Ракета от Амперки, часть 2: корпус двигателя, расчет сопла
Мы продолжаем строить нашу ракету. Прошла неделя, выкладываем отчет по тому, что было за это время сделано.
Для тех, кто зашел в тред впервые, прошу ознакомиться с предыдущим выпуском.
Корпус двигателя
Исходя из полученных данных по давлению газов в камере сгорания, нужно было подобрать соответствующий этим требованиям материал для корпуса. Пиковое значение давления у нас достигает почти 25 бар. Не мудрствуя лукаво и стараясь уйти от применения сложных материалов, где это возможно, решили принять на вооружение стальную трубу ДУ-40 с толщиной стенки в 3 мм. Соответствующая труба была успешно закуплена в первом попавшемся металлопрокате на рынке. К сожалению, склад продукции железячников находился под открытым небом, поэтому труба была несколько ржавая.
Чистка при помощи наждачки и «лепестковой палки» авторства Лёши (передаем привет Доктору Дью) не дала нормального эффекта, да и лень было убивать на это время. Почему бы для этого не попробовать химический метод. Из химикатов, находившихся в пешей доступности, была только уксусная эссенция, лимонная кислота и соль, все закуплено в ближайшем продуктовом. Как назло, не нашлось подходящего тазика, в который можно было бы налить ядрёную смесь и замочить трубу, пришлось соорудить его дендрофекальным методом из других ящиков, используя их в качестве опоры, а между ними сделать ванночку из пленки, оставшейся после дирижабля, которую закрепили канцелярскими зажимами. Положили в этот хрустящий саркофаг трубу и залили ускусной кислотой, а для большего эффекта добавили растворенной в воде лимонки с солью.Реакция началась мгновенно.Довольные собой, мы оставили трубу травиться и с чистой совесью ушли на выходные.
Запах, встретивший нас в понедельник, выедал глаза и нос. Да, зря не накрыли ничем ванну. Запах уксуса, казалось, въелся в стены. Даже открытые настежь окна не спасли, потом еще дня два пришлось проветривать студию, так что не повторяйте наших ошибок: такие вещи лучше делать либо на открытом воздухе, либо в плотно закрытой таре. Тем не менее, результат очистки трубы оказался вполне удовлетворительным: труба очистилась как снаружи, так и изнутри. Имейте в виду, после применения химической очистки нужно хорошо промыть водой и вытереть насухо очищаемый предмет, иначе он на воздухе быстро покроется мутной пленкой. Еще лучше — защитить поверхность от контакта с воздухом при помощи краски, лака или аэрозольного полиуретана. Но это исключительно наши эстетические соображения.
Расчет сопла
Сопло является главным элементом ракетного двигателя (ваш К.О.), так как в зависимости от правильности его расчета можно на одном и том же топливе с тем же каналом получить до +30% тяги.
К расчету сопла мы подошли основательно, подробно о математике его расчета, принципе работы, протекающих процессах, да и вообще, много интересного, можно почитать тут и elib.osu.ru/bitstream/123456789/8572/1/1805_20110824.pdf. А еще на сайте нашелся очень удобный инструмент Rocki-nozzle (на странице листаем вниз и ищем соответствующую ссылку).
Скачиваем программу, подставляем в соответствующие поля расчетные значения ракеты, полученные в Meteor (см. статью) и получаем на выходе профиль сопла. Обрабатываем данные и в SolidWorks рисуем красивое сопло с соблюдением всех размеров.
Дальше должна была быть токарочка, но в этот выпуск она не попадет, так как у моего знакомого токаря ЧПУ-шка отказалась работать и мы не могли к нему попасть. Но к следующей серии все обязательно будет.
Скачать полученную модель можно по ссылке в конце статьи.
Испытательный стенд, механическая часть
Перед запуском ракеты мы хотели провести замеры тяги на стенде, дабы сравнить реальные диаграммы с теми, что нам посчитал Meteor и проверить, насколько можно верить его расчетам. В принципе, вопрос о стенде поднимался уже давно и его решение было неизбежным, и, какобычно, методом проб и ошибок.
Первой версией было использование в качестве чувствительного элемента кухонных весов на 10 кг с прикрепленным к оси стрелки потенциометром. Весы были успешно куплены в интернет-магазине и разобраны для удобства использования. Но к этому моменту появились расчеты тяги и понимание, что диапазона измерений в 10 кг будет мало, а вносить погрешность в виде рычагов не хотелось.
Затем пришел вариант 2: использовать аналоговые (с вращающимся диском) напольные весы для людей. При разборке внутри оказалась дохленькая пружина и система рычагов, крайне неподходящая для использования на стенде.
Вариант 3. Долго не хотелось его применять из-за низкой скорости измерений, однако, пришлось. Тензодатчики. Поскребав по сусекам, нашел дома несколько тензодатчиков на 50 кг и модуль на микросхеме HX711.
Основная проблема в том, что тензодатчики оказались не мостовые, а полумостовые. Ну что ж, придется ставить 2 шт. С другой стороны, это даже плюс: получим стенд, способный измерять тягу до 100 кг, а разрешение АЦП в HX711 24 бит позволит производить замеры с достаточно высокой точностью. По крайней мере, согласно нашим расчетам. Как будет на самом деле, проверим самым точным методом — эмпирическим.
Тем временем, Лёша собрал каркас стенда из профильной трубы 20×20, стальных направляющих и линейных подшипников. Сначала подумали, что можно поставить испытуемый двигатель таким образом, чтобы вектор его тяги был направлен вниз, то есть, в землю, однако отказались от этой идеи в пользу точности измерений, так как на старте у нас на датчик будет давить вес самого двигателя, который будет уменьшаться по мере прогорания топлива. Вместо этого решено было направить вектор тяги параллельно земле, а от сдвигания вперед стенд защитим фиксацией при помощи вбитой в землю арматуры или анкеров. Ну, или к валуну прижмем — будем посмотреть по месту проведения испытаний.
В следующей серии планируем полностью собрать стенд, прикрутитьк нему электронику, собрать двигатель, снарядить топливом, поставить на стенд и выехать в безлюдные места для проведения огневых испытаний. Оставайтесь с нами — будет много интересного.
Видео во статье можно посмотреть вот тут:
Ссылки:
Принцип работы сопла Лаваля
Расчет и построение профиля сопла Лаваля
Программа Rocki-nozzle
Модель нашего сопла
