Что ни говори, а за океаном подход к строительству моделей ракет грамотный. Хочешь собственную модель - покупай, выбор есть! Хочешь построить своими руками - да пожалуйста, вступай в клуб, учись, строй! Двигатели выпускаются в широчайшем ассортименте. Рекламных материалов - навалом.
Ответ на вопрос: "Какой двигатель мне нужен для моей ракеты?" - производителем дан в виде таблицы, в которой перечислены все выпускающиеся, в частности - фирмой "Эстес", модели ракет с указанием, какие двигатели и в каком количестве должно приобрести для их запуска.

Рекламные ролики снимают - загляденье! Чтоб мы так жили!




Предлагаю небольшой ликбез на тему модельных ракетных двигателей: как устроен, как работает, какие его характеристики нужно знать для того, чтобы спроектировать собственную модель ракеты.

Сразу замечу - информацию здесь привожу с точки зрения моделиста-ракетостроителя.

Убедительная просьба к специалистам: воздержаться от обсуждения вопросов двигателестроения, всему своё место, время и аудитория.



Устройство модельного ракетного двигателя.
МРД относится к тепловым реактивным двигателям химического типа. Другими словами МРД преобразует тепловую энергию, выделяющуюся при химической реакции горения твердого ракетного топлива (ТРТ), в кинетическую энергию потока истекающих из сопла продуктов сгорания, который и создает реактивную силу тяги (тут можно вспомнить формулировку 3-го закона Ньютона).

Тягу ракетного двигателя можно описать следующей формулой (1): Р = mVa + Fa(pа - ph)

где Р - тяга двигателя, Н;


m - массовый секундный расход продуктов сгорания, истекающих через сопло, кг/с;


Va, Fa, pa - скорость, площадь поперечного сечения и давление на выходе из сопла;


ph - давление окружающий среды на высоте полёта, Па.



Таким образом тяга ракетного двигателя зависит от того, какую массу в единицу времени мы отбрасываем, с какой скоростью и на какой высоте у нас происходит полёт. Так, при полёте в безвоздушном пространстве (ph->0) тяга двигателя максимальна и совпадает с реактивной силой mVa+Fapa.

В любом случае, МРД - двигатель не регулируемый, его характеристики заданы при проектировании и изменить их в полёте невозможно. Двигатель после старта в любом случае отработает свою программу, мы не имеем возможности ни регулировать его характеристики, ни, тем более, выключить его.



Устройство модельного ракетного двигателя.

Рассмотрим составляющие МРД в том порядке, в котором они отмечены на рисунке:

1 - Реактивное сопло. Назначение его - максимально разогнать продукты сгорания топлива. Как видно из формулы (1), тяга двигателя напрямую зависит от скорости потока на выходе из сопла, поэтому в большинстве случаев сопла МРД имеют на выходе расширяющийся участок для ускорения потока продуктов сгорания до сверхзвуковой скорости. Минимальное проходное сечение сопла называется критическим, в нем скорость потока достигает скорости звука. Из всех элементов ракетного двигателя именно соплу приходится сложнее всего: по нему протекает поток раскаленных продуктов сгорания, состоящий не только из газов, но и из твёрдых частиц (особенность твердотопливных двигателей). Изготавливается сопло чаще всего из керамики.

2 - Заряд твердого ракетного топлива. Это и запас рабочего тела двигателя, и в то же время запас энергии, выделяющейся при химической реакции горения топлива. Для воспламенения топливному заряду необходим определенный начальный тепловой импульс, который обеспечивает штатный электровоспламенитель МРД. Обратите внимание! Прекратить работу запущенного МРД невозможно!!!

3 - Замедлитель. Отдельный заряд, формирующий задержку по времени от момента сгорания топлива до срабатывания вышибного заряда. Тяги он практически не создает, но часто образует густой дымовой шлейф, чтобы удобней было наблюдать полёт модели.

4 - Вышибной заряд, простейший элемент автоматики, предназначенный для выбрасывания из модели парашюта или включения двигателей верхней ступени для многоступенчатой модели ракеты. Даже легкая модель ракеты из ватмана обладает высокой скоростью полёта, и при посадке в огород страдают все участники встречи: и "морковка", и огород. А в огороде, бывает, и кролики пасутся, так что вывод один - на модели должна быть в обязательном порядке система спасения (или мягкой посадки, кому как нравится) и проверяем перед стартом, какой двигатель вы на модель ставите, чуть забегая вперед отмечу, что на некоторых МРД-шках вышибного заряда нет! В маркировке это конечно же отражается, а потому внимательно смотрим, что куда вставляем.

