Transcript Najwa*niejsze rzeczy o rakietach: konstrukcja oraz u*ywane materia*y

Dlaczego rakieta lata? – podstawowe
zagadnienia fizyczne oraz budowa
silników rakietowych
Zajęcia #2
2014/15
Co nazywamy rakietą?
Rakieta modelarska, zgodnie z definicją FAI, jest
modelem, który porusza się w powietrzu bez
udziału sił aerodynamicznych (siły nośnej), lecz
wskutek ciągu silnika rakietowego.
Dlaczego rakieta leci?
Napęd rakiety silnikiem rakietowym określa
Trzecia Zasada Dynamiki Newtona:
Jeśli jedno ciało działa na drugie ciało daną siłą,
to drugie ciało działa na pierwsze siłą
o takiej samej wartości, takim samym kierunku,
lecz o przeciwnym zwrocie.
Co to jest silnik rakietowy?
Silnik rakietowy jest silnikiem odrzutowym, który
spalając paliwo wytwarza ciąg.
Wyróżniamy kilka typów silników rakietowych:
1. Stałopędny (wykorzystuje paliwo stałe)
2. Hybrydowy (wykorzystuje ciekły utleniacz oraz stałe
paliwo)
3. Silnik na paliwo ciekłe
Najprostszym przykładem silnika odrzutowego jest silnk na
paliwo stałe.
Silniki stałopędne
Paliwem w silnikach na paliwo stałe jest
mieszanina pirotechniczna, np.:
• Proch czarny (silniki modelarskie kl. A-E)
• Balistyt (silniki z przeznaczeniem wojskowym)
• Karmel (KNO3/Sorbitol; KNO3/sacharoza;
KNO3/glukoza)
• Paliwa żywiczne
• Paliwa amonowe
• I inne…
Silniki stałopędne
Konstrukcja silnika rakietowego na paliwo stałe jest
banalnie prosta, co pokazuje rysunek poniżej:
Spalanie paliwa w tym silniku ma charakter czołowy.
Geometria paliw stałych
„W silnikach rakietowych na stały materiał pędny, paliwo i
utleniacz są dokładnie wymieszane a następnie odlane lub
prasowane w jedną bryłę o odpowiednim kształcie
geometrycznym, nazwaną ładunkiem lub ziarnem, przez analogię
do ziaren prochów artyleryjskich.
Ładunki napędowe silników rakietowych na paliwo stałe
wykonane są ze stałych paliw rakietowych o znanych
charakterystykach energetycznych i określonej prędkości
spalania. Z uwagi na przeznaczenie silnika napędowego rakiety
wymagana jest znajomość masy ładunku napędowego oraz jego
geometria, czyli kształt i wymiary ziaren paliwa.Ładunki
materiału pędnego do silników rakietowych mogą mieć różną
postać i kształt powierzchni spalania. W związku z tym
wyróżniamy dwie grupy ładunków:
• z czołową powierzchnią spalania
• boczną powierzchnią spalania.”
Źródło: ksard.cba.pl
Geometria paliw stałych
• W pierwszym typie ziaren powierzchnia spalania jest
ściśle ograniczona do przekroju poprzecznego komary
spalania (tzw. Spalanie papierosowe). Taki ładunek
materiału pędnego odznacza się długim czasem palenia
oraz daje mały ciąg. W drugim rodzaju ziaren
powierzchnia spalania jest dużo większa i może mieć
różne kształty.
• Najczęściej spotyka się ładunki z poprzeczną lub dowolną
powierzchnią spalania: Powierzchnie ładunku, na których
nie chce się dopuścić do spalania powinny być pokryte
inhibitorem, czyli materiałem niepalnym i odpornym na
działanie wysokiej temperatury.
• Na rysunku poniżej przedstawione są przekroje
poprzeczne ładunku stałego materiału pędnego o bocznej
powierzchni spalania. Różnią się one wielkością
powierzchni spalania i czasem spalania.
Źródło: ksard.cba.pl
Geometria paliw stałych
Źródło: ksard.cba.pl
Geometria paliw stałych
W zależności od kształtu ładunku i jego powierzchni
spalanie może być progresywne (a), degresywne (b) lub
neutralne (c).
Źródło: ksard.cba.pl
Geometria paliw stałych
Jeżeli w miarę wypalania się kolejnych warstw
równoległych ładunku ich powierzchnia będzie
wzrastać, wówczas wzrośnie ilość produktów gazowych,
co ma wpływ na wzrost ciśnienia w komorze spalania,
zatem i ciągu. O takim ładunku powiadamy, że pali się
progresywnie lub, że ma progresywną charakterystykę
spalania. Odwrotnie będzie z ładunkiem o degresywnej
charakterystyce spalania. Natomiast ładunek o
neutralnej charakterystyce spalania cechuje się stałą
powierzchnią spalania, a więc ciśnienie w komorze
spalania oraz ciąg mają wartość stałą w miarę upływu
czasu.
