Как сделать ракету за 5 минут

Добавил пользователь Дмитрий К.
Обновлено: 04.10.2024

Ракетостроение, даже не ракетомоделизм из кружков (Model Rocketry или High Power Rocketry), пожалуй отличное хобби для технаря, и, конечно айтишника. Даже сам Джон Кармак (один из создателей Doom, кто не знает) в детстве занимался ракетостроением, что уже после id Software переросло в свою ракетную компанию Armadillo Aerospace.

Конструкция ракеты

Конструкции большинства ракет в основном схожи между собой. Они удовлетворяют в большинстве случаев, так скажем, идеальной "эмпирической ракете":

длина ракеты полная: L= 15~25 D

длина головного обтекателя: Ln = 2.5~3.5*D

размах стабилизатора: S = 1~2*D

общая площадь стабилизаторов: F= 0,7~0,8*A,где A=L*D - площадь продольного сечения корпуса,

запас устойчивости: k = 1,5~3*D

В зависимости от поставленных целей и используемых компонентов параметры ракеты могут варьироваться, конечно же, но почти всегда укладываются в вышеобозначенные границы.

В моём случае размер ракеты будет определяться исходя из размеров двигателя, парашюта и электроники. Чтобы уместить всё в корпусе ракеты я использую трубу диаметром в 50мм. Трубу можно сделать, в идеале, из стеклопластика, а можно взять ПП канализационную трубу - она сравнительно прочная и лёгкая. Головной обтекатель также делается из этой же трубы - вырезается "корона" (длиной в 2-3 диаметра ракеты) и склеивается вместе, образуя параболическую форму. Хотя, конечно есть и другие варианты - выточить обтекатель из деревянной заготовки на токарном станке или распечатать его на 3D-принтере. Обтекатель должен быть максимально правильной формы, гладким - это необходимо для снижения аэродинамического сопротивления ракеты и снижения вредных срывных течений в носовой части ракеты.

Стабилизаторы стоит изготавливать из достаточно лёгкого, но прочного материала. Например пластика, фанеры или бальзы. Форма и размер стабилизаторов зависят от размеров ракеты, а если быть точным, то от расположения центра тяжести ракеты и центра давления.

Модель устойчивости ракеты Rocki об устойчивости ракеты

Ракета никогда не летит прямо, а все время поворачивается от направления полета то в одну, то в другую сторону, т.е. рыскает. На ракету набегает встречный поток воздуха, направление которого строго противоположно направлению полета. Получается, что ракета все время поворачивается боком к набегающему потоку на некоторый угол. В аэродинамике такой угол называется углом атаки. Мы уже установили, что ракета, как любое твердое тело, поворачивается относительно ЦТ, но результирующая сила давления воздуха приложена совсем к другой точке, т.е. к ЦД. Если ракета имеет симметричную форму относительно оси, то ЦД потока воздуха расположен на оси ракеты. Если ЦД расположен ближе к хвосту ракеты, то давление воздуха стремится вернуть ракету навстречу набегающему потоку, т.е. на траекторию. Ракета будет устойчива. Тут вполне допустима аналогия с флюгером. Если ракету насадить на стержень, проходящий поперек оси ракеты через ЦТ и вынести её на улицу, где сильный ветер, то устойчивая ракета повернется навстречу ветру. Из этих же соображений делается простейшая проверка ракеты на устойчивость с помощью веревки: привязываем веревку к ракете в месте расположения центра тяжести и начинаем вращать ракету вокруг себя. Если ракета при вращении ориентируется строго по направлению движения, то она аэродинамически устойчива, если ракету крутит в разные стороны или она летит хвостом вперед, то ракета неустойчива.

Проверка стабильности ракеты - просто раскручиваем ракету над головой

Центр тяжести ракеты определяется простым методом "взвешивания". Положив ракету на руку, нужно найти точку, в которой достигается равновесие.

