Авиация и воздухоплавание    Новости    Библиотека    Энциклопедия    Ссылки    Карта проектов    О сайте






предыдущая главасодержаниеследующая глава

Тема 10. Ракета. Модели ракет

Цель. Дать учащимся понятие о реактивном движении, ознакомить с устройством и назначением ракет, изготовить модели ракет.

Методические рекомендации. На изучение этой темы рекомендуется отвести 14 ч - 7 занятий. Одно из них следует посвятить теме "СССР - родина космонавтики". При этом желательно использовать плакаты, рисунки, репродукции на космическую тему. Большую помощь в проведении данного занятия могут оказать, например, такие книги: Леонов Л., Соколов А. Ждите нас, звезды. М., Молодая гвардия, 1967; Лебедев Л., Лукьянов Б., Романов А. Сыны голубой планеты. М., Политиздат, 1971; Колл. Салют на орбите. М., Прогресс, 1977; Шаталов В., Ребров М. Космос: рабочая площадка. М., Детская литература, 1978; Орбиты сотрудничества/Под ред. Б. Петрова и В. Верещетина. М., Машиностроение, 1983.

Теоретический материал об основах полета и простейшую методику расчета моделей ракет следует изложить в доступной форме.

В процессе практической работы каждый кружковец должен построить модель одноступенчатой ракеты под стандартный двигатель. Руководитель предлагает учащимся чертеж простой, уже летавшей модели. Некоторые кружковцы захотят изготовить такую же, другие внесут изменения. Можно посоветовать сделать эскиз будущей модели. Подготовленным кружковцам, затрачивающим на постройку этой модели меньше отведенного времени, можно предложить выполнить модель двухступенчатой ракеты. А модель-копию первой жидкостной ракеты "09" рекомендуем изготовить в пионерском лагере.

Так как модели ракет снабжены ракетными двигателями, руководитель должен обратить особое внимание кружковцев на соблюдение правил безопасности при работе с ними. Категорически запрещается изготовлять самодельные двигатели.

На теоретической части занятий советуем сообщить следующие сведения.

Ракета - это летательный аппарат тяжелее воздуха, полет которого основан на реактивном принципе.

Первые ракеты появились в Китае вскоре после изобретения пороха. Они служили для фейерверков. Много позднее ракету стали применять и в военных целях. Это были обыкновенные стрелы с прикрепленными к ним бумажными гильзами, заполненными дымным порохом. Стрелу запускали из лука, а порох поджигали шнуром. Сноп пламени, вылетавший из ракеты, пугал противника, а реактивная сила увеличивала дальность полета стрелы.

Появление в Европе первой ракеты "летающий огонь" относится к 1250 г. Научного объяснения причин полета ракет в то время не было. Только после того, как в 1687 г. Ньютоном был сформулирован третий закон механики, стал понятен принцип реактивного движения.

Первое упоминание о русских боевых ракетах относится к 1607-1621 гг. В 1680 г. было основано первое "ракетное заведение", занимавшееся производством ракет. Созданная им сигнальная ракета находилась на вооружении русской армии более 150 лет.

Большой вклад в развитие отечественной ракетной техники внес русский ученый-артиллерист генерал А. Д. Засядько (1779-1837). Благодаря его трудам были созданы и приняты на вооружение ракеты с дальностью полета до 3 км.

Русский ученый в области артиллерии, ракетной техники, приборостроения генерал К. И. Константинов (1817-1871) разработал основы баллистики ракет и внес много усовершенствований в конструкцию и технологию изготовления пороховых ракет.

Несмотря на успехи в области применения боевых ракет, в середине XIX в. ракета теряет свое значение. После изобретения нарезного оружия артиллерия стала обладать большей кучностью стрельбы.

В XIX в. авторы ряда проектов предлагали использовать ракету в качестве двигателя летательного аппарата. Наиболее близко подошел к идее использования ракетного двигателя для космического полета молодой революционер-народник, изобретатель Н. И. Кибальчич (1853-1881). Находясь в заключении за участие в покушении на царя, он в 1881 г. разработал "Проект воздухоплавательного прибора". Это был аппарат, работающий по принципу ракеты.

