III Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

РЕАКТИВНЫЕ РАКЕТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ
Холматов Д.У.
Автор работы награжден дипломом победителя второй степени
Диплом школьника      Диплом руководителя
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Научно-исследовательская работа

Реактивные ракетные двигатели

Выполнил:

1.Введение.

Реактивное движение - это движение тела, возникающее в результате отделения от него с некоторой скоростью какой-нибудь его части.

Данное явление объясняется законом сохранения импульса. Закон сохранения количества движения утверждает, что векторная сумма импульсов всех тел системы есть величина постоянная, если векторная сумма внешних сил, действующих на систему тел, равна нулю.

Реактивное движение встречается в природе и широко применяется в технике, особенно в ракетно-космической области. Существуют различные типы двигателей, основанные на реактивном движении. На данный момент для покорения просторов космоса наиболее часто используются реактивные двигатели на жидком топливе. Но для таких двигателей в наши дни почти достигнут предел возможностей, а это значит, что они непригодны для дальних космических путешествий. По всему миру ведутся разработки новых типов двигателей. Я решил обратиться к уже известному типу двигателя и в своей работе хотел показать возможности использования в ракетах реактивных химических двигателей на топливе твёрдого вида.

Цель работы: создать модель ракеты с реактивным двигателем, исследовать зависимость реактивной тяги от конструкции двигателя и консистенции топлива.

Задачи:

  • Изучить историю создания и развития реактивных двигателей;

  • Изучить устройство и принцип действия ракеты;

  • Изготовить действующую летательную модель ракеты;

  • Исследовать на опыте влияние конструкции двигателя на реактивную тягу;

  • Исследовать на опыте использование топлива твердого вида для реактивного двигателя.

Гипотеза: реактивная тяга твердотопливного двигателя выше при использовании топлива твердого вида более высокой плотности.

2. История возникновения реактивных двигателей.

В Китае в конце 1 тысячелетия н. э. впервые открыли реактивное движение, приводящее в действие ракеты, которые являлись бамбуковыми трубками, начинёнными порохом. Эти ракеты запускались ради забавы как фейерверк.

Следующий шаг был сделан только в 1556 году немецким изобретателем Конрадом Хаасом. Он заложил теоретические основы первой боевой и многоступенчатой ракеты. Идеи Хааса развил польский генерал Казимир Семенович. В 1650 году он предложил проект создания трехступенчатой ракеты. В жизнь эта идея воплощена была только в ХХ веке, через несколько столетий после смерти Семеновича.

В 1805 году британский офицер Уильям Конгрив продемонстрировал в Королевском Арсенале созданные им пороховые ракеты небывалой по тем временам мощности. Оружие многократно применялось во время Наполеоновских войн. В России пионером ракетостроения считается генерал-лейтенант Александр Засядько. Он усовершенствовал ракету Конгрива и предложил энергию разрушительного оружия использовать в мирных целях, например для полёта в космос.

Идеи Засядько легли в основу работ Константина Эдуардовича Циолковского. Этот знаменитый ученый и изобретатель теоретически обосновал возможность полета в космос при помощи ракетных технологий. В качестве топлива он предлагал использовать не порох, а смесь жидкого кислорода с жидким водородом. Его статья, посвященная этому вопросу, появилась в 1903 году. В ней было представлено математическое уравнение, ставшее важнейшим для космонавтики. Оно известно в наше время как "формула Циолковского".

Формула Циолковского определяет скорость, которую развивает летательный аппарат под воздействием тяги ракетного двигателя, неизменной по направлению, при отсутствии всех других сил. Эта скорость называется характеристической.

,

V - конечная (после выработки всего топлива) скорость летательного аппарата;

I - удельный импульс ракетного двигателя (отношение тяги двигателя к секундному расходу массы топлива);

M1 - начальная масса летательного аппарата (полезная нагрузка + конструкция аппарата + топливо);

M2 - конечная масса летательного аппарата (полезная нагрузка + конструкция).

Это уравнение описывает движение тела, имеющего переменную массу. В своих дальнейших трудах Циолковский представил схему ракетного двигателя, работающего на жидком топливе. Циолковский, изучая использование реактивного движения в природе и технике, разработал многоступенчатую конструкцию ракеты. Ему также принадлежит идея о возможности создания на околоземной орбите целых космических городов. Ракеты, как показал Циолковский, – это единственные аппараты, которые могут преодолеть силу тяжести.

Современник Циолковского Герман Оберт также разрабатывал идею межпланетных перелетов. В 1928 году Оберт познакомился с молодым студентом Вернером фон Брауном. Этому юному физику из Берлина в скором времени предстояло совершить прорыв в ракетостроении и воплотить в жизнь многие идеи Оберта.

Но ещё 16 марта 1926 года была запущена первая ракета на жидком топливе Робертом Годдардом, который также в 1914 году запатентовал многоступенчатую ракету.

В СССР в 1933 году был создан Реактивный институт. В том же году появился и принципиально новый тип оружия — реактивные снаряды. Установка для их запуска вошла в историю под именем «Катюша».

В Германии развитием идей Оберта занимался Вернер фон Браун. Он создавал ракеты для германской армии и не оставил этого занятия после прихода к власти нацистов. При создании новых ракет использовался рабский труд. Так была создана баллистическая ракета. Первые испытания прошли в 1942 году. В 1944-м баллистическая ракета дальнего действия «Фау-2» была принята на вооружение Вермахтом. С ее помощью обстреливали, в основном, территорию. «Фау-2» несла страшные разрушения и вселяла страх в сердца людей.

Весной 1945 учёный сдался американцам. В США Вернер фон Браун продолжил работу над ракетами. Теперь он трудился в основном для мирных целей. Именно он дал колоссальный толчок к развитию американской космической отросли, сконструировав для США первые ракеты-носители. Его команда в феврале 1958 запустила в космос первый американский искусственный спутник Земли. Советский Союз опередил США с запуском спутника почти на полгода. 4 октября 1957 года на орбиту Земли был выведен первый искусственный спутник. При его запуске была использована советская ракета Р-7, созданная Сергеем Павловичем Королевым. Р-7 стала первой в мире межконтинентальной баллистической ракетой, а также первой ракетой, использованной для космического полета.

Достижения Королёва в сфере освоения космоса заслуживают отдельного внимания. Этот талантливый советский специалист принимал участие в проектах по созданию баллистических ракет, запуска первого спутника Земли, выведения первого человека в космос на околоземную орбиту (Юрий Гагарин 12 апреля 1961). А также Сергей Павлович ввёл различные разработки по созданию орбитальной космической станции, но он ушёл из жизни раньше, чем его идеи были воплощены в космических кораблях «Союз».

3. Ракетный двигатель.

Ракетный двигатель — реактивный двигатель, источник энергии и рабочее тело которого находится в самом средстве передвижения. Ракетный двигатель — единственный практически освоенный для вывода полезной нагрузки на орбиту Земли и применения в условиях безвоздушного космического пространства тип двигателя.

Сила тяги в ракетном двигателе возникает в результате преобразования исходной энергии в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела. В зависимости от вида энергии, преобразующейся в кинетическую энергию реактивной струи, различают химические, ядерные и электрические ракетные двигатели.

Характеристикой эффективности ракетного двигателя является удельный импульс (в двигателестроении применяют несколько другую характеристику - удельная тяга) - отношение количества движения, получаемого ракетным двигателем, к массовому расходу рабочего тела. Удельный импульс имеет размерность скорости м/c. Для ракетного двигателя, работающего на расчетном режиме (при равенстве давления окружающей среды и давления газов на срезе сопла), удельный импульс численно равен скорости истечения рабочего тела из сопла.

4. Разновидности ракетных двигателей.

Химические ракетные двигатели делятся на твердотопливные и жидкостные.

В твердотопливном двигателе (РДТТ) горючее и окислитель хранятся в форме смеси твёрдых веществ, а топливная ёмкость одновременно выполняет функции камеры сгорания. Твердотопливный двигатель и ракета, оборудованная им, конструктивно устроены гораздо проще всех других типов ракетных двигателей и соответствующих ракет, а потому они надёжны, дёшевы в производстве, не требуют больших трудозатрат при хранении и транспортировке, время подготовки их к пуску минимально. Поэтому в настоящее время они вытесняют другие типы ракетных двигателей из области военного применения. Вместе с тем, твёрдое топливо энергетически менее эффективно, чем жидкое.

Достоинствами твердотопливных ракет являются: относительная простота, отсутствие проблемы возможных утечек токсичного топлива, низкая пожароопасность, возможность долговременного хранения, надёжность.

Схема твердотопливного двигателя(1 — воспламенитель; 2 — топливный заряд; 3 — корпус; 4 — сопло)

Недостатками таких двигателей являются невысокий удельный импульс и относительные сложности с управлением тягой двигателя (дросселированием), его остановкой (отсечка тяги) и повторным запуском; больший уровень вибраций при работе, по сравнению с ЖРД, большое количество агрессивных веществ в выхлопе.

В жидкостных ракетных двигателях (ЖРД) горючее и окислитель пребывают в жидком агрегатном состоянии. Они подаются в камеру сгорания с помощью турбонасосной или вытеснительной систем подач. Жидкостные ракетные двигатели допускают регулирование тяги в широких пределах, и

Схема жидкостного ракетного двигателя.

многократное включение и выключение, что особенно важно при маневрировании в космическом пространстве. Удельный импульс ЖРД достигает 4500 м/c. Тяга — свыше 800 тс (РД-170). По совокупности этих свойств ЖРД предпочтительны в качестве маршевых двигателей ракет-носителей космических аппаратов, и маневровых двигателей космических аппаратов.К преимуществам ЖРД можно отнести следующее: самый высокий удельный импульс в классе химических ракетных двигателей (свыше 3500 — 4500 м/с); управляемость по тяге и высокая маневренность; весовое преимущество по сравнению с РДТТ.

Недостатки ЖРД: сложность конструкции и устройства; дороговизна транспортировки и повышенная опасность; компоненты жидкого топлива в невесомости неуправляемо перемещаются в пространстве баков. Для их осаждения нужны специальные меры; в настоящее время для химических ракетных двигателей (в том числе и для ЖРД) достигнут предел энергетических возможностей топлива.

Ядерные и электрические ракетные двигатели.

ЯРД имеют огромное преимущество в сравнении с химическими – это высокий показатель удельного импульса. Его величина составляет 9000-30000 м/с. Вместе с тем, их использование влечет за собой заражение атмосферы радиоактивными выбросами. Сейчас ведутся работы по созданию безопасного, экологичного и эффективного ядерного двигателя.

Электрический ракетный двигатель в качестве рабочего тела использует гелий, аммиак, гидразин, азот и другие инертные газы, реже – водород.

Среди преимуществ ЭРД: высокий показатель удельного импульса; малый расход топлива (рабочего тела).

Недостатки: высокий уровень потребления электроэнергии; сложность конструкции; небольшая тяга.

На сегодняшний день использование ЭРД ограничено их установкой на космические спутники, а в качестве источников электроэнергии для них применяются солнечные батареи. Вместе с тем именно эти двигатели могут стать теми силовыми установками, которые дадут возможность исследовать космос, поэтому работы по созданию их новых моделей активно ведутся во многих странах. Пока именно ЭРД является надеждой на то, что люди все же смогут путешествовать к звездам.

5. Практическая часть

Изучив историю ракетостроения и устройство ракетных двигателей, я решил собрать из подручных материалов действующую модель ракеты.

Для начала мне было необходимо определиться с типом двигателя. Изучив все вариации реактивных двигателей, я пришёл к выводу, что лучше всего для самодельного изготовления подходит твердотопливный двигатель. Он наиболее безопасный, надёжный, простой, не требует какой-либо сложной конструкции и прост в изготовлении.

Поискав информацию в интернете, на форумах любительского ракетостроения, а также в книгах по ракетомоделизму я нашёл довольно простой рецепт твёрдого "карамельного" топлива - смесь селитры и углевода.

Ингредиенты топлива:

  • Сахар или сорбит С12Н22О11 35-40%

  • Калиевая селитра KNO3 65-60%

  • Катализатор - оксид железа Fe2O3 1%

Существует несколько способов изготовления топлива:

1) Сахар и селитру плавят при температуре 120-145 градусов до полного преобразования сахара и образования массы, по консистенции похожей на жидкую манную кашу. Предварительно измельчать компоненты не нужно. Очень важно постоянно мешать ее, чтобы не образовались пузырьки воздуха.

2) Ингредиенты можно по отдельности измельчить до очень мелкого состояния, после чего смешать и туго набить в корпус двигателя.

Я решил использовать второй способ, так как он более прост и надёжен. В цветочном магазине я купил калиевую селитру, которую продавали как удобрение для растений, сахар нашёл дома. Ингредиенты я измельчил с помощью пестика в металлической ступке. Корпус двигателя я сделал из обрезанной плотной картонной трубочки. В этот картонный цилиндр я "загрузил" топливо из смеси измельченного сахара и селитры, предварительно поместив в центр цилиндра стержень для будущего воспламенителя. Смесь засыпал порциями, постоянно спрессовывая. Далее я приделал сопло из тонкого алюминия, который вырезал из банки из-под лимонада. В итоге у меня получилось два первых двигателя (см. фото).

Двигатели я протестировал на улице. Второй двигатель, в который я добавил также катализатор - оксид железа, работал более интенсивно. Топливо горело, активно образуя огненное пламя. Из недостатков я выявил несовершенство сопла двигателя, которое почти сразу отвалилось, видимо клей, которым я его склеивал от температуры пришёл в негодность. Картон из-за своей легковоспламеняемости не подошёл в качестве корпуса двигателя. Яркое пламя при горении двигателя, говорит о большом содержании кислорода в топливе - вероятно, топливо плохо спрессовано.

Для следующей ракеты я решил сделать многоразовый двигатель с металлическим корпусом. В качестве оболочки двигателя я решил использовать карманный фонарик, его цилиндрическая форма идеально подходит под размеры корпуса ракеты. Из фонарика я вытащил всё ненужное - кассету с батарейками, кнопку и светодиодные лампочки. Осталась лишь лёгкая алюминиевая цилиндрическая трубка и закручивающаяся крышка без верхней поверхности, то есть кольцо. В качестве дна трубки я использовал пятирублёвую монету. В крышке же я укрепил тонкую алюминиевую пластинку с маленькой дырочкой, которая будет играть роль сопла в двигателе. В корпус бывшего фонарика я засыпал топливную смесь и спрессовывал тупой стороной карандаша. Замечу, что такой способ прессовки, как я понял позже, не является эффективным. В центре двигателя установил самодельный фитиль. Двигатель поместил в корпус бумажной ракеты. Стабилизаторы в нижней части обклеил фольгой - для снижения вероятности их воспламенения. К корпусу ракеты приклеил бумажные петельки, которые будут крепить ракету к направляющей деревянной жёрдочке - шпангоуту.