Центр давления рассчитывается используя метод определения центра давления по Борроумену. К слову сказать, есть и другой, хотя и куда менее точный способ определения центра давления - метод аэродинамической проекции. В любом случае, какой бы мы метод не использовали, чтобы ракета была устойчивой, расстояние между центром тяжести и центром давления должно составлять хотя бы 1,5 диаметра самой ракеты. Эта, так называемая "устойчивость в диаметрах" может быть и выше, хотя устойчивость больше 2-2,5 диаметров не рекомендуется, так как в этом случае стабилизаторы будут больше, а значит тяжелее. Кроме того, большая площадь стабилизаторов приведёт к тому, что ракета будет испытывать большие боковые нагрузки, что приведёт к тому, что она будет, как флюгер разворачиваться по ветру и лететь не вверх, а вбок; в худшем случае - флаттер приведёт к разрушению ракеты в полёте. Подробно об устойчивости можно почитать здесь.

Интерфейс Rocki-design и модель будущей ракеты

Есть готовые программные решения для расчёта параметров ракеты. Я использую Rocki-design, но чаще, тем более в англоязычном мире используют OpenRocket. Подобрав нужный размер стабилизаторов, вырезаем их из заготовки и прикручиваем винтами к корпусу, используя металлические уголки. Крепление должно быть жёстким. Для лёгких ракет сгодится и просто приклеивание, но для тяжелой ракеты лучше перестраховаться.

Система спасения

Система спасения - одна из самых сложных в ракете. Она включает в себя парашют, крепление к корпусу, а также механизм выброса парашюта. Она в обязательном порядке порядке должна быть проверена не один раз на земле. Я использую пиротехнический вариант выброса парашюта (мортирка), инициируемый бортовым компьютером. Хотя встречаются и другие решения - механические и пневматические, или вовсе инерционные. Пиротехническая система одна из самых популярных и простых, содержит минимум компонентов.

Заготовка для мортирки

Сам парашют - это купол диаметром в 70 сантиметров, сшитый из прочной и лёгкой ткани (рип-стоп). Можно рассчитать точно необходимую площадь парашюта для плавного спуска в зависимости от массы ракеты. Хотя, из практики, парашют лучше делать меньше диаметром - это увеличит скорость падения ракеты, конечно, но ракету будет меньше сдувать ветром, и поэтому меньше шансов намотать километры от места запуска до места падения.

Вырезаем парашют

Не менее важно обеспечить крепление системы спасения ракеты с корпусом. Обычно в корпус устанавливаются силовые болты, к которым привязывается силовой трос (фал), соединяющийся со стропами парашюта. Фал пропускается через пыж - лёгкий цилиндр, который впритирку устанавливается ко внутреннему диаметру ракеты - он необходим для выброса парашюта, работая как поршень, приводимый в движение газами из мортирки.

Конструкция крепления системы спасения

Головной обтекатель также подвязывается к фалу.

В сборе внутренние компоненты ракеты ракеты занимают весь внутренний объем.

Модель ракеты со всеми компонентами

Двигатель

В отличие от ракетомоделизма, в любительском, "карамельном" ракетостроении используются собственно изготовленные двигатели. Ракетные двигатели - это долгий и обширный разговор, который можно растянуть на не одну статью. Если рассказывать очень кратко, то в любительском ракетостроении в большинстве случаев используются твердотопливные двигатели, которые по конструкции очень схожи с двигателями настоящих твердотопливных ракет.

Отличие состоит в материалах из которых изготовлен двигатель и в используемом топливе. Чаще всего для изготовления двигателей используется бумага, пластик или композит (стеклоровинг). В моём случае - пластик (полипропиленовая армированная труба в 40мм внешним диаметром). В качестве топлива используется смесь из калиевой селитры и сахара\сорбита в пропорции 65\35. Собственно при плавлении такой смеси образуется сладкая масса (несъедобная!), похожая на карамель, откуда и происходит название "карамельное топливо".

C6H14O6 + 3.345 KNO3 -> 1.870 CO2 + 2.490 CO + 4.828 H2O + 2.145 H2 + 1.672 N2 + 1.644 K2CO3 + 0.057 KOH

Топливо запресовывается в так называемые "топливные шашки" - цилиндры с отверстием. Размер шашек подбирается таким образом, чтобы во время работы двигателя топливо успевало выгореть равномерно во всех направлениях (в направлении от внутреннего канала к краю). Оптимальной длиной шашки внешним диаметром D и внутренним диаметром d является длина L=1.67D. Шашки в обязательном порядке запрессовываются\оборачиваются в так называемую "бронировку" - внешнюю негорючую оболочку шашки. Бронировка препятствует горению шашки по внешней поверхности, что недопустимо. Слишком большая площадь горения топлива может привести к разрушению двигателя.

Топливные шашки

Из шашек формируется сборка двигателя с единым топливным каналом. При этом шашки укладываются в теплоизоляционную (негорючую) трубку из тефлона\бумаги, пропитанной силикатным клеем. Теплоизоляция нужна для того, чтобы не допустить разрушения двигателя из-за температуры (фронта горения и горячих газов) при горении топлива.

Схема двигателя

Карамельное топливо горит сравнительно медленно, поэтому для создания тяги зажигание двигателя производится в дальней точке канала (противоположного от сопла). Немаловажными параметрами двигателя, кроме тяги, является критика сопла и рабочее давление. Чем больше давление в двигателе - тем больше тяга. Чем больше давление - тем выше скорость горения топлива. Настоящим вызовом в создании двигателя является задача создания такого решения, которое при минимальной массе корпуса будет держать максимальное давление и содержать наибольшее количество топлива.

График тяги График давления

Для расчёта двигателя используются расчёты на основе закона горения. Безусловно, есть готовые решения для расчёта параметров двигателя.

Кроме того, обязательно проводятся стендовые испытания движков. Это позволяет отработать надёжность двигателя на земле, а также снять реальные показания тяги двигателя (которые могут отличаться от расчётных).

Кластерный двигатель на тяго-измерительном стенде

Электроника

В качестве бортового компьютера я использую собственную схему, в основе которой находится Arduino Nano.

Схема полётного компьютера

Егор Морозов | 17 Августа, 2018 - 14:18

Тем не менее, ракеты полагаются на некоторые удивительно простые физические принципы. Хотя шаги ниже точно не дадут вам полноценного ракетного двигателя, они пояснят, почему мы делаем ракеты так, как мы делаем, и никак иначе.

Шаг первый: сохранение импульса

При движении по поверхности Земли или по воздуху мы полагаемся на сохранение импульса, чтобы двигаться вперед. Когда мы отталкиваемся от земли или машем крыльями в воздухе, то земля или воздух в свою очередь отталкиваются от нас. Поскольку Земля несколько больше нас, сохранение импульса означает, что мы сдвигаемся сильно, а вот Земля — едва ли.

Но космос — это совсем другая история. В этом холодном вакууме не на что давить. Ноги, крылья, пропеллеры и самолеты бесполезны. Но это не означает, что сохранение импульса внезапно перестает работать. Вместо этого, чтобы двигаться вперед, нам, по сути, нужно взять импульс с собой.

Тут тот же принцип, что и в том случае, когда вы находитесь на льду озера или в офисном кресле на колесиках. Если вы возьмете часть массы, которую вы носите с собой (обувь, снежок — что угодно), и отбросите ее от себя, то вы немного проедете в противоположном направлении. Конечно, то, что вы выкинули, имеет вес сильно меньше вашего, поэтому вы проедете в обратном направлении на достаточно небольшое расстояние, но все еще вам удалось сдвинуться, используя только самого себя.

Итак, чтобы иметь летающую в космосе ракету, вам нужно возить с собой ракетное топливо. Оно может быть любым, и когда вы его выбросите через заднюю часть ракеты, вы пролетите немного вперед. Прогресс!

