CC BY
2
Время науки The Times of science
Старина Ирина Алексеевна
rinstarina@gmail.com Растегаев Даниил Денисович
БОУ «Созвездие Орла», 11 класс Орловская область, пгт. Знаменка Курапов Егор Юрьевич
f0xe gorzor@ gmail. com Школа «60 минут», 8 класс Московская область, г. Коломна Научный руководитель: Азарова Л. А. БОУ «Созвездие Орла», Орловская область, пгт. Знаменка
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПНЕВМОГИДРАВЛИЧЕСКОЙ РАКЕТЫ С ПРОГРАММИРУЕМОЙ СИСТЕМОЙ СПАСЕНИЯ
Irina Alekseevna Starina
rinstarina@gmail.com Daniil Denisovich Rastegaev
Budget General Education Institution "Constellation of Oryol", 11th form
Oryol Oblast, Znamenka Egor Yuryevich Kurapov f0xe gorzor@ gmail. com School "60 Minutes", 8th form Moscow Oblast, Kolomna Academic supervisor: L. A. Azarova Budget General Education Institution "Constellation of Oryol",
Oryol Oblast, Znamenka
MANUFACTURING OF PNEUMATIC-HYDRAULIC ROCKET WITH PROGRAMMABLE RESCUE SYSTEM
Аннотация: В статье рассматривается практико-ориентированный проект по изготовлению и программированию пневмогидравлической ракеты, создание пусковой установки для её запуска, анализ проведенных экспериментов. Рассмотрены перспективы работы над проектом.
Ключевые слова: ракета, гидропневматическая, система спасения, пусковая установка.
Abstract: The article discusses a practice-oriented project for the manufacture and programming of a pneumatic-hydraulic rocket, the creation of a launcher, and an analysis of the experiments performed. The authors consider the prospects for working on the project.
Starina I.A., Rastegaev D.D., Kurapov E.Yu.
Keywords: rocket, pneumatic-hydraulic, rescue system, launcher.
Изготовление ракеты и пусковой установки
Для изготовления пневмогидравлической ракеты нам потребовалось несколько пластиковых бутылок объёмом от 0,5 литров до 2-х литров, 3D-принтер для изготовления обтекателя, пластик для стабилизаторов, термоклей.
Для изготовления пусковой установки мы использовали 3D-принтер с двумя видами пластика: PETG и PLA. Эти виды пластика являются прочными и твердыми материалами.
При поведении экспериментов мы использовали автомобильный насос с манометром, дождевик.
Нами было проведено 50 запусков бутылок объемом от 0,5 литров до 2-х литров разной формы. Мы выяснили, что для того, чтобы ракета летела ровно и стабильно, бутылка должна быть длинной, тонкой и прочной.
Для изготовления ракеты мы взяли ровную бутылку объемом 2 литра из-под газированной воды. Чтобы уменьшить сопротивление воздуха и, как следствие, возможные крены ракеты, пришлось установить лобовой обтекатель. Обтекатель был изготовлен на 3D-принтере. Мы сделали его вытянутой формы, чтобы увеличить длину ракеты.
Чтобы обеспечить ровный вертикальный старт пришлось сделать пусковую установку, которая поддерживает носовую часть ракеты, продумать, как обеспечить «мягкий пуск» ракеты, чтобы исключить непроизвольные толкания или задержку ракеты после открытия сопла. Для запуска необходимо установить ракету, поднять основную панель и вставить предохранитель, после его извлечения панель опускается, и зубья, удерживающие бутылку, раскрываются, запуская ракету (см. Рис. 1).
Рис. 1. Пусковая установка
При запуске ракеты, накачанной воздухом, она летела «куда попало». Решено установить 4 стабилизатора увеличенной площади на хвостовую часть бутылки, чтобы ее не кренило в разные стороны после старта. Стабилизаторы были сделаны из потолочной плитки в два слоя. Далее мы смоделировали крепления для стабилизаторов точно под их размер. После, соединив все крепления с бутылкой, вставили в них стабилизаторы и приклеили их на термоклей. Для успешного опыта построили тело ракеты с большим удлинением (удлинение - это отношение длины ракеты к ее толщине). Так из пластиковой бутылки получилась ракета (см. Рис. 2).
