Foguete de Amperka, parte 1: A teoria dos motores de foguete. Combustível doce

Introdução

Olá! Somos a equipe do canal Amperka no YouTube, no estúdio e vimos vídeos de projetos e peças de ferro. No entanto, em algum momento, tudo mudou.







Sob o corte - a história da construção do nosso foguete.



Era primavera de 2020 e a quarentena de auto-isolamento não poupava ninguém. Inclusive nós, excomungados do estúdio, para não ficarmos expostos ao perigo de infecção por um bacilo no exterior. Foi durante esse período que as velhas idéias começaram a ser ativadas em minha mente para fazer o que eu queria por um longo tempo, mas que foi colocado em segundo plano "quando chegar a hora". Finalmente, chegou a hora, e dessa mesma caixa foi extraída a idéia de construir seu próprio foguete, também estimulada pelo recente comissionamento bem-sucedido de um “trampolim” da SpaceX.



Como não será possível fazer um projeto tão sério de uma só vez, dividiremos por conveniência em suas partes componentes (a lista será atualizada à medida que trabalhamos):

1. Parte 1. A teoria dos motores de foguete. Combustível doce
2. Parte 2: Carcaça do motor, cálculo dos bicos
3. Parte 3: Torneamento, acabamento de estandes, eletrônica

Também pedimos que você leve em consideração que artigos, como séries, são lançados não de acordo com as etapas concluídas, mas de acordo com o tempo, ou seja, o que fizemos em uma semana, escrevemos / mostramos.



A ciência dos foguetes, em geral, é uma ciência complexa, complexa e multifacetada. Não tínhamos experiência relevante, não nos formamos em instituições nessa direção, mas temos mãos, cabeça, desejo - e isso já é muito, então, como costumava dizer Yuri Alekseevich, vamos lá.

Teoria da TTRD

O que é a propulsão a jato (para aqueles que, de repente, não sabem), não diremos muito: em poucas palavras, esse é o movimento devido ao arremesso da massa na direção oposta à direção do movimento. Não falaremos sobre todos os tipos de projetos exóticos de motores como nuclear, íon e outros como eles - um não é projetado para funcionar na atmosfera, outros são muito complexos e não são reproduzíveis em condições amadores etc., portanto, focaremos em projetos simples, mas acessíveis a um simples leigo. , que, se desejado, pode ser repetido quase em casa, ou seja, químico. Nesses motores, a corrente de jato é obtida devido à reação química do combustível e do oxidante (em alguns casos, o oxigênio atmosférico pode desempenhar o papel do oxidante).



Assim, os motores químicos (CRD), de acordo com o estado agregado do combustível, são classificados em líquido (LPRE) e combustível sólido (TTRD), portanto, escolheremos eles. Os LPREs são muito convenientes, pois permitem controlar o impulso, mas requerem o uso de sistemas complexos de bicos na câmara de combustão e sistemas de suprimento de combustível não menos complexos em seu design. Projetar um motor de foguete líquido sozinho, mesmo o mais primitivo, levará meses e, portanto, essa não é a nossa opção. Uma alternativa pode ser um motor turbojato, devido à simplicidade de seu design e à redução significativa dos requisitos de combustível. Sim, não poderemos dosar com precisão os desejos. Mais precisamente, não seremos capazes de dose nenhuma. No entanto, existem alguns aspectos sobre os quais podemos jogar, e isso será discutido mais adiante.

Combustíveis mistos

O primeiro e, consequentemente, combustível primitivo dos foguetes foi a pólvora: primeiro com fumaça e depois sem fumaça. Os chineses, tendo inventado essa mistura combustível, rapidamente perceberam que não só podiam produzir um estrondo e muita luz, mas também empurrar o projétil, queimando gradualmente dentro dele. Obviamente, há pouco sentido nisso, é adequado apenas para fogos de artifício, e o impulso específico deixa muito a desejar. A evolução do pó sem fumaça tornou-se formulações homogêneas à base de nitrocelulose (um componente). Eles são bastante despretensiosos em armazenamento e operação e também são ecologicamente corretos, mas ainda têm a mesma desvantagem na forma de um impulso específico fraco.



