VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Действующая модель ракеты
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Мы давно увлекаемся компьютерными технологиями, работаем в различных программах, занимаемся программированием. Но наша главная мечта - создать свою модель ракеты. Поэтому в школе посещаем кружок «Ракетомоделирования». Мы хотим посвятить свою жизнь космонавтике, тем более что в нашей области построен космодром «Восточный», на котором производят успешные запуски ракет и спутников.
Цель проекта: создать действующую модель ракеты при помощи 3D-печати на 3D-принтере WANHAO Duplicator i3.
В 2017 г. в нашей школе появился 3D-принтер WANHAO Duplicator i3, что расширило наши возможности по созданию моделей ракет. Мы задались целью спроектировать 3D-модель ракеты и запустить ее в небо.
Актуальность темы:
В процессе работы мы узнали, что создание космических ракет на 3D-принтере теоретически гораздо проще, что позволит создавать эффективные конструкции при более высокой скорости процесса. Инновационные методы печати позволят сократить количество деталей со ста тысяч до одной тысячи.
При помощи 3D-печати можно создавать корпус ракеты, двигатели, рули, части системы наведения на цель и многое другое.
Стоит отметить, что прогресс в области развития технологии 3D-печати движется довольно быстро. Трехмерная печать обладает большим количеством достоинств. К примеру, вы можете быстро изменить дизайн изделий и уменьшить расходы за счет производства на месте и отказа от транспортировки.
Если же говорить о ракетах, то уже сейчас лишь 3D-печать микросхем представляет для инженеров сложность, однако данная проблема решается, к примеру, современные 3D-принтеры уже в состоянии создавать простые электронные цепи. Одновременно с этим трехмерные принтеры имеют уникальные возможности, к которым можно отнести создание боевых частей сложных форм, которые трудно производить при помощи традиционных технологий.
3D-принтеры создают объекты путем «аддитивной формовки» — наложения жидкого полимера слой за слоем. Как правило, такой гаджет представляет собой что-то вроде гибрида струйного принтера с клеевым пистолетом. Пластиковая нить подается в разогретую печатную головку, из которой выдавливается уже горячая жижа. На открытом воздухе она быстро остывает и твердеет.
Наиболее популярен пластик ABS — это прочный и дешевый материал. Кроме того, вынутые из принтера изделия, слепленные из него, легко обрабатываются привычными инструментами. Впрочем, у ABS имеются и недостатки. Из печатной головки он вытекает в виде густого сиропа, схватывается медленно, а при затвердевании дает усадку.
Для своих ракет мы использовали пластик PLA. Обычно с этим полимером работать сложнее, чем с ABS, но зато он более прочный и точность печати больше. Он быстрее схватывается, так что его слои можно накладывать на подложку без предварительного подогрева, не опасаясь, что деталь покоробится.
Этапы работы:
Для работы мы определили и выполнили следующие этапы создания модели:
Чертеж. Разработали чертеж по размерам, подходящим под диаметр двигателя ракеты и парашютный отсек.
Рис.1 Чертеж ракеты
Летающая модель ракеты приводится в движение с помощью ракетного двигателя и поднимается в воздух, не используя аэродинамическую подъёмную силу несущих поверхностей (как самолёт), имеет устройство для безопасного возвращения на землю.
Стартовая масса ракеты — это масса модели с двигателями, с системой спасения и полезным грузом. Ступенью модели ракеты называется часть корпуса, содержащая в себе один или более ракетных двигателей, спроектированная с учётом её отделения в полёте. Часть модели без двигателя не является ступенью.
Ступенчатость конструкции определяют на момент первого движения от стартового двигателя. Для запуска модели ракет следует применять модельные двигатели (МРД) на твёрдом топливе только промышленного производства. Конструкция должна иметь поверхности или устройства, удерживающие модель на заранее намеченной траектории взлёта.
На всех ступенях модели и отделяющихся частях необходимо устройство, замедляющее спуск и обеспечивающее безопасность приземления: парашют, ротор, крыло и т.д. Парашют может изготовляться из любых материалов, а для удобства наблюдения иметь яркую окраску.
Любая летающая модель ракеты имеет следующие основные части: корпус, стабилизаторы, парашют, направляющие кольца, головной обтекатель и двигатель. Поясним их назначение. Корпус служит для размещения парашюта и двигателя. К нему крепят стабилизаторы и направляющие кольца.
Стабилизаторы нужны для устойчивости модели в полёте, а парашют или любая другая система спасения — для замедления свободного падения. С помощью направляющих колец модель устанавливают на штангу перед стартом. Для придания модели хорошей аэродинамической формы верхняя часть корпуса начинается головным обтекателем.
Двигатель — «сердце» модели ракеты, он создает необходимую тягу для полёта.
Создание частей модели ракеты в программе Blender в объеме.
Для более точной и удобной работы модель поделена на три части: нижняя часть с отверстием для двигателя, средняя ступень и часть модели для парашютного отсека.
Путем конвертирования объектов в редактируемую сетку, были изменены вершины цилиндра и, таким образом, получился обтекатель.
Для создания обтекателя маршевой ступени из цилиндра была вырезана цилиндрическая полость, при помощи логических операций «Boolean». Далее внутрь полости при помощи логических операций был добавлен объект «цилиндр», который имитирует часть системы воздушного прямоточного реактивного двигателя. Вершины «цилиндра» были изменены через конвертирование в редактируемую сетку.
Стабилизаторы были сделаны «выдавливанием». Далее они были конвертированы в редактируемую сетку, а вершины были поправлены по изображению на чертеже.
Соединительный элемент для ступеней был сделан из цилиндров и коробки путем объединения их в одну деталь.
Рис.2. Создание в программе Blender частей модели ракеты
Печать модели. Напечатали на 3D-принтере WANHAO Duplicator i3 модель в три этапа и заняла несколько дней.
Следующим этапом создания модели стало масштабирование объекта до нужных нам размеров и нарезка для печати.
Модель ракеты была напечатана методом послойного экструдирования пластика «PLA» на 3D-принтере WANHAO Duplicator i3. Модели загружены на принтер управляющими программой «WANHAO - i3», в них детали были разбиты на слои для последующей печати.
После печати модель была обработана наждачной бумагой для сглаживания граней модели и придания округлости форм.
Рис.3. Работа в программе 3D-принтера
Рис.4. Файлы для печати
Рис.5. 3D-печать модели ракеты
Сбор модели. Для соединения деталей использовался клей «Момент кристалл» по причине отсутствия следов и достаточно прочного соединения, в специальные отверстия установлены двигатель и парашют. На следующий этап запланирован запуск ракеты.
Рис.6. Готовая модель ракеты
Этап разбора ошибок и модернизация.
Выводы и результаты
По результатам проделанной нами работы была изучена история создания ракет.
Мы разработали и сконструировали стендовую модель ракеты, которая также включает в себя компоновку расположения прямоточного воздушно-реактивного двигателя. В программе Blender произвели помодульное построение корпусов модели ракеты. Создали управляющую программу послойной печати для 3D принтера.
Таким образом, создана при помощи 3D-печати действующая модель ракеты. Цель - достигнута.
Данная модель может служить наглядным пособием для знакомства с историей развития и становления космической промышленности, может применяться в качестве наглядной модели для кружка «Ракетомоделирование» в школе, для выставок по ракетомоделизму, а также для соревнований, в том числе международных, которые проводятся ежегодно между обучающимися нашего города и города Хейхэ, Китайская Народная Республика.
Используемая литература:
Материалы сайта 3DToday.
Источник: Википедия.
Материалы сайта Ассоциация 3D-моделирования.