При запуске двигателя, топливная смесь активировалась, началось бурное выделение дыма и газа из двигателя, но ракета так и не сдвинулась с места. Я понял, что причиной является малая тяга двигателя и наличие силы трения со стороны деревянной направляющей. Тогда я предпринял решение снять ракету с направляющей и немного подкинуть вверх в воздух. При сообщении ракете дополнительной силы я заметил, что она немного взлетела в вверх, но почти сразу изменила траекторию движения и упала на снег. Через несколько секунд топливо закончилось и двигатель прекратил свою работу.

Из этого испытания я выявил плюсы использования многоразового металлического корпуса для двигателя. Корпус нигде не прогорел и никак не испортился, к тому же легко чистится от продуктов сгорания топлива.

Анализируя процесс изготовления топлива, я пришёл к выводу, что оно плохо спрессовывается. Нужен более эффективный пресс, способный сжать смесь так, что бы в топливе было как можно меньше воздуха и больше самого топлива. Я решил испробовать первый метод изготовления топливной смеси - с помощью плавления компонентов.

Далее я взял те же самые компоненты и расплавил их на сковороде. Пока карамельная смесь не застыла, я её вылил в корпус двигателя, предварительно оставив место для фитиля. Такая карамелизированная топливная смесь является более эффективной, чем порошкообразная, так как концентрация топливного вещества намного выше.

Я создал сразу несколько ракет с разными размерами сопла. Лучше всего показала себя ракета со "средним" размером сопла (1/3 от диаметра двигателя), которая смогла взлететь, но из-за порыва ветра и неисправности одного стабилизатора перевернулась и полетела в землю. Тем не менее, запуск ракеты можно считать удачным, так как ракета оторвалась от земли.

6. Заключение.

Таким образом, я изучил историю ракетостроения, устройство и принцип действия реактивных двигателей, а также из подручных средств создал действующую модель ракеты на двигателе с топливом твёрдого типа. "Карамельное" топливо (смесь из сахара, калиевой селитры и оксида железа) успешно прошло испытание.

Также я проверил гипотезу, экспериментально определив, что на тягу твердотопливного двигателя влияет плотность топлива. Модель ракеты смогла взлететь при использовании твердого топлива после его предварительного расплавления, что позволило уменьшить содержание воздуха в топливе. Таким образом, тяга ракеты зависит еще и от содержания воздуха в топливе.

Также на тягу влияют конструктивные особенности двигателя, в частности размер сопла. Сопло размером 1/3 от диаметра двигателя показало лучший результат, оно не слишком маленькое (меньший размер повышает давление газа внутри двигателя, скорость истечения газа возрастает, но секундный расход топлива уменьшается, из-за чего тяга невысокая) и не слишком большое (большой размер увеличивает секундный расход топлива, но уменьшает скорость истечения газа). Тяга такого двигателя была самой оптимальной. В итоге оказалось, что изготовленное мной сопло напоминает сопло Лаваля.

Тяга ракеты зависит от вида топлива, при добавлении в него катализатора интенсивность и температура горения топлива увеличивается, что сказывается на повышении давлении внутри камеры сгорания (которая и является корпусом двигателя), а, следовательно, и скорости истечения газа, то есть тяга повышается.

В итоге моя гипотеза оказалась верна, а изготовленная модель ракеты успешно прошла испытание.

7. Список литературы.

  1. Е. Л. Букш "Основы ракетного моделизма"

  2. А.В. Яскин "Теория устройства ракетных двигателей"

  3. Г. А. Назаров, В. И. Прищепа "Космические твердотопливные двигатели"

  4. http://diletant.media/rosteh/HYPERLINK "http://diletant.media/rosteh/26204196/"26204196HYPERLINK "http://diletant.media/rosteh/26204196/"/ Главный редактор: Алексей Соломин

  5. https://ru.wikipedia.org/wiki/Ракетный_двигатель

  6. https://ru.wikipedia.org/wiki/Жидкостный_ракетный_двигатель

  7. https://ru.wikipedia.org/wiki/Твердотопливный_ракетный_двигатель

  8. https://ru.wikipedia.org/wiki/Карамельное_ракетное_топливо