Composições mistas de combustível e oxidante mostram resultados muito melhores. Na maioria das vezes, agentes oxidantes feitos de percloratos com um combustível feito de pó de metais e polímeros ou o "combustível de caramelo" amplamente conhecido nos círculos de modeladores amadores, onde nitratos (salitre) e carboidratos complexos (açúcar, sorbitol) são usados ​​como combustível. ... É precisamente as duas últimas opções (perclorato e caramelo) que escolhemos como objetos de teste para o nosso foguete.

Cálculo do motor

A característica mais importante do combustível sólido é sua taxa de combustão; geralmente esse valor é uma constante para uma determinada composição de combustível. A combustão se espalha pela superfície. Se simplesmente incendiarmos o final do manípulo de combustível cilíndrico, obteremos combustão de ponta a ponta, o que fornecerá um desgaste uniforme a longo prazo; no entanto, não funcionará para obter impulso suficiente para levantar o foguete no ar. Para aumentar a eficiência, é necessário criar um canal no combustível através do qual a combustão se propague, aumentando assim sua área. Também deve-se ter em mente que, à medida que o canal queima, o perfil do canal muda, portanto, a área efetiva muda. É claro que você pode experimentar diferentes perfis por um longo tempo; no entanto, tudo isso já foi feito antes de nós e está incluído em um conveniente kit de ferramentas de software.







Você pode inserir todos os parâmetros necessários no programa e obter os gráficos de empuxo que o foguete irá desenvolver. Na coluna de configuração Grain, sob o ponto de interrogação, há um manual descritivo em vários perfis de canal.















Empiricamente, usando várias configurações de canal, encontramos os parâmetros ideais para o nosso foguete. Para obter os mesmos indicadores, é necessário inserir os seguintes valores:







Escolhemos a forma do canal queimador de lua. O Smart Meteor, levando em consideração os dados inseridos, construiu o seguinte gráfico para nós:







A partir deste diagrama, entendemos que o motor receberá um bom chute desde o início e desenvolverá uma tração muito boa durante todo o tempo de operação. De acordo com os cálculos do programa, o valor de pico de empuxo era quase 312 N a uma pressão de pico de 24,5 bar. Os valores médios foram encontrados em torno de 265 N e 19,5 bar, respectivamente.



Outra vantagem indiscutível do programa é a capacidade de exportar diretamente os valores calculados para outro programa que não é menos útil para nós - o OpenRocket , com o qual calcularemos a estabilidade do foguete, cauda, ​​equilíbrio e outros indicadores importantes, mas isso será na próxima série.



No entanto, um cientista novato em foguetes não está vivendo apenas com combustível. O bico é igualmente importante. De acordo com esse princípio, as vias de taxi são divididas em bicos e sem bicos. Tecnicamente, estes últimos têm um bico subsônico, que é essencialmente apenas um orifício ou cone na parte inferior do motor. É chamado subsônico pelo motivo de que os gases que fluem através dele não conseguem alcançar, e mais ainda, exceder a velocidade do som, não importa quanto a pressão na câmara de combustão aumente, a hidrodinâmica nos fala sobre isso. E a física, como você sabe, não pode ser pisada. No entanto, devido à sua simplicidade, esses bicos são utilizados em pequenos foguetes amadores, bem como em fogos de artifício. Mas estamos fazendo um foguete, o que significa que os bicos subsônicos não são o nosso caminho.



Uma solução alternativa é o bico supersônico ou, como também é chamado pelo nome do inventor, o bico Laval. Em uma versão simplificada, é representado por dois cones truncados, conjugados por extremidades estreitas. A interface é chamada de ponto crítico.







O princípio de operação se assemelha ao princípio no qual o refrigerador trabalha: os gases que passam por um "gargalo estreito" e entram em um grande volume são fortemente resfriados, devido ao qual seu volume diminui, o que leva a um aumento na taxa de vazão. Como resultado, devido à diferença no diâmetro da saída, obtemos na saída um jato de gás movendo-se a uma velocidade supersônica. Assim, usando o bico Laval, aumentamos significativamente a eficiência do foguete.