Впервые идея полета ракет в космос получила научное обоснование в классических трудах К. Э. Циолковского (1857-1935). Один из них - "Исследование мировых пространств реактивными приборами". В нем впервые в мире были высказаны многие идеи, которые до сих пор использует космонавтика.

В годы Советской власти большая работа в области ракетной техники велась под руководством советского ученого и изобретателя Ф. А. Цандера (1887-1933). В 1931 г. при Центральном совете Осоавиахима была организована группа изучения реактивного движения - ГИРД. В ее создании участвовал и С. П. Королев (1906-1966), ставший крупнейшим конструктором ракетно-космических систем. 17 августа 1933 г. совершила полет первая советская жидкостная ракета "09" конструкции Героя Социалистического Труда профессора М. К. Тихонравова (1900-1974). Двигатель ракеты работал на жидком кислороде и желеобразном бензине, развивая силу тяги в 0,5 кН.

В послевоенные годы в СССР были освоены различные ракеты и проведены обширные исследования космического пространства. А 4 октября 1957 г. запуском первого искусственного спутника Земли был начат штурм космоса.

12 апреля 1961 г. впервые в истории человечества гражданин СССР Юрий Алексеевич Гагарин проник в космическое пространство. Космический корабль "Восток" был выведен на орбиту мощной ракетой-носителем.

В последние два десятилетия освоение космоса получило широкий размах. Советскими конструкторами созданы для этой цели новые мощные ракеты.

Ракеты различают по следующим признакам: по наличию несущих плоскостей - крылатые и бескрылые; по способу управления - неуправляемые и управляемые; по принципу свободного полета - аэродинамические, баллистические, космические; по назначению - боевые, сигнальные, метеорологические,. геофизические и др.; по числу ступеней - одно- и многоступенчатые.

Ракета обычно состоит из корпуса, оперения, органов управления, двигателя, топливной системы и оборудования. Подъемная сила ракеты создается силой тяги ракетного двигателя (только у крылатых ракет подъемная сила создается при полете в атмосфере несущими поверхностями - крыльями).

В зависимости от употребляемого топлива различают ракетные двигатели жидкостные (ЖРД), в которых компоненты топлива до поступления в камеру сгорания находятся в жидком состоянии, и на твердом топливе (РДТТ), в которых компоненты топлива до начала химической реакции находятся в твердом состоянии. У ЖРД и РДТТ энергия топлива последовательно преобразуется сначала во внутреннюю, а затем в механическую энергию газообразных продуктов сгорания, вытекающих из сопла двигателя. Принцип работы двигателей ЖРД и РДТТ одинаков.

Рассмотрим, как создается сила тяги ракетного двигателя. Если поместить в закрытый со всех сторон сосуд некоторое количество пороха и поджечь его (рис. 27, а), то при сгорании пороха образуется газ, который стремится расшириться и занять больший объем, чем занимал до воспламенения порох. Если же в стенке сосуда сделать отверстие (рис. 27, б), через него с большой скоростью начнут выходить пороховые газы; сила, действующая на эту стенку, уменьшится, так как ее площадь стала меньше площади противоположной стенки: появится разность сил, которая и представляет собой силу тяги.

Рис. 27. Горение пороха в сосудах: а - закрытом; б - открытом
Рис. 27. Горение пороха в сосудах: а - закрытом; б - открытом

Сила тяги ракетного двигателя возникает вследствие выбрасывания из него массы газообразных продуктов сгорания, т. е. является реактивной силой Fр. Действие ее можно сравнить с действием силы отдачи при стрельбе из винтовки.

Величина реактивной силы, зависит не только от количества, но и от скорости выбрасываемой массы газов.

В ракетном моделизме используют только двигатели твердого топлива. Самый простой и наиболее доступный - пороховой ракетный двигатель. В СССР разработано 17 типов модельных ракетных двигателей (МРД) с импульсом от 2,5 до 20 Н×с (табл. 2).

