Исследовательская работа по физике "Создание простейшего ракетного двигателя и исследование зависимости высоты полёта от его конструкции"

Управление образования администрации Арзамасского муниципального района МБОУ Новосёлковская средняя школа

Региональный этап Всероссийского конкурса юношеских исследовательских работ им. В. И. Вернадского

«Создание простейшего ракетного двигателя и исследование зависимости высоты полета от его конструкции»

Выполнил:

                                                             Корнилов Антон Владимирович -10 класс

МБОУ Новосёлковская СОШ

Арзамасского района

Нижегородской области

Руководитель:

Шиндина Татьяна Николаевна,

учитель физики высшей

квалификационной категории

Адрес школы:

607264д. Бебяево д.40в

Арзамасский район

Нижегородская область

МБОУ Новосёлковская СОШ

Тел. [phone]

Факс [phone]                        

                                                            2015

Содержание

стр

Введение3

Обзор литературы                                                                            4 - 6

Создание и усовершенствование конструкции

простейшего реактивного двигателя 7 - 13

Выводы и заключение                                       14

Список литературы 15

Приложение                                                                               16 - 18

Введение

Идея создания реактивного двигателя зародилась у меня давно – в 6 классе. На реализацию этой идеи не было необходимых знаний. В 9 классе мы изучали закон сохранения импульса и кратко рассмотрели реактивное движение. Для расширения своих знаний по реактивному движению обратился к Интернету. Осуществление своей мечты решил реализовать во время летних каникул. В интернете я нашел большое количество материалов по этой теме: подробное описание двигателя, самого топлива на котором работает двигатель. С теоретическими основами космических полетов более подробно познакомился в учебниках по физике для 10 класса под редакциями Перышкина А. В и Касьянова В. А.Читая статьи и просматривая видео, меня все сильнее затягивала мысль о построении такого изделия.  Для осуществления своей мечты необходимо реализовать следующую цель: создать ракету на примере простейшего ракетного двигателя.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1.     Изучить литературу по данной теме

2.     Сконструировать модели для реактивного движения

3.     Создать простейший ракетный двигатель для запуска ракеты

4.     Усовершенствовать конструкцию простейшего реактивного двигателя

Обзор литературы

В основе реактивного движения лежит закон сохранения импульса. Импульсом тела  называется величина произведению массы тела на его скорость =m. Эта величина была введена в науку примерно в тот же период времени, когда Ньютоном были открыты основные законы динамики (то есть в конце XVII в). Импульс каждого из тел, входящих в замкнутую систему может менять в результате взаимодействия их друг с другом. Система называется замкнутой вдоль определенного направления, если проекция равнодействующих сил на это направление =0.

Векторная сумма импульсов тел, составляющих замкнутую систему, не меняется с течением времени при любых движениях и взаимодействиях этих тел. В этом заключается закон сохранения импульса.

m₁₁+ m₂₂= m₁₁^,+ m₂₂^,.

Рассмотрим несколько примеров, подтверждающих справедливость закона сохранения импульса. Рассмотрим воздушный шарик. Пока отверстие шарика завязано, шарик находится в покое, и его импульс равен нулю. При открытом отверстии из него с довольно большой скоростью вырывается струя сжатого воздуха. Согласно действующему в природе ЗСИ шарик начинается двигаться в противоположную струе сторону с такой скоростью, что его импульс равен по модулю импульсу воздушной струи. Движение шарика, медузы, кальмара является примером реактивного движения. Реактивное движение – движение, возникающее при отделении от тела с некоторой скоростью какой либо его части. При реактивном движении возникает отдача винтовки при выстреле, значительная отдача при использовании мощного брандспойта. Важным примером реактивного движения является движение ракеты. В ракетных двигателях горючее и  необходимый для его горения окислитель находятся непосредственно в внутри двигателе или в его топливных баках. Порох или какое другое топливо помещают внутрь камеры сгорания двигателя. При сгорании топлива  образуется газы, имеющие очень высокую температуру и оказывающие давление на стенки камеры. Когда реактивная струя выбрасывается с большой скоростью из ракеты, то ракета, вследствие отдачи, устремляется в противоположную строну, в соответствии с ЗСИ. Импульс системы ракета- продукты сгорания остается равным нулю. Так как масса ракеты уменьшается, то даже при постоянно скорости истечения газов ее скорость будет увеличиваться, постепенно достигая максимального значения. Сужение камеры сгорания (сопло) приводит к увеличению скорости истечения продуктов сгорания, так как через меньшее поперечное сечение в единицу времени должен пройти газ той же массы что и через большее поперечное сечение. Движение ракеты – это пример движения тела с переменной массой. Для расчета ее скорости используют не второй закон Ньютона, а закон сохранения импульса. Обозначим через _1x и _2x Проекции скорости истечения топлива и ракеты на ось Х.

 Получим m_11x+ m_22x =0.  Из закона сохранения импульса находим скорость ракеты  _2x= -_1x;  _р= _г. Реально истечение продуктов сгорания топлива происходит непрерывно, так что масса топлива убывает не мгновенно, а стечением времени.

Константин Эдуардович Циолковский (1857-1935) – русский ученый и изобретатель в области аэродинамики, ракетодинамики теории самолета и дирижабля; основоположник современной космонавтики предложил формулу для определения скорости ракеты

=u

где u – скорость истечения газов, - скорость ракеты, m-  масса полезной части ракеты  – масса топлива.

Создание и усовершенствование конструкции простейшего реактивного двигателя

Свою работу начал с попытки изготовить ракетный двигатель. Для этого изучил большое количество литературы по данной теме и принялся за работу. Корпусом для своего ракетного двигателя  решил взять полипропиленовую трубу диаметром 20мм

и бентонитовую глину для заглушек.

Самый главный компонент моей ракеты- это нитрат калия, который нужен для изготовления топлива. Когда  все материалы были приобретены, начал конструировать.  Для самого первого двигателя использовал корпус длиной  200мм. Заглушка была выполнена из бентонитовой глины, длина которой с обеих сторон составляла 40мм. (Бентонит– это природный глинистый минерал, гидроалюмосиликат, обладает свойством разбухать при гидратации (в 14—16 раз).В ограниченном пространстве для свободного разбухания в присутствии воды образуется плотный гель, препятствующий дальнейшему проникновению влаги.)Топливо изготавливалось по следующим пропорциям- 65% калийной селитры, 35%  сахара. Составляющие топлива измельчил в кофемолке до состояния пудры.Длина заряда топлива составляла 120мм и была очень плотно утрамбована. Для розжига топлива в одной из заглушек просверлил канал длинной 45мм и диаметром9 мм.В качестве запальника изготовил систему «электроспичка», которую придумал сам.  Такая электроспичка изготавливается просто и одновременноэффективна.

В основе такого способа лежит процесс  намотки нихромовой проволоки на обычную спичку. Позднее через этот виток пропускается электрический ток сила которого больше 0,5А. В нихромовой проволоке происходит короткое замыкание входе которой она плавиться и зажигает спичку, а спичка в свою очередь топливо. Такая система была изготовлена во избежаниенесчастных случаев.

В качестве стабилизатора  использовал высушенную веточку осины длинной 15 см. Этим стабилизатором ракета была воткнута в землю. Как позднее,  показал эксперимент, данная ракета не взлетела.

Неудачу первого опыта объяснил большой массой ракеты. Следующая модель немного изменил:длина корпуса -180мм, заглушек -30мм,канала для выхода газов -35мм.Стабилизатор и диаметр канала остались без изменений. Данные изменения не привели к взлёту ракеты. В результате эксперимента сделал вывод о том, что масса образца была не достаточно маленькой. Третью модель конструировал, облегчая двигатель. Длина корпуса -160мм, заглушек -20мм, канала для выхода газов -25мм, топливной камеры - 120 мм. Стабилизатор и диаметр канала остались без изменений. Данная ракета также так же не взлетела, но я не отчаивался и продолжал работать.

После последнего опыта вновь убрал часть корпуса.Длина корпуса -140мм, заглушек -10мм, топливной камеры - 120 мм, канала для выхода газов -15мм. Стабилизатор и диаметр канала остались без изменений, как и способ запуска.Первый отрыв от земли! Ракета оторвалась на несколько см от земли, но заглушка с каналом, не выдержав давления в камере, была выбита.

Пятую модель ракеты изготовил в соответствии размерам третьей. Опять не каких результатов такая конструкция не принесла.Сделал вывод о том, что неудача третьего эксперимента закономерна, и объясняется большой массой ракеты.В шестой модели изменил размеры топливной камеры -90 мм.  Длина корпуса -140мм, заглушек -20мм, канала для выхода газов -25мм.