А звуковые и сверхзвуковые жидкости обладают особым свойством, которое прямо противоположно их дозвуковым собратьям: вместо замедления при повторном расширении из-за сложной динамики жидкости они. ускоряются. Поэтому, когда такая жидкость выходит из сопла, она получает дополнительный импульс. Кроме того, специальная куполообразная форма сопла на выходе позволяет жидкости продолжать прижиматься к его корпусу, еще больше увеличивая итоговый импульс.

Шаг третий: повинуйтесь тирании

Итак, у вас есть топливо и сопло. Что осталось? Правильно, вам нужно что-то, чтобы привести все это в действие: источник энергии, который вам также нужно упаковать с собой. В случае бросания вещей на скользком льду вы принесли свою энергию в виде завтрака, который вы употребили раньше и хранили для последующего использования.

Но зерновые и молоко — не самый лучший источник энергии для космической энергетики, поэтому химические ракеты оказались настолько успешными. Создавая мощную смесь топлива (например, высокоочищенный керосин) и окислителя (например, кислород), можно высвободить и использовать невероятные объемы энергии в последующих экзотермических реакциях. Разумеется, имеются и другие комбинации, и в некоторых случаях топливо самовоспламеняется при правильных условиях или существует в твердой форме перед использованием по назначению.

Но тот факт, что вы должны нести свой собственный источник топлива и энергии, резко ограничивает то, что может сделать ракета. Это регулируется формулой Циолковского — простой связью между энергией, необходимой для достижения цели, энергией, запасенной в топливе, и долей общей массы ракеты, занятой топливом.

Можете улетать

Что в итоге? У вас есть все необходимые компоненты ракеты: сохранение импульса, ракетное топливо, сопло причудливой формы и источник энергии. И все, даже самые нестандартные ракеты, следуют тем же основным принципам. Соплом могут быть электрические или магнитные поля, а источником энергии — топливо, ядерные реакции или само Солнце. Но, несмотря ни на что, шаги выше — единственный способ получить ракету в космосе.

Содержание

Поделки с детьми своими руками это всегда увлекательно. А смастерить вещь для близкого человека ещё и приятно. Есть много разных событий, к которым можно подготовиться заранее. Сегодня Академия любознательности предлагает соорудить ракету ко Дню космонавтики.

Как всегда в ход могут пойти самые разные подручные материалы. Используйте старые журналы и газеты, цветную бумагу, пластилин или втулки. Ракета может быть объёмной или сделана в виде аппликации. Наши мастер-классы подойдут для детей от 3 до 7 лет.

Ракета из бумаги и втулки от туалетной бумаги

Такую поделку можно смастерить за 15-20 минут. Ракета порадует папу, дедушку или дядю, как ко Дню космонавтики, так и ко Дню защитника Отечества.

Втулка от бумаги.
Цветная бумага.
Клей.
Ножницы.
Фломастер или толстая палочка.
Циркуль.

1. Подготовим конус из бумаги. Для того чтобы его сделать, возьмём циркуль и проведём полукруг. Имейте в виду, что диаметр конуса фактически будет равен его высоте. Вырежьте полукруг и соедините края. Если вам нужен конус уже, то отрежьте от края полукруга полоску.

2. Теперь от цветной бумаги отрезаем прямоугольник. Таким размером, чтобы полностью обернуть втулку от туалетной бумаги. Длину лучше сделать с небольшим нахлёстом, а ширину – примерно на 1,5-2 см больше, чтобы подогнуть за края. Промазываем бумагу клеем и аккуратно обматываем ею втулку.

3. Приступаем к оформлению ракеты. Вырезаем 4 небольших цветных кружка. Это будущие иллюминаторы. Приклеиваем их по 2 в ряд с противоположных сторон.