Таблица 2. В СССР разработано 17 типов модельных ракетных двигателей (МРД) с импульсом от 2,5 до 20 Н×с
Таблица 2. В СССР разработано 17 типов модельных ракетных двигателей (МРД) с импульсом от 2,5 до 20 Н×с

Модельные ракетные двигатели предназначены для создания движущей силы и раскрытия системы спасения моделей ракет.

МРД состоит из прочного бумажного корпуса, в который запрессованы сопло, заряд твердого топлива, замедлитель и вышибной заряд (рис. 28). Тяга МРД создается в результате истечения через сопло продуктов сгорания топлива; после загорания замедлителя образуется дымовой след для удобства наблюдения за полетом модели. После сгорания замедлителя воспламеняется вышибной заряд, что приводит к срабатыванию системы спасения модели.

Рис. 28. Разрез модельного ракетного двигателя: 1 - корпус (оболочка); 2 - пыж; 3 - вышибной заряд; 4 - замедлитель; 5 - топливо; 6 - сопло; D - наружный диаметр, мм; L - длина, мм
Рис. 28. Разрез модельного ракетного двигателя: 1 - корпус (оболочка); 2 - пыж; 3 - вышибной заряд; 4 - замедлитель; 5 - топливо; 6 - сопло; D - наружный диаметр, мм; L - длина, мм

Запуск МРД должен быть дистанционным, с расстояния не менее 10 м от стартового устройства. Для воспламенения МРД лучше всего применять воспламенители из нихромовой проволоки диаметром 0,2-0,3 мм, на которую нанесен пиротехнический состав. При накаливании проволоки электрическим током пиротехнический состав воспламеняется и зажигает заряд твердого топлива двигателя.

По маркировке на корпусе можно узнать о характеристике МРД, например МРД 20-10-4: 20 - суммарный импульс тяги, Н×с; 10 - средняя тяга, Н; 4 - время горения замедлителя, с; МРД 2,5-3-0: 2,5 - суммарный импульс тяги, Н×c; 3 - средняя тяга, Н; 0 - замедлителя нет. Во избежание отстрела двигателя в момент срабатывания вышибного заряда его следует надежно закреплять в модели (для этого можно использовать фиксатор, плотную посадку с клеем "Аго").

Перед установкой МРД в модель необходимо провести визуальный осмотр двигателя. Иногда на наружной части вдоль корпуса видны три небольшие складочки от матрицы при запрессовке топлива - зиги. Если зиги имеют ширину 1-1,5 мм, двигатель для ответственных стартов лучше не применять, так как по зигам может произойти разрыв корпуса. Могут быть и поперечные складки на корпусе, в основном в районе сопла. Такой двигатель тоже лучше отложить для тренировочных запусков. Кроме того, нужно проверить наличие вышибного заряда: сверху острым предметом (тонким пинцетом, иголкой) поднять бумажный пыж и, убедившись в наличии пороха, установить его на прежнее место.

Меры предосторожности при запуске. Для запуска МРД следует применять только воспламенитель, причем, вставляя в канал сопла, его надо закреплять, но ни в коем случае не забивать в сопло. В противном случае взрыв двигателя неизбежен.

Запуск МРД производят только вместе с моделью или на стенде; в случае отказа зажигания подходить к модели (МРД) можно не ранее чем через 1 мин.

Модели ракет запускают только с пускового устройства, оснащенного направляющим штырем (стержнем) или другими направляющими длиной не менее 1 м; допустимое отклонение стержня от вертикали не более 30°. Для предотвращения травм глаз верхний конец стержня должен находиться не ниже 1,5 м от земли.

Площадка для запуска моделей ракет в радиусе 1 м от пускового устройства должна быть очищена от сухой травы и других легковоспламеняющихся материалов.

Одно из условий полета модели ракеты по заданной траектории - ее устойчивость, т. е. способность возвращаться в положение равновесия, нарушенное внешней силой, после прекращения действия последней.

Аэродинамическая устойчивость зависит от взаимного расположения центра тяжести (ЦТ) и центра давления (ЦД). Центр давления - точка приложения всех аэродинамических сил. Если ЦТ расположен позади ЦД, аэродинамические силы создают момент, увеличивающий угол атаки. Такая модель будет неустойчивой в полете. Если ЦТ расположен впереди ЦД, при изменении угла атаки аэродинамические силы создают момент, который возвращает модель ракеты к нулевому углу атаки. Такая модель будет устойчивой. Чем дальше смещен ЦД относительно ЦТ, тем устойчивее ракета.

Отношение расстояния от ЦД до ЦТ к длине ракеты называется запасом устойчивости. Для ракет со стабилизаторами он составляет 5-15%.

Поскольку формулы для определения ЦТ сложны, можно предложить приближенный практический способ его нахождения. Из листового материала (картона, фанеры, целлулоида) вырезают фигуру по контуру модели ракеты и находят ее ЦТ. Это и будет искомый ЦД модели.

В полете по мере выгорания топлива положение ЦТ может меняться, но в любом случае ЦТ должен оставаться впереди ЦД. Если топливо (двигатель) размещается в хвостовой части модели, то при выгорании его ЦТ будет смещаться к носовой части ракеты и ее устойчивость увеличивается. Крайние положения ЦТ определяют балансировкой модели, готовой к старту, и модели после выгорания топлива.

Устойчивость модели можно обеспечить: утяжелением ее носовой части; смещением ЦД к хвостовой части, увеличивая площадь или изменяя расположение стабилизаторов.

Для стабилизаторов используют тонкие симметричные профили. Применение тонкой пластины упрощает изготовление модели, практически не влияя на ее аэродинамические качества.

Корпус модели ракеты представляет собой тело вращения. Рас ширяющийся конус хвостовой части (наилучшая форма) обеспечивает наибольшую устойчивость модели. При выборе длины корпуса удлинение λ следует брать в пределах 10-25: λ = lк/d, где lк - длина корпуса; d - диаметр корпуса.

Наиболее распространенный материал для корпусов моделей ракет - бумага (например, рисовальная, полуватман, ватман). Склеивают бумажные корпуса на оправках столярным или казеиновым клеем. Бумага может быть в 2-3 слоя - в зависимости от ее толщины. Диаметр МРД различен. Если строить; мидель с двигателем диаметром 20 мм, диаметр корпуса должен быть больше этого размера. При λ = 20 длину корпуса получаем равной 400 мм. Это и будет длиной бумажной заготовки для корпуса. А ширину заготовки можно определить по формуле длины окружности С = nd, где d - диаметр оправки. Если корпус делают из двух слоев бумаги, то ширина заготовки будет lo = 2C = 2nd; если из трех, то l0 = 3πd. К полученному размеру следует прибавить 10-15 мм на припуск для шва. Можно определить ширину заготовки для корпуса, обмотав два раза оправку полоской бумаги и прибавив 10-15 мм на шов.

Заготовку располагают так, чтобы ее длина была направлена вдоль волокон бумаги.

Особо прочные корпуса изготавливают из стеклопластика.

Основной материал для стабилизаторов - авиационная фанера толщиной 1-2 мм; применяют также липу и бальзу.

Парашют для одноступенчатой модели выполняют из бумаги, шелка, капрона, металлизированной пленки.

Наиболее трудно изготовить корпус. Поэтому вначале лучше научить ребят клеить трубочки для направляющих колец. Оправкой может служить круглый карандаш. Просушенные трубочки разрезают ножом на кольца шириной 5-8 мм.

Модель одноступенчатой ракеты (рис. 29). Корпус состоит из двух слоев чертежной бумаги; склеен столярным клеем на оправке диаметром 19 мм. Направляющие кольца - из четырех слоев чертежной бумаги, оправкой для их склеивания может служить карандаш диаметром 6 мм.

Рис. 29. Разрез модели одноступенчатой ракеты: 1 - стабилизатор; 2 - двигатель; 3 - предохранительный пыж; 4 - корпус; 5 - парашют; 6 - стропы парашюта; 7 - головной обтекатель
Рис. 29. Разрез модели одноступенчатой ракеты: 1 - стабилизатор; 2 - двигатель; 3 - предохранительный пыж; 4 - корпус; 5 - парашют; 6 - стропы парашюта; 7 - головной обтекатель

Три стабилизатора изготовлены, из фанеры толщиной 1 мм и присоединены встык к нижней части корпуса нитроклеем.