A propósito, o Meteor faz cálculos, assumindo que um bico supersônico esteja instalado no motor, cujo cálculo e fabricação também serão deixados para a próxima versão.

Assim, temos as características, parâmetros e dimensões do motor, podemos começar a cozinhar combustível.

Fazendo palitos de combustível

Nosso primeiro combustível será o caramelo, vamos cozinhar a partir de sorbitol e nitrato de potássio. O sorbitol está disponível sem receita e é usado como adoçante. Nitrato de potássio pode ser encontrado no departamento de jardinagem, mas como é bastante sujo, compramos um h / chda em Ruskhim .



A maneira mais simples é moer os componentes até obter um pó fino e misturar, mas o combustível continua fluindo livremente e não mantém sua forma. Decidiu fundir os componentes. Alguns amadores destemidos fazem isso em panelas, em fogo aberto, mesmo em fogo, mas nossos dedos e olhos são caros para nós. Teremos que fazer um aquecedor com temperatura controlada e um banho de areia, para o qual precisamos:

• o fogão elétrico mais barato da Leroy
• relés de estado sólido
• Módulo de termopar tipo K
• arduino
• potenciômetro
• exibição
• tigela de evaporação
• assadeira de FixPrice
• sal de areia

Jogamos fora o regulador nativo do fogão e colocamos um relé de estado sólido no corte, que controlaremos através do Arduino, ao qual conectamos uma tela e um potenciômetro para ver a temperatura atual e poder ajustá-lo. Faça um buraco na assadeira e insira o termopar. Preencha a forma com areia até a metadesal (não havia areia na mão, mas havia um supermercado por perto, isso não afetaria a qualidade). Isso é necessário para criar um ambiente com alta inércia térmica. A propósito, é melhor tomar o sal "extra", pois o sal maior começa a se dividir e disparar em diferentes direções quando aquecido, produzindo Stalingrado. No centro do banho de sal, coloque uma tigela de evaporação, colocando primeiro uma sonda de termopar sob o fundo. Controlaremos o processo através do primeiro controlador de relé do Arduino. Verificamos a diferença de temperatura entre as leituras do termopar e a temperatura da tigela com um pirômetro, e fazemos os ajustes apropriados.







Meteor cuidadosamente calculou a massa de combustível, que era de 838g, vamos levá-lo com uma margem, ainda será útil. Foi decidido fazer uma carga de combustível de várias peças para facilitar a fabricação. Em seguida, você pode simplesmente colá-los e inseri-los no compartimento do motor.



Não se esqueça das precauções de segurança : não deve haver fontes de fogo aberto, objetos quentes ou algo próximo ao combustível que possa causar incêndio.



Tomamos em peso 65% de nitrato de potássio e 35% de sorbitol, despeje cuidadosamente em uma tigela e adicione um pouco de água. Isso acalma os nervos e elimina a necessidade de triturar os componentes em pó, pois eles já se dissolvem e misturam bem na água. Colocamos no fogo, ajustamos a temperatura e esperamos, mexendo sempre. Gradualmente, o mingau resultante derreterá e se tornará como aveia. É necessário esperar até que todo o excesso de água evapore (isso pode ser entendido pela saída interrompida de bolhas ferventes).











Então, precisamos agir de forma decisiva: pressionaremos o combustível em um tubo de PVC pré-preparado para abastecimento de água, fixado em um suporte com uma fixação interna para um eixo redondo.



















Depois de remover o eixo, teremos apenas um canal de fusível ao longo de todo o comprimento do verificador. É conveniente pressionar com um porta-broca, este foi muito bem encontrado no estúdio. É importante pressionar o combustível de forma que não haja bolhas e cavidades dentro do verificador, caso contrário, isso afetará negativamente a combustão.



Deixamos de lado o cano com combustível e o deixamos esfriar. Em seguida, pode serrar e o verificador pode ser retirado. Fizemos várias peças, vamos queimar uma delas para fins de experimento.







Na próxima parcela, trataremos da carcaça do motor, do bico e da bancada de testes.

Enquanto isso, estamos preparando, recomendo a leitura do livro a seguir sobre o projeto de mísseis. A maioria das informações foi recolhida.



Toda a série como um todo: