VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Создание модели Ракеты «Амора - 1»
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
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» и затем ракету «Амора -1». Изучение необходимой литературы и подбор оборудования для реализации проекта, само исследование сборка проводилось во внеурочное время 2019 года. На базе детского технопарк «Кванториум – Фотоника» г.Перми.
При выполнении работы нам предстоит решить следующие задачи:
Познакомиться с историей ракетостроения;
Изучить материалы о физических принципах работы ракеты, о её конструкции и прочем;
Сделать конструкторскую документацию и математические расчеты;
Смоделировать ракету по чертежам в программе Autodesk Fusion 360 и распечатать детали на 3D принтере;
Собрать модель;
Проведение предварительных испытаний спутника и ракетоносителя.
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.
Объект исследования: модель ракеты «Амора - 1» с установленным 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.
Гипотеза: Возможно ли, запустить ракетоноситель со спутником на высоту не менее 200 м с системой спасения, работающей от вышибного снаряда. Спутник же должен регистрировать высоту полёта, показывать видеофрагменты паллета Online, скорость, ускорение и горизонтальное Удаление от точки старта.
В дальнейшей работе подробно описано устройство и принцип действия модели ракеты и обоснование принятого технического решения.
ВВЕДЕНИЕ
В наши дни идет активная популяризация науки. Ракетостроение – не исключение. Проводится множество конкурсов и лекций на эту тему, создаются технические секции по ракетостроению. Космоквантум – один из них. На базе детского технопарка «Кванториум – Фотоника» г.Перми нам удалось изучить теорию и экспериментально проверить физические законы в действии. Также испытать современное оборудование, датчики.
Актуальность. На уроках физики в старших классе мы изучаем реактивное движение, законы Ньютона и Закон сохранения импульса. Учебники не предполагают предоставления практического материала, а только теорию. На практике создание ракеты поможет понять и усвоить тему Реактивное движение.
Оригинальность идеи. Был подобран особый дизайн 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. Так же спутник у нас состоит на базе мини компьютера Arduino.
Мы взяли дополнительную проектно-исследовательскую задачу:
Создание системы, обеспечивающей поиск приземлившейся конструкции РН в условиях отсутствия прямой видимости на удалении до 1 км от точки старта.
Цель работы: Создание и проведение пуска ракеты-носителя и аппарата с массогабаритными характеристиками, соответствующими «спутнику» по регламенту конкурса, необходимой электроникой для регистрации полетных данных, а также параметров атмосферы.
Задачи:
Изучить техническую литературу о существующих ракетах (назначении, виды, конструкции, физические принципы работы).
Обосновать выбор конструктивной схемы ракеты и спутника.
Выбрать схему подключения электрокомпонентов спутника.
Спроектировать и рассчитать составные части ракеты. (головной обтекатель, приборный отсек, корпус, парашют, ракетный двигатель, лонжероны конструкции, стабилизаторы), а также пускового стола с пусковым устройством.
Смоделировать 3D модели всех составных частей ракеты в программе Autodesk Inventor Professional 2019 и изготовить необходимое.
Собрать спутник и ракету-носитель, изготовить пусковой стол и пусковое устройство.
Произвести огневые испытания модели ракеты, пускового стола с пустковым устройством, а также испытать работоспособность системы спутника.
Гипотеза: Возможно ли, запустить ракетоноситель со спутником на высоту не менее 200 м с системой спасения, состоящей из двух парашютов и вышибного снаряда, регистрируя высоту полёта, скорость, ускорение и горизонтальное удаление от точки старта.
Ожидаемый результат: Собранная модель ракеты с системой спасения и спутником. Успешный запуск со специально разработанной самостоятельной пусковой установки.
Завершение проекта: Модель ракеты с системой спасения и спутник фиксирующий данные и производящий видео съемку. Готовый стартовый стол и пусковое устройство.
Глава I Анализ литературы о ракетостроении
I.1 История возникновения ракетостроения
Строение и работа ракеты.
Ракета— летательный аппарат тяжелее воздуха, движущийся за счет реактивной силы, возникающей при отбрасывании части собственной массы (истекающей из двигателя струи газов, образованных при сгорании топлива).
