MESTER SITE - ROCKETRY @ MOTO

PER ASPERA AD ASTRA | Через тернии к звездам

ПВХ ракетный двигатель класса "G", с замедлителем и вышибным зарядом.

Chuck Knight из штата Пенсильвания, США, предлагает простой способ изготовления ракетного двигателя класса "G", на основе топлива сорбит/нитрат калия, используя трубу ПВХ для корпуса и не требующий никаких специальных инструментовсредств для своей конструкции. В конструкции двигателя присутствуют замедлитель и вышибной заряд для парашюта

ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ

ПАРАМЕТР	ОРИГИНАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ	В метрической системе
Топливо	65 % нитрата калия, 35 % сорбита
Масса топлива	100 г.
Корпус двигателя	ПВХ труба диаметром 1 " и длиной 8 "	25,4мм, 203 мм
Длина топливной шашки	5.75"	146 мм
Диаметр топливной шашки	0.945"	24 мм
Диаметр канала шашки	3/8 "	9,5 мм
Материал сопла:	быстротвердеющая шпаклевка (типа цемента)
Критический диаметр сопла	7/32 " с эрозией к 9/32 "	5,5 мм, 7,1 мм
Относительное расширение	4/1
Общая тяга	12 унции
Суммарный импульс	95 NS
Удельный импульс	97 фунта - sec/lb
Время работы замедлителя	9 секунд
Пиковое давление в двигателе	23.3 фунта
Продолжительность работы	1.16 секунд
Скорость горения топлива	0.259 дюйма в секунду	6,58 мм в секунду

Давление в двигателе достигает максимума в 23.3 фунта на 0.19 секунды, сохраняется еще 0.87 секунды, затем уменьшается до нуля на 1.16 секунды. Характеристики двигателя ниидеальны из за его соплла, но оно дешево и легко в изготовлении. Вычисления показывают, что этот двигатель может поднять 2 фунтовую ракету диаметром 2 дюйма более чем на 1000 футов.

КОРПУС

Двигатель сделан из 1 " ПВХ трубы, но в отличие от других ПВХ двигателей, здесь не используются торцевые заглушки или переходники. Сопло и верхнее дно находятся внутри корпуса двигателя. Это сделано для уменьшения веса двигателя, который является легко регулируемым для разных моделей ракет.

СОПЛО

Материал сопла - быстротвердеющая шпаклевка (типа цемента), которая свободно продается в магазине. Шпаклевка почти не расширяется при отвердении, поэтому качество отливки достаточно высокое. В качестве сопла была испробована смесь равных частей эпоксидной смолы и графитового порошка, но шпаклевка дала лучшие результаты. Шпаклевка разрушается выхлопом, но это помогает ограничивать давление, возникающее в ПВХ двигателе. Сопло увеличивается на 1/16 " в диаметре в течение 1 секунды работы двигателя. Шпаклевка имеет плохую адгезию с ПВХ трубой, поэтому используется стопорное кольцо, чтобы гарантировать сопло на месте. Стопорное кольцо изготовлено имеет из ПВХ трубы диаметр 3/4 " и длиной 1", и вклеено на 1/2 " в корпус двигателя (Рисунок 1)

Рис.1

Излишек стопорного кольца отрезан заподлицо со срезом корпуса. Так как внешний диаметр стопорного кольца больше чем внутренний диаметр корпуса двигателя, из стопорного кольца вырезается полоса шириной 1/8 ". Стопорное кольцо затем сжимается и вклеивается в корпус . При вклеивании стопорного кольца необходимо не допустить попадания клея внутрь корпуса (в камеру сгорания). ПВХ клей разлагается почти мгновенно, если соприкасается непосредственно с продуктами сгорания. Горючие газы будут проникать по клеевому шву, что приведет к разрушению. Для предотвращения этого используется также изоляция клеевых швов. Сопло сформировано при помощи 1 " деревянного штыря, вставленного через верхний срез корпуса двигателя. Штырь на одном конце имеет конус, чтобы сформировать сужение сопла (Рисунок 2A)