81аппа 1.А., Rastegaev Б.Б., Кигароу Е.Уи.
Рис. 2. Изготовленная ракета
Придумали, как замерять давление в ракете, обеспечив одинаковое давление воздуха во все опытах. Решено использовать автомобильный насос с манометром.
Экспериментально мы выяснили, как следует запускать ракету: если горизонтально или по параболе, то нужно учесть, что по инерции после движения ракеты жидкость переместится в сопло и сама станет рабочим телом, гораздо более плотным, чем воздух (сжатый воздух будет выталкивать воду). Центр тяжести ракеты после начала движения переместится в заднюю часть и сделает ракету малоуправляемой. Для управляемого полета мы предусмотрели стабилизатор и обтекатель, но этого оказалось недостаточно. Для того чтобы ракета летела по заданной траектории, нужно, чтобы центр тяжести ракеты находился как можно ближе к носу, обязательно перед хвостовыми стабилизаторами. Нами было решено запускать ракету вертикально вверх (чтобы центр тяжести ракеты плавно смещался к соплу ракеты, и она была относительно управляема).
Полезная нагрузка ракеты
Из вариантов были Arduino UNO и Arduino Nano. Остановились на Arduino Nano v3, т.к. этот микроконтроллер имеет достаточно малые размеры и вес. Также было принято решение установить барометр BMP280, который будет позволять сработать системе спасения за счет изменения давления на различной высоте, ведь ее наличие позволило сделать ракету многоразовой. Также мы установили чипсет для карты памяти. На неё будет записываться вся информация во время полёта.
В приборном отсеке разместили Arduino Nano, барометр, батарейку крона 9V и чипсет. Для этого мы взяли пятисантиметровый пенопластовый утеплитель и в нём вырезали место под аппаратуру. Этот утеплитель вставили в бутылку с обрезанным горлышком и днищем, а затем приклеили его к внутренней части бутылки. Над полезной нагрузкой находилась парашютная система. Из потолочной плитки мы сделали две пластины и два диска в два слоя каждый. Пластины расположили под 45° длинными сторонами друг к другу на два диска, сделали пазы для резинок, позволяющие выталкивать парашют, который был сделан из мусорного пакета. Вырезав из него круг и присоединив стропы, сделанные из ниток, скрепили всё скотчем. Дальше парашютную систему вставили в корпус ракеты, соединив сервопривод посредством канцелярской резинки с «дверцей», которая была вырезана в корпусе ракеты в месте вылета парашюта. На верхней части ракеты мы расположили напечатанный обтекатель с заполнением 8 %.
Когда основная часть изготовления ракеты была завершена, мы приступили к программированию микроконтроллера. Оно выполнялось в приложении Arduino IDE 2.0.1. Для себя мы выделили пять стадий полета ракеты и писали программу именно по ним. Первой стадией был подъем ракеты в воздух на высоту более двух метров, стадия 2 заканчивалась в точке апогея. Достигнув наивысшей точки, ракета начинала падать - стадия 3. При достижении данной стадии вёлся отсчет по высоте, и когда ракета опускалась более, чем на два метра ниже точки апогея, открывался парашют - стадия четыре. Стадия 5 была условной и лишь показывала конец полета ракеты (Рис. 3).
Starina I.A., Rastegaev D.D., Kurapov E.Yu.