По количеству ступеней: одноступенчатые и многоступенчатые. Одноступенчатых ракет-носителей, выводящих полезную нагрузку в космос, еще не создано, хотя имеются проекты различной степени проработки («КОРОНА», HEAT-1X и другие). В некоторых случаях как одноступенчатая может классифицироваться ракета, имеющая в качестве первой ступени воздушный носитель либо использующая в качестве таковой ускорители. Среди баллистических ракет, способных достичь космического пространства, немало одноступенчатых, в том числе и первая баллистическая ракета «Фау-2»; однако ни одна из них не способна выйти на орбиту искусственного спутника Земли.
По типу соединения ступеней: последовательное или поперечное, параллельное, комбинированное. При продольной компоновке ступени расположены одна за другой и работают в полёте поочерёдно (РН «Зенит-2», «Протон», «Дельта-4»); при параллельной компоновке несколько блоков, расположенных параллельно и относящихся к разным ступеням, работают в полёте одновременно (РН «Союз»).
По принципу полета: аэродинамические, баллистические, космические.
По наличию несущих плоскостей: крылатая и бескрылая.
По типу управления: управляемые (боевые), неуправляемые (снаряд «Катюша»).
I.2 Строение управляемой ракеты.
Несущая конструкция или корпус. Соединяет все части ракеты в цельную конструкцию. Внутри – отсеки, аппаратура; снаружи – стабилизаторы. Включает в себя головной обтекатель, корпус (приборный отсек), двигатель (и сопло).
Двигательные системы:
Жидкотопливный двигатель. Ракета летит дальше, так как тяга-импульс может меняться из-за турбонасосного агрегата.
Твердотопливный двигатель. Двигатель – корпус. Импульс-тяга постоянная, поэтому летим меньше.
Системы управления движением.
С табилизаторы или аэродинамические рули.
Газодинамические рули.
Вдув газа в закритическую часть сопла.
Шатание головной части у боевых ракет.
Гироскоп.
Системы электропитания. Аккумуляторы, чтобы привести все органы управления в рабочее состояние.
I.3 Принципы работы ракеты
Раздел небесной механики, изучающий движение искусственных небесных тел, называется астродинамикой. Основные силы, действующие на ракету в полёте: тяга двигателя; при движении в атмосфере — лобовое сопротивление; сила тяжести.
Реактивная тяга — сила, возникающая в результате взаимодействия реактивной двигательной установки с истекающей из сопла струёй расширяющейся жидкости или газа, обладающих кинетической энергией.
, где m – масса сгоревшего топлива; V – скорость сгорания топлива.
При работе реактивного двигателя реализуется III закон Ньютона: действию всегда соответствует равное противодействие, и оно направлено в противоположную сторону.
Чтобы увеличить скорость ракеты, нужно увеличить скорость сгорания газов. Исходя из формулы, это можно сделать двумя способами:
Увеличить секундный расход топлива. Но это требует увеличения запасов топлива.
Изменить форму и размеры сопла.
Аэродинамика – сопротивление воздуха. Сопротивление тела зависит от площади его поперечного сечения, скорости движения и плотности воздуха.
, где Q – аэродинамическое сопротивление; V – скорость тела; S – площадь поперечного сечения; ρ – плотность воздуха.
Чем больше площадь поперечного сечения, тем больше сопротивление. Чем больше плотность воздуха, тем труднее в нем двигаться. При увеличении скорости движения сопротивление возрастает пропорционально квадрату скорости.
На величину лобового сопротивления влияет форма ракеты: профиль обтекателя головной части, длина корпуса, площадь и сечение стабилизаторов, геометрия хвостовой части. Форма кормовой части влияет на величину донного сопротивления. Представляет собой сопротивление давления и является следствием донного разрежения за кормой. Геометрические показатели ракеты принято характеризовать диаметром миделевого сечения и удлинением (отношение длины корпуса к миделю). Оперение составляет половину сопротивления всей ракеты. Форма профиля оперения, так же, как и форма корпуса, может быть дозвуковой и сверхзвуковой. В любом случае применяется симметричный профиль.
Устойчивость ракеты.
