VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Создание модели Ракеты «Фотон-X»
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
АННОТАЦИЯ
Данный проект посвящён созданию модели ракеты, исследованию принципов реактивного движения на основе исследования фотонных технологий и конструированию простейших моделей ракет. Работа над проектом началась в ВДЦ «Океан» в июне 2018 года. В лагере я построил и запустил с командой единомышленников ракету «Spase-Y». В дальнейшем, я решил собрать макет ракеты «Фотон – Х». Изучение необходимой литературы и подбор оборудования для реализации проекта, само исследование проводилось во внеурочное время в сентябре - ноябре 2018 года. На базе детского технопарк «Кванториум – Фотоника» г.Перми. Основополагающий проблемный вопрос. На уроках физики изучение некоторых вопросов при использовании учебника и презентации не дает полного представления о реальных физических процессах. Данная работа поможет наглядному усвоению знаний по теме «Реактивное движение».
Цель моей работы: сборка ракеты на основе изученных материалов о ракетостроении. При выполнении работы мне предстоит решить следующие задачи: Познакомится с историей возникновения ракет. Понять принцип работы ракеты. Изучить конструктивные особенности объекта прототипа и её практического назначения. Произвести расчёт площади парашюта; расчёт массы полезной нагрузки – и ракетоносителя. Выбор параметров для моделирования. Изучить технологию изготовления модели объекта, разработка технологии изготовления различных частей и узлов. Создать 3D модель некоторых деталей ракеты и распечатать их с помощью 3D принтера. Проверочные математические расчёты. Собрать модель ракеты. Анализ результатов сборки модели. Научность идеи. В процессе исследования были изучены физические законы, лежащие в основе реактивного движения, структура и различные типы ракет. В работе актуализируются вопросы об использовании принципа реактивного движения в различных технических устройствах и его проявления в природе. Сделаны выводы: реактивный двигатель можно использовать и в воздухе, и на воде и на суше, дальность полёта ракеты зависит от вида и состава топлива, а также массы конструкции. Завершение проекта - обсуждение результатов исследования на уроках физики, выступление с презентацией проекта перед учащимися Кванториума и специалистами ПАО «ПНППК». Сняты 2 видеоролика с запуском ракеты. Работа в данном направлении будет продолжена – было принято решение усовершенствовать в дальнейшем ракету, с использованием фотонных технологий. Заключение работы: ракетные двигатели играют важную роль и в освоении Вселенной, и в обороне страны, и в инженерно - технической области народного хозяйства. Объём работы – 15 стр. Количество рисунков, иллюстраций –29 Источники:Кротов И.В. Модели ракет: Проектирование. –М.:ДОСААФ, 1979Половинкин А.И. Основы инженерного творчества: Учеб. Пособие для студентов ВУЗов. _ М.: Машиностроение, 1988Энциклопедия Наука, издательство «Астрель» Букш Е.Л. Основы ракетного моделизма. - М.: Изд-во ДОСААФ, 1972. B.C.Рожков. Спортивные модели ракет. - М.: ДОСААФ, 1984. П.Эльштейн. Конструктору моделей ракет. Перевод с польского. - М.: Мир, 1978.Пат. 2362605 РФ. Модельный ракетный двигатель / Казанцев И.Л., Казанцев Л.В. // Бюл. - 2009. - № 21
ВВЕДЕНИЕ
Данный проект посвящён экспериментальному исследованию принципов реактивного движения и конструированию простейших моделей ракет. Работа над проектом началась в ВДЦ «Океан» в июне 2018 года. В лагере я построил и запустил с командой единомышленников ракету ««Spase-Y». В дальнейшем, я решил собрать макет ракеты «Фотон – Х». Изучение необходимой литературы и подбор оборудования для реализации проекта, само исследование проводилось во внеурочное время в сентябре - ноябре 2018 года. На базе детского технопарка «Кванториум – Фотоника» г.Перми, в сентябре - ноябре 2018 года.