Головной обтекатель выточен на токарном станке из березовой древесины. Крепят его к верхней части корпуса с помощью резинового амортизатора.

Купол парашюта диаметром 500 мм изготавливают из микалентной бумаги; 18 стропов из ниток № 10 крепят к головному обтекателю.

Собранную модель покрывают нитролаком (эмалитом) и окрашивают в черный и желтый цвета (полосами). Масса модели без двигателя 25 г.

Модель ракеты "РВ-100" (рис. 30). Сконструирована для соревнований "спуск на ленте" и на высоту полета. Для ее запуска применяют двигатель МРД 2,5-3-3.

Рис. 30. Модель ракеты с лентой 'РВ-100': 1 - головной обтекатель; 2 - нить подвески; 3 - лента; 4 - корпус; 5 - стабилизатор; 6 - резинка-амортизатор: 7 - направляющее кольцо
Рис. 30. Модель ракеты с лентой 'РВ-100': 1 - головной обтекатель; 2 - нить подвески; 3 - лента; 4 - корпус; 5 - стабилизатор; 6 - резинка-амортизатор: 7 - направляющее кольцо

Корпус длиной 190 мм формуют из стеклопластика на двух оправках: переменного сечения и диаметром 18 и 13 мм. Три стабилизатора вырезают из липовой пластины и встык приклеивают к корпусу эпоксидным клеем. Направляющие кольца диаметром 4 мм и длиной 3 мм - из стеклопластика. Резинку-амортизатор крепят к корпусу снаружи в районе центра тяжести модели (ЦТ определяют для модели с двигателем). Тормозная лента - из лавсановой пленки толщиной 0,4 мм.

Масса модели без двигателя 8 г.

Модель-копия ракеты "09" (рис. 31). 17 августа 1933 г. под Москвой в Нахабино была запущена первая советская ракета "09" конструкции М. К. Тихонравова. Модель-копия знаменитой гирдовской ракеты "09" (ГИРД - группа изучения реактивного движения) разработана (в масштабе 1:4) на станции юных техников г. Электростали.

Рис. 31. Модель-копия ракеты '09': 1 - головной обтекатель; 2 - приборный отсек; 3 - боковой обтекатель; 4 - стекло манометра; 5 - ребра жесткости; 6 - корпус; 7 - стабилизатор; 8 - хвостовой обтекатель, 9 - МРД 20-10-4; 10 - шпангоут; 11 - обтекатель стабилизатора; 12 - упорный шпангоут; 13 - свеча зажигания; 14 - направляющие кольца
Рис. 31. Модель-копия ракеты '09': 1 - головной обтекатель; 2 - приборный отсек; 3 - боковой обтекатель; 4 - стекло манометра; 5 - ребра жесткости; 6 - корпус; 7 - стабилизатор; 8 - хвостовой обтекатель, 9 - МРД 20-10-4; 10 - шпангоут; 11 - обтекатель стабилизатора; 12 - упорный шпангоут; 13 - свеча зажигания; 14 - направляющие кольца

Прежде всего надо изготовить оправку для выклейки корпуса. Ее можно выточить из дюралюминия, причем внешние диаметры необходимо сделать на 1 мм меньше соответствующих размеров модели.

Корпус клеят из двух слоев чертежной бумаги; цилиндрическую и коническую части выклеивают отдельно. Оболочки торцуют острозаточенным ножом, зажав их вместе с оправкой в патрон токарного станка. Затем элементы корпуса снимают с болванки и склеивают.

Боковые обтекатели штампуют из тонкого целлулоида. К цилиндрической части корпуса их прикрепляют нитроклеем. Там же прорезают отверстие и закрывают изнутри целлулоидным диском - это имитация остекления манометра.

В нижней части корпуса вклеивают два шпангоута, выточенных из липы; верхний шпангоут - упорный.