Аэродинамическая сила – сумма всех побочных сил, действующих на ракету. Сила тяжести действует в сторону противоположную тяге и приложена к ЦТ (центр тяжести). Аэродинамическая сила приложена к ЦД (центр давления) и противоположна набегающему потоку. Все побочные силы пересекаются в ЦД. Устойчивость – способность модели возвращаться в положение равновесия, нарушенное внешними силами. Модель должна быть стабилизирована по углу атаки. Если ЦТ выше ЦД, то модель устойчивая.
Отношение расстояния между ЦТ и ЦД – запас устойчивости. Для крылатой ракеты со стабилизаторами он должен быть 5%-15%. В полете при выгорании топлива центр тяжести перемещается к носу. Увеличение площади стабилизаторов приводит к смещению ЦД к корме.
Глава II Конструирование модели ракеты
За основу мы взяли макет
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 - 1.02м²
Расчётный диаметр – 1,14м
Диаметр полюсного отверстия – 50мм
Длина строп – 2,20м
Обоснование выбора стабилизатора
Устойчивость полёта ракеты в воздухе во многом обеспечивают стабилизаторы, которые устанавливаются на самый конец ракеты, причём они должны быть установлены как можно ближе к краю - это обеспечивает наибольшую устойчивость ракеты в полёте. Стабилизаторы могут быть совершенно различной формы. На рисунке изображены стабилизаторы, обеспечивающие наибольшую устойчивость. Однако, требуемые размеры и форма стабилизаторов во многом зависят от характеристик самой ракеты, от таких как: аэродинамика, скорость полёта, место расположения двигателя и даже температура двигательного отсека, т.к. он находиться приблизительно там же, где закреплены стабилизаторы.
Аэродинамика ракеты определяет форму стабилизаторов, т.к. при различной длине корпуса ракеты их размах может быть различным. Например, если корпус слишком короткий, но толстый, то размах стабилизаторов следует сделать большим, нежели для длиной ракеты, т. к. вам известно, чем длиннее форма тела и чем она тоньше, тем более устойчива и прямолинейна траектория его полёта. Очень большую роль играет скорость полёта ракеты.
Стабилизаторы нужны ракете, чтобы лететь прямолинейно. Если стабилизаторы рассчитаны неправильно, ракета оказывается аэродинамически нестабильной и кувыркается в воздухе. Существует единственное правило, гарантирующее стабильность ракеты - Центр Тяжести (ЦТ) должен быть выше (ближе к голове), чем Центр Давления (ЦД). Это правило действует для всех неуправляемых ракет, включая и те, у которых двигатель расположен в голове ракеты, например пиротехнические ракеты на рейке.
Определения Центра Тяжести ракеты
ЦТ определяется простым уравновешиванием ракеты на пальце. При этом ракета должна быть полностью собрана в таком виде, как она уйдёт в полёт, т.е. со снаряженным двигателем, парашютом, стабилизаторами и т.д. Вместо двигателя или других частей можно использовать точные масово-габаритные модели. Поскольку размер стабилизаторов на этот момент ещё не посчитан, мы не можем точно задать их массу и точно определить ЦТ ракеты. Нужно использовать грузы, примерно равные по весу будущим стабилизаторам, найти ЦТ, использовать его в дальнейших расчётах стабилизаторов, по результатам расчётов скорректировать вес этих грузов и ещё раз проверить правильность расположения ЦТ и ЦД
Определение Центра Давления
Простой, хотя и не очень точный метод - метод боковой проекции (центр аэродинамической проекции, ЦАП). Нужно вырезать из картона профиль ракеты и найти его Центр Тяжести, это и покажет, где находится Центр Давления ракеты. Этот метод использовался в докомпьютерную эру в детских кружках. (рис.5)
Казалось бы, чем больше запас стабильности, тем лучше, однако это не так. Чем больше запас, тем сильнее ветер отклоняет ракету от вертикальной траектории, ведь ракета ведёт себя как флюгер и поворачивается носом навстречу ветра.