Актуальность
На уроках физики изучение некоторых вопросов при использовании учебника и презентации не дает полного представления о реальных физических процессах. Данная работа поможет наглядному усвоению знаний по теме «Реактивное движение».
На примере создания модели рассматриваются первые шаги к инженерному творчеству и конструированию. В будущем мне проще и понятнее будет изучать такие области наук, как механика, аэродинамика, черчение, математика, химия, геофизика. А также знакомство с математическим моделированием, моделированием в различных программах. При сборке модели использовались новейшая техника, 3Д принтер. Для моделирования программы для 3Д моделирования.
Постановка проблемы: Возможно ли, изучать и провести анализ воздуха на высоте около 100м с помощью модели ракеты.
Объект исследования:модель ракеты «ФОТОН – Х» установить в спутник различные датчики, которые смогут передавать телеметрию на землю к пользователю.
Предмет исследования: процесс создания модели космической ракеты, используя различные подручные детали и материалы и 3-Д модели.
Оригинальность идеи. Был подобран особый цвет ракеты, который будет хорошо виден с земли, это сделано специально для того что бы было хорошо видно момент отстыковки спутника от ракетоносителя, так же. Цвет имеет более светлый, светоотражающий, специально для того, что бы датчики выдавали данные с минимальной погрешностью. Рассчитана масса парашюта. Проведены математические расчёты, которые подтверждаются экспериментальным путём.
Цель работы: создание ракеты «Фотон – Х», на основе изученных материалов о ракетостроении.
Задачи:
1) Познакомится с историей возникновения ракет; 2) Понять принцип работы ракеты. 3) Изучить конструктивные особенности объекта прототипа и её практического назначения; 4) Произвести расчёт площади парашюта; расчёт массы полезной нагрузки – и ракетоносителя 5) Выбрать параметры для моделирования; 6) Изучить технологию изготовления действующей модели объекта, разработать технологию изготовления различных частей и узлов;7) Создать 3D модель деталей ракеты, распечатать их с помощью 3D принтера. 8) Произвести проверочные математические расчёты; 9) Собрать модель ракеты.10) Провести анализ результатов сборки модели
Гипотеза: возможно, создать модель ракеты с двумя парашютами, спутником для изучения воздушного пространства.
Научность идеи. В процессе исследования были изучены физические законы, лежащие в основе реактивного движения, структура и различные типы ракет. В работе актуализируются вопросы об использовании принципа реактивного движения в различных технических устройствах и его проявления в природе.
Методы исследования:
анализ литературы, сбор информации по теме «Космические ракеты и их строение», анализ собранной информации по теме «Космические ракеты и их строение»,таналитический метод и обобщение (анализировали и делали выводы на каждом этапе и в конце исследования, планировали работу), моделирование деталей 3- Д, изготовление корпуса модели ракеты
Ожидаемый результат: собрать модель ракеты с двумя парашютами.
Завершение проекта - обсуждение результатов исследования на уроках физики, выступление с презентацией проекта перед учащимися Кванториума и специалистами ПАО «ПНППК».
Перечень демонстрационного материала:
2 видеоролика с запуском ракеты.
Презентация.
Модель ракеты «Фотон – X»
Глава I Анализ литературы о ракетостроении
I.1 История возникновения ракетостроения
В конце IX века китайцы изобрели порох, который поначалу использовали для изготовления петард, которые они прикрепляли к кончикам стрел и пускали в сторону врагов. Именно изобретение пороха стало основой возникновения настоящих ракет. Ракеты стали совершенствовать. Со временем разные учёные высчитывали, сколько надо пороха, чтоб запустить ракету на луну. А так как с древних времён человек мечтал оторваться от Земли, и достичь иные миры, люди пришли к тому, что стали изобретать космическую ракету. Ещё 400 лет назад было доказано возможность полётов в космос, но до середины 20 века полёты в космос были только в умах учёных и писателей-фантастов. И только два конструктора Сергей Королёв и В. фон Браун сделали мечту реальностью.
Первые ракеты были пороховыми (твердотопливными). Схема жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) была разработана в 1903 г. К. Э. Циолковским. В 1931 году была создана группа изучения реактивного движения, которую возглавил Сергей Павлович Королёв. Учёный сразу сосредоточил своё внимание на создании крылатых ракет .
Королёв успешно провёл испытания ракеты Р-1 – слегка модернизированной копии «Фау-2». Позже в 1953 году перед конструкторами встала задача создать ракету, способную доставить отделяемую головную часть массой 5 тонн на расстояние до 8 тысяч км. С.П.Королёв решил отказаться от немецкого наследства, он должен был разработать совершенно новую ракету, которой ещё не было. Королёв предложил революционную конструкцию ракеты. Она состояла из четырёх блоков первой ступени и одного блока- второй, соединенных параллельно. Такую систему назвали «связкой». Причём двигатели начинали работать с земли. 15 мая 1957года состоялся первый запуск новой ракеты, которая была названа Р-7. Удачность и как следствие надёжность конструкции и очень большая мощность для баллистической ракеты позволили использовать Р-7 в качестве ракеты-носителя. Именно ракеты-носители открыли человеку космическую эру.
Первые шаги в космосе
Королёв делал ракеты для военных, но мечтал начать с их помощью освоение космоса. Весной 1954 года он вместе с академиком М.В.Келдышем и группой учёных Академии наук определили круг задач, которые должны были решать искусственные спутники Земли. В начале 1956 года было принято постановление о создание искусственного спутника Земли массой 1000-1400 кг с аппаратурой для научных исследований массой 200-300 кг. Учёные начали работу сразу над двумя спутниками. Первый так называемый «объект-Д» весил более 1,3 тонн и нёс на борту 12 научных приборов. Второй спутник был биологическим. Он представлял собой головной обтекатель Р-7, внутри которого учёные разместили герметическую кабину для животного и контейнеры с научной и измерительной аппаратурой. Спутник имел массу более полутоны и должен был выйти на орбиту вслед за «объектом-Д». Цель его запуска бала довольно просто – доказать, что живое существо способно полететь в космос и остаться в живых.
В том же году С.П. Королёв начал исследования по созданию пилотируемого корабля спутника. Ракетой-носителем должна была стать Р-7. Расчёты показали, что она способна вывести на околоземную орбиту груз массой более 5 тонн.
Тогда же бюро Королёва начало работу над космическим кораблём «Восток». Всего было создано три типа кораблей: прототип «Восток-1к», на котором были отработаны системы, «Восток-2к»-разведывательный спутник, и «Восток-3к», предназначенный для полётов человека в космос.
Первым, кто полетел на корабле-спутнике, был манекен, а следом за ним отправились собаки. 19 августа 1960 года в космос с космодрома Байконур был запущен корабль «Спутник-5», который был прототипом космического корабля «Восток». На корабле отправились собаки Белка и Стрелка.
12 апреля 1961 года с космодрома Байконур стартовала ракета-носитель 8к78 с космическим кораблём «Восток». На борту корабля находился лётчик-космонавт Юрий Гагарин, которому первому предстояло преодолеть притяжение родной планеты и выйти на околоземную орбиту. «Восток» совершил один виток вокруг Земли, полёт длился 108 минут. Полёт корабля "Восток" с человеком на борту явился итогом напряженной работы советских ученых, инженеров, врачей и специалистов различных отраслей техники.
6 августа 1961 года был запущен корабль, получивший название "Восток-2", с лётчиком-космонавтом Г.С.Титовым. Полёт продолжался 25 ч. Орбитальный полёт и спуск прошли нормально. На корабле "Восток-2" была установлена профессиональная репортажная кинокамера, доработанная для бортовых съемок. С помощью этой камеры была выполнена 10-минутная съёмка Земли через иллюминаторы корабля.