Рис.2

Штырь вставлен внутрь корпуса двигателя так, что бы вершина конуса не доходила до нижнего среза на 1 ". Затем в корпус набивается шпаклевка так, чтоб заполнить все пустоты в корпусе двигателя. Стопорное кольцо не даст соплу сместиться вниз при работе двигателя. Для создания канала в сопле используется простое приспособление, показанное на рисунок 2C. Диаметр сверла 7/32". Канал просверливают, пока шпаклевка еще не затвердела. Допускается, для облегчения сверления, проткнуть отверстие стержнем меньшего диаметра. Выходной конус сформирован при помощи 1 " перового сверла, которое было заточено под угол в12 градусов (Рисунок 2D). Этим сверлом сверлиться выходной конус на глубину 1/2 ". Сопло готово. Эффективность выходного конуса сомнительна, потому что, в то время как и меется некоторая эрозия входного конуса, не имеется никакой выходного конуса. Этим способом можно сделать примерно 6 сопел за час. Важно дать шпаклевке не менее четырех суток перед дальнейшим использованием. Если шпаклевка не затвердеет окончательно, то она будет разрушаться из-за высокой температуры выхлопа. Центровочное приспособление необходимо для точного изготовления сопла. Это приспособление (рисунки 2с,3) ускоряет создание сопел и гарантирует повторяемость результатов

Рис.3

ПЕРЕБОРКА С ЗАМЕДЛИТЕЛЕМ И ВЫШИБНЫМ ЗАРЯДОМ

Переборка изготовлена из ПВХ прутка длиной 1 1/4 " и диаметром 1. Переборка является корпусом для замедлителя и вышибного заряда. С одной стороны переборки сверлиться отверстие диаметром 3/8 " на глубину 1/2 ", а с другой стороны сверлиться отверстие диаметром 1/2 " на глубину 1/2. Эти отверстия соединены между собой через центры отверстием диаметром 1/8. Замедлитель - смесь 70 % нитрата калия и 30 % сахара . Эта смесь смешана с эпоксидной смолой в соотношении 3 к 1. Пока смола не затвердела, и состав имеет консистенцию пасты, он набивается в отверстие 3/8". Этот состав горит со скоростью 1/8 " за 3 секунды. Чтобы изменить время задержки, со стороны, противоположной набивке, сверлом 1/8 " сверлится глухое отверстие, так, чтобы до нижнего среза замедлителя осталось 3/8 ". Это соответствет замедлению примерно 9 секунд. Чтобы соединить замедлитель и вышибной заряд используется короткий отрезок быстрогорящего порохового стопина. При простом засыпании вышибного заряда на замедлитель иногда случаются отказы, что обьясняется действием перегрузки во время старта и полета. При использовании стопина отказы прекратились. Вышибной заряд - черный порох класса FFFF. Когда двигатель полностью собран, и стопин вставлен в отверстие , порох засыпается в 1/2 " отверстие. Отверстие вышибного заряда герметизировано липкой лентой.

ТОПЛИВО И ТОПЛИВНАЯ ШАШКА

Топливо - смесь 65 % сорбита и 35 % нитрата калия. В ранних экспериментах вместо сорбита использовался сахар, но в конечном счете был выбран сорбит из-за более низкой темрературы плавления и хороших характеристик отливки. Топливо на основе сорбита также, кажется, менее гигроскопичным, чем на основе сахара. Нитрат калия использовался в виде удобрения. Его измельчают в порошок, используя кофемолку. Влажность нитрата калия составляет приблизительно 1 %. Сорбит, используемый в этих экспериментах, был куплен в магазине. В процессе плавления, при хорошем перемешивании, достигается полное смешивание его с нитратом калия. Сорбит и нитрат калия сначала смешиваются в виде порошков путем пересыпания в пластиковой бутылке. Заключительное смешение сорбита и нитрата калия достигается в процессе плавления. Важно, чтоб сорбит полностью расплавился, и при этом продолжать размешивать смесь, чтобы гарантировать хорошее смешение компонентов топлива. Плавление и смешивание выполнены на масляной бане при температуре от 220 до 250 F. Топливо не может непосредственно залито в корпус двигателя, потому что невозможно сохранить чистым верхнюю частькорпуса двигателя, где вклеивается переборка с замедлителем и вышибным зарядом. Было испробовано несколько способов и самым удачным оказался следующий: Топливо заливается в бумажнную бронировку, которая вставляется в корпус двигателя. Бронировка также закрывает внешнюю поверхность заряда. Она сделана из части листа писчей бумаги размером 6 " X 11 ". Этот лист накручивают на оправку ( деревянный штырь для формовки внутреннего конуса сопла) так, чтобы, склееннаябумажная трубка плотно входила в корпус . Необходимое количество оборотов бумаги определяется опытным путем. Используется клей 3М в аэрозольной упаковке. Необходимо следить, чтобы трубка не приклеилась к оправке. Бронировка (Рисунок 2B) - имеет длину 6 ", с учетом обрезки после заливки топлива. В течение процесса отливки топливного заряда, трубка помещена в отрезок ПВХ трубы, которая удерживает ее в вертикальном положении. ПВХ труба прочно закреплена (Рисунок 4)