/* Default settings from datasheet. */ bmp.setSamplingtAdafruit_BMP2S0::MODE_NORMAL, /* Operating Mode. */
Adafruit_BMP280::SAMPLING_X2, /* Temp. oversampLing */
Adafruit_BMP280::SAMPLING_X16I /* Pressure oversampLing '*/ Adafruit_BMP280::FILTERX16, /»Filtering. V
Adafruit_BMP2S0::STAWDBY_MS_500); /* Standby time. */ startAlt bmp.readAltitude( 313.: ); ///////////////////////////// // новые параметры датчика // bmp. setSampling(Adaf ruit_BMP2S0: :MODE_WORMAL, /* Operating Mode. '*/
I Adafruit_BMP280: :SAMPLING_X2, /* Temp. oversampLing V Adafruit_BMP280::SAMPLING_X16I /*Pressure oversampLing */ Adafruit_BMP280::FILTEROFF, /* Filtering. V
Adafruit_BMP280::STANDBYMS63); /* Standby time. */
} // конец, set up voidloop() {
if(lreadyOK) { // если ракета не в состоянии готовности
returr; // ничего не делаем
}
/////////////////// // высота ракеты // curAlt = bmp.readAltitude(1913.25); // получаем текущую высоту
if (maxAlt<curAlt) {
maxAlt = curAlt; // обновляем значение максимальной высоты
>
Рис. 3. Часть кода, отвечающего за спасение ракеты
Было решено просчитать экономическую составляющую ракеты. В расчет мы включили все затраченные на ракету материалы, включая воду и электроэнергию. Суммарная стоимость нашей ракеты составила 872 рубля.
Заключение и выводы
В ходе выполнения проекта мы поняли, что в зависимости от формы объема бутылки будут различаться полетные характеристики ракеты.
Ракета должна быть наполнена водой в строго указанном количестве, это 1/3 от общей длины всей бутылки. Опытным путем легко убедиться, что заливать слишком много воды, как и слишком мало, не стоит, так как в первом случае для воздуха остается слишком мало места, а во втором -слишком много. Тяга двигателя в этих случаях будет очень слабой, а время работы - непродолжительным. При открытии клапана сжатый воздух начинает выбрасывать воду через сопло, в результате чего возникает тяга, и ракета развивает соответствующую скорость (около 12 м/с). Следует иметь в виду, что на величину тяги влияет также площадь поперечного сечения сопла. Модель, запущенная без воды, была очень легкой и поднималась только на 2-5 м.
В результате испытаний было замечено, что модель обладает хорошей устойчивостью и тенденцией ориентироваться против ветра, как при наличии тяги, так и после окончания работы двигателя. Время полета
модели от старта до момента приземления в зависимости от достигнутой высоты составляет 10-12 секунд.
Наши перспективы
Изготовить многоступенчатую пневмогидравлическую ракету с программируемой системой спасения, которая будет состоять из несколько бутылок, определить высоту подъема последней ступени. Рекорд на высоту полета такой ракеты составляет 600 метров, не каждая стандартная модель ракеты сможет достигнуть такой высоты. При этом ракета должна будет поднимать существенную полезную нагрузку, например, некоторые фотоаппараты или мини видеокамеры и провести успешно аэрофотосъемку.
Анализ полученных нами результатов позволяет сделать выводы:
1. Максимальная высота полёта ракеты достигается при давлении в 4 атмосферы и объеме воды 0,3 литра.
2. Критические параметры полета ракеты: отношение массы воды к массе ракеты растет прямо пропорционально, однако при массе воды 400 г наблюдается уменьшение дальности полета и высоты подъема одновременно. Можно предположить, что уменьшение кинетической энергии ракеты связано:
• с дисбалансом системы,
• с разбрызгиванием струи при растворении газа в сосуде при данной массе воды.
3. Уменьшение кинетической энергии объясняется теоретически формулой Циолковского Хр/Хв=Ы(1+Мв/Мр).
«Если увеличить скорость вытекающих из ракеты газов, то возрастет и скорость самой ракеты. Если увеличить вес топлива (по сравнению с весом самой ракеты), то возрастает и ее скорость. Значит, нужно стремиться использовать легкие и прочные материалы для частей ракеты, чтобы вес ее был возможно меньшим. В современной далеколетающей ракете отношение веса топлива к полному весу ракеты составляет 0,7», - пишет Б.В. Ляпунов в своей книге «Рассказы о ракетах» [1], что соответствует нашим результатам - 0,877.
Литература
1. Ляпунов Б.В. Рассказы о ракетах / Под ред. М.К.
Тихонравова. - М.: Гос. энергетическое изд-во, 1950. - 136 с.
