Проекты

Проект ракеты с твердотопливным двигателем

Работа призёра конкурса проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «Прикладная физика» среди работ учащихся 10–11 классов

Направление работы: Инженеры
Авторы работы: ГБОУ Школа № 827
Предметы: Физика
Классы: 11 класс
Мероприятия: Конкурс проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» 2021 года

Актуальность

Достижения в области современных технологий, таких как химия, микроэлектроника и аддитивные технологии позволяют раскрыть потенциал малой ракетной техники. Дешёвые запуски этих ракет позволяют удовлетворить потребности в различных сферах научной и хозяйственной деятельности человека: изучение атмосферы, управление погодой, распыление удобрений, создание маскировочных покровов, обеспечение     конфиденциальности, защита от дронов. Для эффективного решения задач требуется отработанная методика проектирования ракет с малой себестоимостью.

Цель

Разработать методику проектирования ракет с минимальной высотой полёта 700 метров, разработать технологию их изготовления и произвести запуск.

Задачи

  1. Проанализировать различные методики проектирования ракет.
  2. Рассчитать и спроектировать основные части ракеты.
  3. Разработать технологию изготовления элементов ракеты.
  4. Изготовить элементы ракеты.
  5. Собрать ракету и произвести запуск.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

  • Электроплитка
  • Компоненты топлива (калиевая селитра, сорбит)
  • Офисная бумага, силикатный клей
  • Капроновая нить, ПВХ-труба
  • Глина, газовая горелка
  • 3D-принтер и пластик для печати
  • Персональный компьютер с установленным ПО (программа Autodesk Fusion 360, программа конструирования модельных двигателей Rocki-motors, Arduino)

Описание

Автор провёл анализ существующих методик проектирования ракет и составил план работы над проектом:

1. Создание и анализ опытного образца

2. Определение технических характеристик ракеты

3. Расчёт и создание модели ракеты и её основных систем

4. Сборка ракеты и её частей

5. Проведение испытаний

Все элементы ракеты кроме двигателя и корпуса были спроектированы с помощью программы САПР и напечатаны на 3D-принтере.

Корпус ракеты будет выполнен из трубы с внутренним радиусом в 1,8 см, на крепление и стенку двигателя оставим 3 мм на радиус, тогда получим максимально возможный радиус топливной шашки в 1,5 см.

Для минимизации нагрева корпуса двигателя и простоты его изготовления топливный канал будет проходить по всей длине двигателя, как следствие – получим схему твердотопливного двигателя с прогрессивным горением. Назначим радиус топливного канала 0,5 см – эмпирическая величина, назначена исходя из анализа двигателей ракет со схожими характеристиками.

Топливо – «сорбитовая карамель». Курс физики средней школы не позволяет рассчитать давление внутри корпуса двигателя, а значит и критическое сечение сопла. Для расчёта этих величин занесём полученные характеристики двигателя в программу для конструирования модельных двигателей Rocki-motors.

Проверка надёжности креплений и соединений модели ракеты перед проведением испытания осуществлялась в ручном режиме сильным потрясанием ракеты и вращением вокруг оси, проходящей через точку масс. Запуск ракеты прошёл по заданным параметрам. Длина направляющей была назначена 2 м, исходя из анализа ракет со схожими характеристиками. Время полёта составило 25 секунд, это может свидетельствовать, что ракета поднялась на требуемую высоту. Задачи проекта решены.

Результаты работы/выводы

В результате работы создана методика проектирования ракет, доступная молодёжи школьного возраста. Разработана технология изготовления ракеты из доступных и дешёвых материалов.

Проведены тесты, подтверждающие расчётные характеристики двигателя.  По разработанной методике спроектирована и запущена ракета, способная достичь высоты 700 метров, с полезным грузом в 0,1 кг.

Перспективы использования результатов работы

В перспективе использование современной электроники типа Arduino позволит в процессе полёта ракеты получать характеристики полёта и управлять исполнительными органами полезной нагрузки.

Формирование сводной таблицы взаимосвязи требуемой высоты и массы полезного груза с минимально требуемыми характеристиками ракеты и двигателя, способными выполнить поставленные задачи, позволит внедрить модульный принцип компоновки ракет.

Использование малых ракет, изготовленных из дешёвых материалов на промышленной основе, позволит кардинально снизить стоимость их запуска. Это поможет расширить сферу применения малой ракетной техники.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

МГТУ им. Н. Э. Баумана и НИУ ВШЭ

Мнение автора о своей работе, проекте «Инженерный класс в московской школе», конференции «Инженеры будущего», пожелания

«Проект даёт уникальную возможность попробовать себя в технической сфере. Также победителям будет легче поступить в МГТУ им. Н.Э. Баумана и другие технические институты, что не может не радовать. Нам всё понравилось, огромное спасибо организаторам и школе за предоставление такой возможности!»