Рис.4

за один конец на деревянном основании, в котором просверлено отверстие диаметром 3/8 ". Через это отверстие вставляется направляющий 3/8 " штырь, который формирует отверстие в топливном заряде. Отверстие в основании временно заглушено при заливке топлива, и штырь вставляется через горячую топливную массу. Отверстие поддерживает штырь, пока топливо не остынет. Когда топливо затвердеет, из отливки извлекается штырь, и топливная шашка удаляется из ПВХ трубы. Штырь и основание смазаны, чтобы избежать прилипания топлива. Топливная шашка подрезается до длины 5 3/4 " и готова к окончательной сборке двигателя.

СБОРКА ДВИГАТЕЛЯ

Сборка двигателя - одна из наиболее сложных и ответственных операций. Особое внимание должно быть проявлено при изоляции всех клеевых швов, иначе возможны прогары двигателя. Для термоизоляции используется высокотемпературный силиконовый герметик, применяемый при ремонте автомобилей. Прежде, чем топливная шашка будет вставлена в корпус, некоторым количеством герметика покрывают внутреннюю часть сопла и прилегающий район корпуса двигателя . Когда шашка вставлена в корпус, она вытесняет герметик вниз корпуса и формирует термоизоляцию между корпусом, соплом и топливным зарядом. Затем собирают верхнюю часть двигателя. Стальная 1" шайба с отверстием в 1/2 " промазывается герметиком и прижимается к переборке со стороны вышибного заряда ,герметику дают подсохнуть и приступают к окончательной сборке. При окончательной сборке, толстый слой герметика наносится на металлическую сторону шайбы и вся сборка вставляется в двигатель . Герметик должен полностью изолировать топливный эаряд от верхней переборки и корпуса. При этом герметик попадает в чентральное отверстие топливной шашки и на замедлитель, откуда его удаляют, вынув переборку из корпуса двигателя. Толщина слоя герметика должна быть ококло 1/16". Герметику нужно дать подсохнуть перед переходом к следующему этапу сборки. Когда шайба вклеена на место, переборка смазывается достаточным количеством ПВХ клея , причем смазывается и торец переборки, который контактирует с металлической шайбой. Часть клея, который попал на замедлитель, сгорит в процессе работы двигателя . Важно, что бы склеивание было проведено по всем правилам ( согласно инструкции по использования клея), так как отклонения от этого процесса могут привести к прорыву газов. Снаружи избыток клея удаляется . Двигатель должен быть выдержан после сборки в течение 24 часов, чтобы произошла усадка ПВХ клея и герметика . Сборка двигателя заканчивается засыпанием вышибного заряда и заклейкой отверстия липкрй лентой (Рисунок 5) .

Рис.5

ВОСПЛАМЕНИТЕЛЬ

Простой электро-воспламенитель может быть сделан из смеси графита и клея для ПВХ. Скрутите два провода вместе и очистите изоляцию на расстоянии 1/8 " на обоих проводах. Сведите оголенные концы проводов как можно ближе друг к другу, но без замыкания. Опустите провода в смесь, и дайте им высохнуть в течение двух часов. Сопротивление этого электро-воспламенителя будет от 5 до 100 ом или больше. Всегда используйте свежую смесь клея для ПВХ и графита. Чем более старая смесь, тем выше сопротивление электро-воспламенителя. Смесь на основе графита используется как первичный воспламенитель. Вторичный воспламенитель может быть сделан из смеси 70 % перхлората калия, 20 % активированного угля и 10% порошка алюминия с клеем для ПВХ а качестве связки. Могут использоваться также другие пиротехнические смеси. Для зажигания такого воспламенителя требуется аккумулятор на 12В.

Чертежи двигателя в имперской и метрической системах единиц

Версия сайта 6.0 от 3 августа 2012 года