Стабилизаторы вырезают из липы. Для прочности их поверхности оклеивают стеклотканью. Стабилизаторы крепят к корпусу эпоксидным клеем, места стыков усиливают бальзовыми (липовыми) обтекателями.

Вдоль корпуса сверху вниз проходят восемь ребер жесткости, их можно выстругать из липовых реек длиной 310 мм. Направляющие кольца - из жестяных полосок шириной 2 мм. Их крепят к корпусу эпоксидным клеем.

Головной обтекатель вытачивают из липы. Для облегчения детали внутри протачивают полость.

Съемный хвостовой обтекатель формуют из стеклопластика. После установки ракетного двигателя его прикрепляют к шпангоуту корпуса четырьмя винтами М2.

Парашют вырезают из микалентной бумаги; диаметр его купола 750 мм.

После сборки модель сначала покрывают двумя слоями клея АК-20, а затем шпаклюют и обрабатывают шкуркой. Окончательная отделка - покраска в серебристый цвет ("серебрянкой"); надписи "СССР" и "09" - черные, звезда - красная. После окончательной отделки масса модели должна быть в пределах 120 г. На модель устанавливают двигатель МРД 20-10-4.

Запуск моделей. Для безопасного запуска моделей ракет необходимо стартовое оборудование, состоящее из пускового устройства, пульта управления и проводников для подачи электропитания к нити накаливания.

Пусковое устройство должно ограничивать движение модели по горизонтали до тех пор, пока не будет достигнута скорость, надежно обеспечивающая безопасный полет по намеченной траектории. Применять встроенные в пусковую установку механические устройства, помогающие при запуске, запрещается.

Простейшее пусковое устройство - направляющий штырь диаметром 5-6 мм, длиной 1,4-1,5 м, ввинчиваемый в стартовую плиту. Угол наклона штыря к горизонту должен быть более 60°. Пусковое устройство придает модели определенное направление полета и обеспечивает хорошую скорость в момент схода модели с направляющего штыря.

Запуск или воспламенение топлива должны осуществляться при помощи дистанционного электрического пульта управления, расположенного на расстоянии не менее 10 м от модели. Пулы управления - это коробка, в которой размещены электрические батареи или аккумуляторы. На одной из крышек должны быть установлены сигнальная лампа, блокировочный ключ и кнопка запуска.

Для подачи питания лучше использовать медный изолированный провод диаметром не менее 0,2-0,3 мм. Спираль накаливания изготавливают из нихромовой проволоки диаметром 0,3-0,4 мм; число витков спирали зависит от типа батарей питания.

Проведение соревнований. С моделями одноступенчатых ракет можно проводить соревнования на высоту и время полета. Наиболее простой и доступный вид состязаний в школьных кружках и пионерских лагерях - соревнование на время полета ("парашютирование"); его цель - добиться наибольшей продолжительности полета модели ракеты.

Очень интересны для зрителей соревнования "спуск на ленте". По правилам соревнований, принятым в СССР, минимальное отношение длины ленты к ее ширине 10: 1. Весь полет происходит на виду у участников и зрителей. Победителя можно определять по одному запуску, а также по сумме результатов в нескольких турах. Соревнования "спуск на парашюте" проводят в 5 туров с ограничением времени фиксации. Победителем считается участник, набравший наибольшее число очков (1 с соответствует 1 очку). Время фиксируется от начала движения модели ракеты на пусковой установке до момента касания ею земли или того момента, когда модель скроется из вида. Если во время полета обрывается головной обтекатель или корпус, полет не засчитывают. Полет считается невыполненным и оценивается в ноль очков, если у модели не раскрылся парашют.

Для проведения соревнований желательно выбрать площадку вдали от жилых помещений, линий электропередач и деревьев.

предыдущая главасодержаниеследующая глава





История воздухоплавания


Диски от INNOBI.RU
© Карнаух Лидия Александровна, подборка материалов, оцифровка; Злыгостева Надежда Анатольевна, дизайн;
Злыгостев Алексей Сергеевич, разработка ПО 2001-2017
При копировании материалов проекта обязательно ставить ссылку на страницу источник:
http://fly-history.ru/ "Fly-History.ru: История авиации и воздухоплавания"