18 марта 1965 года «Восход-2» стартовал с космонавтами Беляевым и Леоновым. Спустя полтора часа после начала полёта Леонов открыл наружный люк и вышел в открытый космос.
Запуски космических кораблей положили новую эпоху в освоение космоса. В 1962 году конструкторы начали проектировать корабль «Союз», для облёта Луны. Одновременно с советскими учёными космическое агентство США начало разработку лунной программы, они хотели первыми освоить поверхность луны. Были созданы луноходы, для изучения поверхности Луны. Новые ракеты-носители, и космические корабли, например «Аполлон», созданный учёными НАСА, для доставки астронавтов на поверхность Луны. 16 июля 1969 года стартовал Аполлон-11. Лунный модуль прилунился. Нил Армстронг спустился на поверхность Луны 21 июля 1969 года, совершив первую в истории человечества высадку на Луну. Космические корабли не могли обеспечить длительное пребывание на орбите, поэтому учёные стали думать над созданием орбитальной станции.
Орбитальные станции (ОС) были предназначены для долговременного пребывания людей на околоземной орбите, для проведения научных исследований в условиях космического пространства, наблюдений за поверхностью и атмосферой планеты. В 1979 году советские конструкторы приступили к работе над новым типом долговременных орбитальных станций. Над "Миром" работали 280 организаций. Базовый блок был выведен на орбиту 20 февраля 1986 года. Затем в течение 10 лет один за другим были пристыкованы ещё шесть модулей. С 1995 года станцию стали посещать иностранные экипажи. Также на станции побывало 15 экспедиций, из них 14 международных.
I.2 Строение ракеты
Раке́та (от итал. rocchetta — маленькое веретено, через нем. Rakete или нидерл. raket) — летательный аппарат, двигающийся в пространстве за счёт действия реактивной тяги, возникающей только вследствие отброса части собственной массы (рабочего тела) аппарата и без использования вещества из окружающей среды. Виды ракет:
В военной терминологии слово ракета обозначает класс, как правило, беспилотных летательных аппаратов, применяемых для поражения удалённых целей и использующих для полёта принцип реактивного движения. В связи с разнообразным применением ракет в вооружённых силах, различными родами войск, образовался широкий класс различных типов ракетного оружия.
Большинство современных ракет оснащаются химическими ракетными двигателями. Подобный двигатель может использовать твёрдое, жидкое или гибридное ракетное топливо. Химическая реакция между топливом и окислителем начинается в камере сгорания, получающиеся в результате горячие газы образуют истекающую реактивную струю, ускоряются в реактивном сопле (соплах) и выбрасываются из ракеты. Ускорение этих газов в двигателе создаёт тягу — толкающую силу, заставляющую ракету двигаться. Принцип реактивного движения описывается третьим законом Ньютона. Однако не всегда для движения ракет используются химические реакции. В паровых ракетах перегретая вода, вытекающая через сопло, превращается в высокоскоростную паровую струю, служащую движителем. Эффективность паровых ракет относительно низка, однако это окупается их простотой и безопасностью, а также дешевизной и доступностью воды.
Основные части ракеты: несущая конструкция (корпус); двигатели; система подачи топлива ( у жидко - топливных); система движения; система терморегулирования; система энергии; система управления движения
I.3 Принципы работы ракеты
Наука, исследующая силы, действующие на ракеты или другие космические аппараты, называется астродинамикой.
Основные силы, действующие на ракету в полёте: Тяга двигателя. При движении в атмосфере — лобовое сопротивление. Подъёмная сила. Обычно мала, но значительна для ракетопланов. Сила тяжести.
Рассмотрим принцип работы ракеты на примере трехступенчатой лунной ракеты «САТУРН – 5»: Ракето-носитель состоит из нескольких ступеней, объединенных вместе. Каждая ступень обеспечивает разгон на определенном участке, а затем, когда горючее сгорит, отделяется и падает. Масса ракеты уменьшается, и она разгоняется быстрее.
Первая ступень – При отрыве от пусковой установки пять реактивных двигателей первой ступени поднимают «Сатурн-5» высоко в атмосферу
После первая ступень отделяется и падает. Двигатель второй ступени разгоняют теперь уже более легкую ракету. Далее после отработки второй ступени отделяется разгонный блок и вторая ступень и падает. Двигатель третьей ступени выводит на орбиту космический аппарат.
Глава II Конструирование простейшей модели ракеты
II.1 Научное обоснование технических характеристик авторской модели
Для реализации проекта были использованы следующие расчеты и формулы:
Расчет парашюта.
- коэффициент сопротивления - Для стандарного круглого парашюта 0.9
p - Плотность воздуха - Среднее значение у земли 1.2кг/м³
V - Скорость снижения - Мы взяли: 6 м/с
Итого подставив все значения получим:
Расчётная площадь парашюта - 0.71м²
Расчётный диаметр - 0.95м
Диаметр полюсного отверстия – 0,064м
Длина строп – 1,14м
Черновые записи расчёта:
II.2 Параметры моделирования
Для 3д моделирования мы использовали следующие программы: SolidWorks,
Компас-3D, Autodesk 3ds Max, Paint 3D.
II.3 Технология изготовления модели объекта, разработка технологии изготовления различных частей и узлов
1)Первым делом мы смоделировали всю ракету и внутреннею часть в программе «Компас-3D»
Далее мы смоделировали детали для 3д печати. А это – 4стабилизатор, 2 шпангоута, крышка двигателя, якорь, обтекатель.
Подготовка корпуса к покраске и деление корпуса ракеты на спутниковую часть и часть ракетоносителя.
Изготовление парашюта
Общая сборка ракеты и проверка всех деталей.
Оформление ракеты
II.4 Сборка ракеты
Сборка ракеты проводилась по ранее запланированной модели ракетыКонечный вариант модели в собранном виде
Глава III Анализ результатов
Наша гипотеза получила подтверждение: возможно, создать модель ракеты с двумя парашютами, спутником для изучения воздушного пространства.
Данная работа содержит нужную информацию по созданию самодельной ракеты. Знание и умение создавать своими руками ракеты, позволяет изучать верхние слои атмосферы. К тому же чем больше практиковаться в моделировании в различных программах по 3д моделированию дает возможность пользователям качественно и быстро проектировать различные изделия и конструкции с помощью компьютера, что довольно таки ценится в наше время.
Заключение
В данной работе даны рекомендации и примеры по проектированию ракеты с твердотопливным двигателем. К тому же эта тема является особо актуально в мире науки. Сделаны выводы: реактивный двигатель можно использовать и в воздухе, и на воде и на суше, дальность полёта ракеты зависит от вида и состава топлива, а также массы конструкции. Работа в данном направлении будет продолжена – было принято решение усовершенствовать в дальнейшем ракету, с использованием фотонных технологий.
Список литературы, использованного программного обеспечения
Кротов И.В. Модели ракет: Проектирование. –М.:ДОСААФ, 1979
Половинкин А.И. Основы инженерного творчества: Учеб. Пособие для студентов ВУЗов. _ М.: Машиностроение, 1988
Энциклопедия Наука, издательство «Астрель»
. Букш Е.Л. Основы ракетного моделизма. - М.: Изд-во ДОСААФ, 1972.
B.C.Рожков. Спортивные модели ракет. - М.: ДОСААФ, 1984.
П.Эльштейн. Конструктору моделей ракет. Перевод с польского. - М.: Мир, 1978.
Пат. 2362605 РФ. Модельный ракетный двигатель / Казанцев И.Л., Казанцев Л.В. // Бюл. - 2009. - № 21