Форма, изготовление и крепление стабилизаторов
Теоретически, чем дальше от носа ракеты находятся стабилизаторы, чем ниже они вытянуты (номер 1 на рисунке), тем сильнее они опускают Центр Давления вниз. А, значит, для оптимального запаса стабильности потребуются стабилизаторы меньшей площади, они будут давать меньшее аэродинамическое сопротивление и меньше весить. Но такие стабилизаторы сломаются в первом же полёте, когда ракета, весящая несколько килограммов, ударится ими о землю со скоростью 10 м/с. Поэтому такую форму можно встретить только на маленьких лёгких модельных ракетах, спускающихся очень медленно. Форма 2 также неудачна, потому что большой размах уменьшает жёсткость стабилизаторов и они легко могут поймать флаттер. Кроме того, маленькая длина прилегания к корпусу ракеты уменьшает прочность крепления стабилизатора. Стабилизаторы 3 и 4 достаточно жёсткие и прочно держатся за корпус, но могут сломаться при ударе о землю, хотя вероятность этого ниже, чем у 1 или 2. Оптимальной я считаю форму 5, где нижний край стабилизатора отодвинут от кормы ракеты на 10-15 мм, а нижнее ребро уходит немного вверх. При такой конфигурации ракета приземляется на корму или на двигатель, выступающий из кормы, а стабилизаторы выведены из-под удара.
Чертеж нашего стабилизатора
Головной обтекатель
Головной обтекатель — передняя часть ракеты или самолёта. Имеет форму, обеспечивающую наименьшее аэродинамическое сопротивление. Головные обтекатели также могут разрабатываться для подводного или очень быстрого наземного движения. На ракетах головной обтекатель состоит из камеры, в которой содержится полезная нагрузка (например, спутник), и внешней поверхности, рассчитанной на воздействие высоких температур. Наиболее фундаментальные исследования сверхзвуковых полетов привели к созданию обтекателей для спускаемых космических аппаратов и для ядерных боеголовок. Обычно обтекатели имеют форму конусообразного тела вращения.
Разновидность Головных обтекателей
II.2 Параметры моделирования
Для моделирования мы использовали следующие программы: SolidWorks,Компас-3D, Corel и AutodeskInventor:
II.4 Спутник. Обоснование выбора технического решения
Внешняя конструкция спутника представляет собой силовую балку с двумя закреплёнными шпангоутами на концах. В нижней части спутникового отсека закреплены три литий-ионные батареи типа 18650, соединённые последовательно. Напряжение при полном заряде 12 вольт. Питание подаётся через бортовой вольтметр к главному компьютеру, а также питание независимо подаётся к передатчику изображения камеры (к телеметрии).
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»
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
6А Проведение испытаний парашюта
7)Общая сборка ракеты и проверка всех деталей.
8)Оформление ракеты
Конечный вариант модели в собранном виде
Глава III Результаты тестов и испытаний аппарата
В ходе огневых испытаний было произведено 4 запуска аппарата.
Все запуски проведены успешны. Все системы спасения сработали в штатном режиме.
По показаниям датчиков было выявлено, высота полёта свыше 250 метров. Скорость ракеты достигала 70 м/сек. Ускорение при взлёте около 80 м/
Вывод: На данном этапе работу можно признать удовлетворительной
Заключение
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.
В данной работе даны рекомендации и примеры по проектированию ракеты с твердотопливным двигателем. К тому же эта тема является особо актуально в мире науки. Потому что, даже ребенок может собрать похожую ракету и установить в спутник различные датчики, которые смогут передавать телеметрию на землю к самому пользователю, а уже на основе полученных данных можно будет делать особые выводы, которые сделают не малый шаг в развитии.
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.
Список литературы, использованного программного обеспечения
Букш Е.Л. Основы ракетного моделизма. - М.: Изд-во ДОСААФ, 1972.
Пат. 2362605 РФ. Модельный ракетный двигатель / Казанцев И.Л., Казанцев Л.В. // Бюл. - 2009. - № 21
Кротов И.В. Модели ракет: Проектирование. –М.:ДОСААФ, 1979
Половинкин А.И. Основы инженерного творчества: Учеб. Пособие для студентов ВУЗов. _ М.: Машиностроение, 1988
Рожков. B.C. Спортивные модели ракет. - М.: ДОСААФ, 1984.
Эльштейн. Конструктору моделей ракет. Перевод с польского. - М.: Мир, 1978.
Энциклопедия Наука, издательство «Астрель»