устойчивости тела (не только ракеты), движущегося в воздухе, его центр тяжести должен находиться впереди центра давления (считая от головной части). Это основное условие очень важно для безопасного старта и полета ракеты. Если центр тяжести будет расположен позади центра давления, то ракета, выведенная из равновесия случайным возмущением, не возвратится на первоначальную траекторию полета.
Насколько быстро ракета возвратится в состояние равновесия, зависит от расстояния е между центрами тяжести и давления. Величина е должна быть не меньше 0,5 D, однако лучше, если это расстояние равно диаметру корпуса ракеты.
Каким на практике должно быть соотношение продольных поверхностей ракеты для выполнения условия устойчивости, показано на рис. 2. Полная длина ракеты в среднем должна составлять от 16 до 20 D (где D—диаметр ракеты). Площадь поверхности стабилизаторов Р2=(0,8—1,0) Р1 (где Р1—площадь поверхности корпуса).

Существуют два метода позволяющие с достаточной точностью определить центр давления: расчетный и практический.
Рассмотрим практический метод. 
При использовании практического метода нужно вырезать из картона силуэт данной модели в натуральную величину. Путем уравновешивания находится центр тяжести этой плоской фигуры, который и будет искомым центром давления модели.

Для определения центра тяжести готовой модели ее нужно подвесить. Варьируя положение точки подвеса, можно достичь такого положения, при котором модель сохраняет равновесие.

В этой точке (точнее, в центре соответствующего сечения модели) и будет находиться ее центр тяжести.
Количество стабилизаторов, их размер и форму определяют опытным путем. На практике принято считать, что хорда стабилизатора должна составлять от 1,5 до 2 диаметров модели. Часто используют кольцевые стабилизаторы, ширина которых в среднем равняется 0,5 диаметра кольца. Стабилизаторы этого типа эффективны при больших диаметрах кольца (не менее двух диаметров корпуса модели). Малые кольцевые стабилизаторы незначительно улучшают устойчивость модели.
После установки двигателя в ракету, перед запуском желательно проверить балансировку модели и при необходимости откорректировать её, догрузив в головной обтекатель пластилина

Двигатель ракеты.

Посмотрите, как выглядит настоящий ракетный двигатель. Его краткое обозначение РД – 107, а устанавливался он на первый ступени прославленной советской ракеты “Восток”.

А вот и карамельный двигатель для ракетной модели, его размер, вес, тяга в сотни тысяч раз меньше чем у РД-107. Но не только размеры отличают оба двигателя, двигатель модели полностью другой – это двигатель на твёрдом топливе, такие двигатели сокращённо называют РДТТ – ракетные двигатели твёрдого топлива.

Карамельный двигатель можно сделать в домашних, для этого нам понадобится:

1.Смесь сахара и калиевой селитры в соотношении 2 к 1.

2.Вода, примерно столько же, сколько сахара.

3.ПВХ труба длиной 12 см.

4.Пробка из дерева.

5.Фитиль.

Последовательность действий:

1.Смешать сахар с калиевой селитрой в соотношении 2 к 1.

2.Высыпать эту смесь на сковороду и добавить воды столько же, сколько сахара.

3.Ждать пока вода выпарится.

4.Трубу ПВХ перекрыть с одной стороны пробкой.

5.Залить смесь в трубу.

6.Подождать пока смесь застынет.

7.Проделать отверстие в застывшей массе.

8.Провести туда фитиль.

Наш двигатель готов, для нашей ракеты понадобится 3 двигателя.

Корпус ракеты.

Детали:

1.Труба ПВХ длиной 25см.

2. 3 крыла из картона.

3. 3 карамельных двигателя.

4.Обтекатель, крышка от дезодоранта.

5.Пластилин, для придания обтекателю формы конуса и для утяжеления обтекателя.

6.Горячий клей для соединения деталей.

7.Парашют, для приземления ракеты.

8.Резинка для скрепления обтекателя, парашюта, ПВХ трубы.

Способы спасения ракеты от столкновения с землёй.

Есть 3 группы устройств замедляющих снижение ракеты:

1.Устройства, использующие для замедления спуска силу аэродинамического сопротивление.

2.Устройства, использующие аэродинамическую подъёмную силу.

3.Устройства, использующие для посадки реактивную силу двигателя.

Самый простой и распространенный способ 1 группы – парашют. Основной его плюс в том, что в упакованном виде он занимает мало места, а при необходимости быстро разворачивается, образуя купол значительной площади. Самая главная часть парашюта – купол. Именно он создаёт аэродинамическое сопротивление, достаточное для его замедленного снижения.

Сопротивление, создаваемое парашютом можно увеличить, взяв купол большей площади. Круглый парашют прост в изготовлении. Его единственный недостаток это – неустойчивое снижение в воздухе, это легко устраняется, если проделать в центральной части купола отверстие.

Длина строп тоже имеет значение, оптимальная длина строп должна составлять 0,8 – 1 купола в раскрое.

Заключение.

СТРОИТЬ И ЛЕТАТЬ, ЛЕТАТЬ И СТРОИТЬ!

Эти слова Королёва служили девизом для всех ракетостроителей. Не только мечтать, но и строить, летать великие слова Королёва, эти слова воплощены в моделях первого Всесоюзного конкурса, особенно в моделях летающих – моделях ракет, ракетопланов, носителей и космических аппаратов.

Так пусть же эти крылатые слова главного конструктора космических ракет и кораблей послужат девизом всем, для кого ракетостроение и ракетомоделирования открывает путь в космос.

Математические расчёты.

Приложение1.

Николай Иванович Кобальчич (1853-1881).

Константин Эдуардович Циолковский (1857-1935).

Юрий Васильевич Кондратюк (1897-1942).

Цандер Фридрих Артурович (1887-1933).

Королёв Сергей Павлович (1907-1966).

Гагарин, Юрий Алексеевич (1934-1968).

Терешкова Валентина Владимировна (1937).

Леонов Алексей Архипович (1934).

Соловьёв, Анатолий Яковлевич (1948).

Список литературы.

1.Википедия (Ракетомодельный спорт).

https://ru.wikipedia.org/wiki/Ракетомодельный_спорт

2.Станция юных техников (Ракемоделирование).

http://sut-m.ru/raketomodelirovanie.html

3.Википедия (Ракетомоделизм) .

https://ru.wikipedia.org/wiki/Ракетомоделизм

4.40 лет Аргументы и факты (10 самых известных космонавтов и их рекорды)

http://www.aif.ru/dontknows/10_samyh_izvestnyh_kosmonavtov_i_ih_rekordy

5.Кюч на старт – 7 статья.

http://www.airbase.ru/modelling/rockets/res/books/kns/kns7.htm

6. ХОББИ,МОДЕЛИ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

Познавательный сайт города Николаева

Устойчивость ракеты в полете http://hobby.nikolaev.com.ua/modules.php?name=Articles&file=view&articles_id=321

7.Википедия (Формула Циолковского)

https://ru.wikipedia.org/wiki/Формула_Циолковского