Стабилизатор и диаметр канала остались без изменений, как и способ запуска. Ракета не смогла взлететь.

В следующей моделиизменил материал корпуса с полипропилена на бумагу. Длину корпуса не менял.Из старых журналов изготовил многослойный корпус. Но его масса была приблизительно равна массе корпуса из полипропилена. Процесс изготовления корпуса из бумаги трудоёмкий. Модель ракеты из бумаги была запущена, смогла оторваться от земли на несколько см, но, к сожалению, ракета завалилась на бок и упала.

После неудачного эксперимента с бумажным корпусом  снова взял полипропиленовый корпус. Но с изменением глухой заглушки. Она была убавлена на 10мм, так как я подумал, что она может перевешивать ракету. Снова успех, ракета оторвалась на несколько см от земли, но была выбита глухая заглушка из-за давления газов.

Я не отчаивался и продолжал работать. Вернул заглушку в исходное состояние, и решил изменить длину канала, объясняя это тем, что глубина каналаувеличивает площадь горения топлива. Следовательно,  количество газов, выходящих из сопла в единицу времени увеличивается. Длину канала увеличил в 2 раза. Она составила 50 мм. Ракета оторвалась от земли на несколько см, но по какой-то причине она не полетела вверх, а завалилась на бок и упала. Анализируя неудачи, сделал вывод о том, что нужно облегчить стабилизатор и сверлить канал строго по центру.

Расщепил сухую доску и выстрогал нужную для стабилизатора палочку длиной 20см. В конструкцию внёс изменения:углубил длину каналана 20мм, и она составила 70мм. Воткнув стабилизатор в землю, запустил ракету, но снова не удача ракета заваливалась на бок.

№	Длина корпуса, мм	Длина заглушек, мм	Длина канала	Длина топливной камеры, мм	Длина стабилизатора, см
1	200	40	45	120	15
2	180	30	35	120	15
3	160	20	25	120	15
4	140	10	15	120	15
5	160	20	25	120	15
6	140	20	50	90	15
7	140	20	70	90	50

Анализируя неудачи во время экспериментов, сделал вывод: ракете нужна направляющая.  Увеличил длину стабилизатора до 50см,  вставил стабилизатор в трубу, в которой он свободно скользил. И ура первый удачный запуск!!! Ракета полетела вертикально вверх выше крон деревьев.

Ракета на стартовой площадке

Старт ракеты

Оторвавшись от земли, взлетела на высоту пятиэтажного здания. Там топливо ракеты кончилось, и она упала  на землю. Высоту полета рассчитали по формуле h = , так как в наивысшей точке подъёма скорость ракеты равна 0, а t _{подъёма}  = t _{падения} = 0,5 t _полёта. Время падения – 3с. определи с помощью видео. Высота подъема ракеты 45м. По данным определил начальную скорость ракеты по формуле:  υ = υ₀ – gt, т.к. υ =0, то υ₀=30м/с

№	Масса ракеты (г)	Время полёта, t (с)	Нач. скор υ0 (м/с)	Высота, h(м)
1	65	7	35	61
2	85	6	30	45

                                     Выводы и заключение

В ходе  подготовки работы изучили  литературу о законе сохранения импульса иреактивном движении, познакомились с принципом работы ракеты. Сконструировали 2 модели ракет из различных материалов: полипропилена и бумаги. Собрали более 7 конструкций ракет из полипропилена и 1  - из бумаги. Убедились в том, что конструкция из полипропилена практичнее для использования постановки эксперимента. С отдельными конструкциями опыты проводились неоднократно. Эксперименты, позволяли проверить выдвинутые гипотезы. Убедились в том, что модель ракеты из полипропилена можно использовать для демонстрации реактивного движения. Провели эксперименты с различными конструкциями ракет. Усовершенствовали конструкцию ракетного двигателя, меняя глубину канала, массу ракеты, длину топливной камеры, стабилизатор. Исследовали зависимость высоты полета от массы ракеты и глубины канала. Чем меньше масса ракеты и длиннее глубина канала, тем больше высота подъема ракеты. В ходе работы установили, что стабилизатор служит не только для установки ракеты на землю, но и для вертикального запуска. Успех взлёта и дальность полета ракеты зависят от конструкции стабилизатора. Так использование трубы, на которую устанавливается ракета, уменьшает амплитуду колебания ракеты во время старта из – за уменьшения потерь энергии.

Следующим этапом работы является создание многоступенчатой ракеты для увеличения высоты подъёма. Свою работу продолжу в следующие летние каникулы.

Список литературы

1.     Перышкин А.В., Гутник Е.М Физика 9, М., Дрофа 2009г

2.     Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б. Сотский Н.Н. Физика 10, М., Просвещение 2009г

3.     Касьянов В.А.  Физика 10, М., Дрофа 2003г.

4.     https://ru.wikipedia.org

5.     http://kia-soft.narod.ru/interests/rockets/rk2/motor/motor.htm

6.     https://youtube.com

Приложение

Караме́льноето́пливо — твёрдое ракетное топливо, относящееся к смесевым топливам с органической связкой. Базовый, наиболее изученный и часто используемый состав — 65% КNО₃ и 35% сорбита (по массе). Такой состав близок к оптимуму по достижимому удельному импульсу при небольших степенях расширения, характерных для модельных РДТТ. Умеренный показатель степени в законе горения делает топливо пригодным для работы в широком диапазоне давлений, и, как следствие, подходящим для кустарно изготавливаемых РДТТ с заметным разбросом геометрических характеристик.

Энергетические характеристики данного состава очень умеренные. Теоретический удельный импульс карамельного топлива на нитрате калия — 153 кгс*с/кг, а практически достижимый не превышает 125 единиц. Это меньше, чем у дешёвых баллиститных топлив на основе нитроцеллюлозы, поэтому промышленно этот состав не применяется. Однако, это существенно больше, чем у дымного пороха, к тому же, изготовление карамельного топлива не требует специфического оборудования, необходимого для производства пороха, поэтому популярно у изготовителей модельных ракетных двигателей, как кустарных, так и серийных коммерческих.

Готовая шашка из стандартной сорбитовой карамели без бронировки. Для близкого к нейтральному профилю тяги следует забронировать наружную поверхность. У небронированных шашек предпочтительны другие пропорции.

Главные недостатки этого топлива — гигроскопичность и большое количество конденсированной фазы в продуктах горения. Также следует признать недостатком хрупкость этого топлива, что сужает выбор конструкций РДТТ с его использованием. Наконец, недостатком является значительная усадка (уменьшение объёма) при затвердевании, что может вызвать искажение формы шашки или отслоение бронировки.

При замене в составе топлива сорбита на сахарозу скорость горения возрастает довольно значительно, на 40 % при атмосферном давлении, но другие свойства топлива (плотность, удельный импульс, показатель степени в законе горения и т. д.) почти не меняются. Главный недостаток сахарного состава — гораздо более опасный процесс приготовления, так как требуется более сильный нагрев.

Образцы свежеприготовленного топлива, слева - базовый состав, справа - с добавлением 1% оксида железа (III)

Карамельное топливо названо так из-за использования в его составе сахара или сорбита, а также из-за внешнего вида готового топлива. Англоязычный термин «rocketcandy» точно так же характеризует отношение к нему.

Несмотря на относительную его безопасность, по сравнению с другими составами, карамельное топливо требует таких же мер предосторожности при использовании, как и любое другое ракетное топливо, так как является высокоэнергетическим составом.

Исходное топливо малотоксично, но продукты его горения могут раздражать слизистые и органы дыхания, так каккарбонат калия, выделяющийся в сильно диспергированной форме, и имеющий щелочную реакцию, может вызвать химический ожог даже после остывания до комнатной температуры. Температура горения базового состава примерно 1400 градусов Цельсия, этого достаточно для размягчения стального корпуса РДТТ при воздействии на него без теплозащиты.

Готовое топливо состоит из твёрдого раствора селитры в сорбите и взвешенных в нём мелкодисперсных частиц нерастворившейся селитры. Температура плавления готового топлива значительно ниже, чем исходных компонентов. Растворимость селитры в сорбите в твёрдом виде гораздо меньше, чем в расплаве, поэтому топливо при остывании набирает прочность постепенно, так как по объёму идёт выделение кристаллов из твёрдого раствора, при этом выделяется некоторое количество тепла. Крупные шашки остаются мягкими более суток.