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: Stałopędny (wykorzystuje paliwo stałe) Hybrydowy (wykorzystuje ciekły utleniacz oraz stałe paliwo) 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