4. Необходимый элемент ракеты – турбо-двигатели. Вырезаем 4 полоски размером 3х8 см. Берём одну из полосочек и промазываем клеем половину. Затем начинаем её накручивать на толстый фломастер с той стороны, где клея нет. Хорошо всё проглаживаем, снимаем полосочку с фломастера. Получился небольшой цилиндр. Таким же образом делаем остальные 3 двигателя. Как только всё будет готово, приклеиваем по 2 цилиндра по бокам.

5. Наша ракета практически готова. Не хватает только носовой части. Берём подготовленный нами конус, проклеиваем края и вставляем его в корпус ракеты.

Ракета на палочке

Сейчас мы попробуем сделать плоский космический корабль с космонавтом.

Картон белый и цветной.
Гофрированную бумагу разных оттенков красного и жёлтого.
Ножницы.
Клей.
Деревянную палочку (например, от роллов).
Нитку.

1. Сначала вырезаем из картона нужные детали. На фото показано сразу две ракеты. Для одной нужно будет деталей в два раза меньше: 1 белый корпус, 2 цветных иллюминатора, 1 носовая часть в виде треугольника, 1 прямоугольный шлюз, 2 ножки, 1 хвостовую часть (откуда будет выходить огонь), космонавт.

2. Приклеиваем все детали так, как показано на изображении.

3. Берём гофрированную бумагу и вырезаем из неё языки пламени. Приклеиваем к хвостовой части ракеты.

4. К середине космонавта прикрепляем нитку.

5. Все оставшиеся детали склеиваем как на фотографии. Наша ракета готова!

Рисуем ракету

Предлагаем мастер-класс, как нарисовать ракету поэтапно. Подойдёт для ребят 5-7 лет.

1. Первым этапом нужно нарисовать продолговатый корпус ракеты. С одной стороны заострённый, с другой – прямой.

2. Затем чуть выше середины рисуем два круга: один в другом. Это иллюминатор.

3. Проводим две линии. Одной отделяем носовую часть ракеты, другой – хвостовую.

4. Пририсовываем нашей ракете ножки по бокам и в середине.

5. Всё готово! Осталось только раскрасить. Цвета выберите по своему вкусу. В дополнение можно нарисовать звёзды и планеты.

Ракета из пластиковой бутылки

Пластиковые бутылки тоже прекрасный материал, чтобы смастерить ракету ко Дню космонавтики. Поэтому, если у вас есть пара ненужных бутылок, не выкидывайте их, а смело используйте для занятий творчеством.

Бутылка.
Картон цветной.
Клей.
Ножницы.
Краски (рекомендуем акриловые).
Канцелярский нож.
Кусочек фольги или цветная бумага.

1. Подготовьте простую пластиковую бутылку. Уберите все этикетки, хорошо промойте и высушите.

2. Покрасьте бутылку в любой цвет. Мы взяли синий. Внизу покрасили чёрным. Посередине бутылки оставьте небольшой кружок. Это будет иллюминатор. Дождитесь, пока краска хорошо высохнет.

3. Из картона сделайте конус. Для этого нарисуйте полукруг, радиус которого будет примерно как высота бутылки. Полукруг сверните в конус, как показано на схеме. Примерьте конус на бутылку, он должен плотно сесть.

4. Склейте края конуса и промажьте клеем внизу с внутренней части. Наденьте его на бутылку и хорошо прижмите.

5. Возьмите фольгу или цветную бумагу и украсьте космический корабль. Можно вырезать полоски или звёздочки.

6. Вырежьте из картона 6 фигур вот такой формы, как на рисунке. Это баки с горючим. На поделке они пригодятся и как подставки. Склейте по 2 заготовки между собой для того, чтобы баки были плотнее. Если картон не двусторонний, то обратите внимание, что парные детали должны быть вырезаны в зеркальном отражении.

7. Возьмите канцелярский нож и проделайте 3 отверстия вдоль в нижней части бутылки. Вставьте в них баки с горючим. Всё готово!