Źródło: ksard.cba.pl
Geometria paliw stałych
Źródło: ksard.cba.pl
Geometria paliw stałych
Silnik stałopędny
Silnik stałopędny ROS-40
Silniczki stałopędne KLIMA
Hybrydowe silniki rakietowe
Hybrydowe silniki rakietowe nie zawierają jako paliwa
mieszanki pirotechnicznej.
Hybrydowy silnik rakietowy wykorzystuje ciekły
utleniacz i stałe paliwo, którym może być dowolny
materiał: PVC, Polipropylen, Nylon, Parafina, Polistyren,
Asfalt, HTPB, Guma, żywice, itd…
CIEKŁY UTLENIACZ
KOMORA SPALANIA
Zawór/wtrysk
Grafika: ukrocketman.com
Hybrydowe silniki rakietowe
Jako utleniacz w silnikach hybrydowych najczęściej
występuje N2O, czyli podtlenek azotu.
Utleniacz podawany jest do komory spalania przez
komorę wtryskową.
W zaawansowanych konstrukcjach hybrydowych
między zbiornikiem utleniacza a komorą spalania jest
zawór, który po otwarciu podaje utleniacz do komory
spalania.
Jednostki i impulsy
Ciąg silnika wyrażamy w Newtonach [N]
Impuls całkowity (ciąg razy czas) wyrażamy w
Niutonosekundach [Ns]
Impuls właściwy określamy w [Ns/kg] lub w [s].
Impuls właściwy
Wielkość charakteryzująca właściwości pędne
(energetyczne) danego paliwa rakietowego. Jest to
wartość impulsu całkowitego, który można uzyskać
ze spalenia 1 kg paliwa. Parametr oznaczany
jako Iw . Jednostką jest Ns/kg. Im ta wartość jest
wyższa, tym "mocniejsze" jest dane paliwo
rakietowe. Często spotykamy się z określaniem
wartości Impulsu właściwego w sekundach. Jest to
wtedy oznaczane jako Isp. Tak podana wartość
impulsu określa przez ile sekund można z jednego
kilograma paliwa uzyskać ciąg o wartości jednego
kilograma (siły).
Źródło: ksiegarakiet.jaskiniowiec.strefa.pl
Projektujemy silnik
Parametry silników na paliwo stałe możemy
zasymulować w arkuszu Richarda Nakki – SRM
(Solid Rocket Motor).
W wersji polskiej SRM_PL.xls można pobrać na
stronie ksiegarakiet.jaskiniowiec.strefa.pl – jest
tam również zamieszczona instrukcja obsługi
arkusza.
Stateczność rakiety
Aby rakieta leciała poprawnie w kierunku pionowym
musi być odpowiednio wyważona. Wyważenie określa
warunek stateczności:
Środek ciężkości musi wyprzedzać środek parcia o
wartość X.
Najczęściej wartością zwaną X jest odległość ŚC od ŚP o
1 – 1,5 kalibru (średnicy rakiety).
Rakieta więc jest stateczna, jeśli ŚC wyprzedza ŚP o 1 –
1,5 kalibru.
Ważne!
Niezastosowanie się do zasady
stateczności może wytrącić rakietę z
równowagi, co może doprowadzić do
utraty życia lub zdrowia Twojego, lub
innych osób oglądających start.
Pamiętaj, aby sprawdzić stateczność
swojej rakiety przed każdym startem!
Stateczność rakiety
Aby rakieta leciała poprawnie w kierunku pionowym
musi być odpowiednio wyważona. Wyważenie określa
warunek stateczności:
Środek ciężkości musi wyprzedzać środek parcia o
wartość X.
Najczęściej wartością zwaną X jest odległość ŚC od ŚP o
1 – 1,5 kalibru (średnicy rakiety).
Rakieta więc jest stateczna, jeśli ŚC wyprzedza ŚP o 1 –
1,5 kalibru.
KONIEC
Autor: Damian Mayer
Prezentacja stanowi własność autora i nie może być
wykorzystywana przez osoby trzecie w celach
komercyjnych bez zgody autora. Zabrania się
upubliczniania prezentacji lub zrzutów ekranowych bez
wiedzy i zgody autora.
Źródła:
Zdjęcia: Damian Mayer
Grafiki: Paweł Elsztajn – „Młody Modelarz Rakiet”, Wydawnictwo
Naukowo-Techniczne, Warszawa, 1981