5 - Передний пыж из бумаги, прикрывающий вышибной заряд. Для эстетики и сохранности.

6 - Корпус двигателя. По совместительству это и ёмкость для хранения топлива, и камера сгорания. И соединяет все части двигателя в единое целое. При работе двигателя внутри корпуса находятся продукты сгорания с высокой температурой и давлением, поэтому требования к прочности корпуса достаточно серьёзные, так что любые повреждения корпуса могут сказаться, чаще всего, его разрушением. Грубо говоря - бабахнет.

Внешне же МРД имеет форму цилиндра, диаметром D и длиной L.
Чаще всего выпускаются МРД одноразовые, один двигатель - один полёт, хотя есть в природе и перезаряжаемые двигатели многоразового использования, к примеру двигатели фирмы AeroTech из рекламного ролика выше.


Следующий рисунок даёт представление о последовательности работы МРД.
Фаза 1 - зажигание, тепловой импульс от воспламенителя поджигает топливный заряд.
Фаза 2 - топливный заряд сгорает с выделением тепла и образованием высокотемпературных продуктов сгорания, которые, истекая из реактивного сопла с высокой скоростью, создают реактивную тягу.
Фаза 3 - топливный заряд передает эстафету замедлителю, он отсчитывает время пассивного участка траектории.
Фаза 4 - замедлитель воспламеняет вышибной заряд, выталкивающий систему спасения из корпуса модели, после чего вся система мягко возвращается на поверхность планеты.


Характеристики модельного ракетного двигателя.
Как правило, модель ракеты строится под какой-то определенный двигатель, характеристики которого известны. Или под серию двигателей, имеющих, допустим, одинаковые геометрические размеры и отличающихся энергетическими возможностями, временем работы замедлителя и т.п. Создавая спортивную модель для участия в соревнованиях вы ограничены по суммарному импульсу двигателей, разрешенных на моделях выбранного класса.

Прежде всего нас интересуют следующие характеристики МРД:

- Геометрические характеристики двигателя: внешний диаметр D (калибр) и длина корпуса L. Вам же нужно двигатель куда-то на модели устанавливать, как-то крепить, а для этого нужно знать его габариты.

- Полный импульс тяги двигателя, измеряется в Н*с и определяет энергетические возможности МРД. На основании закона о сохранении количества движения изменение импульса движущегося тела вызывается импульсом приложенной силы. Таким образом можно рассчитать скорость модели, которой она достигнет в конце активного участка траектории полёта. По величине полного импульса двигатели разделяются на классы. По суммарному полному импульсу установленных на модели двигателей делятся на классы и спортивные модели ракет.

- Тяга двигателя, единица измерения - Ньютон. Тяга МРД не является постоянной во время его работы, каким образом она меняется можно узнать из тяговой диаграммы, для каждой марки двигателя тяговая диаграмма своя и вообще это одна из важнейших и интереснейших характеристик, ниже затрону её подробней. Для примера приведу тяговую диаграмму двигателя "Эстес" А10, имеющую типичную для модельных двигателей форму - пик в начале работы и участок, где тяга сохраняется постоянной.

Почему такая форма тяговой диаграммы наиболее распространена?
Быстрое нарастание тяги в начале работы двигателя приводит к энергичному разгону модели по направляющей пусковой установки с тем, чтобы стартующая ракета в момент схода с пусковой имела скорость достаточную для эффективной работы аэродинамических поверхностей-стабилизаторов (если они есть, конечно), которые обеспечивают устойчивость её полёта.
Затем уже происходит набор скорости при постоянной величине тяги двигателя.

- Средняя тяга, двигателя за время его работы определяется как частное от деления полного импульса на время работы, измеряется также в Ньютонах. Можно выбирать двигатель в первом приближении исходя из его средней тяги и планируемой стартовой массы ракеты. Грубо говоря, при равенстве этих величин ракета отработает программу полёта не покидая пусковую установку в лучшем случае, либо сойдет с неё и плюхнется неподалеку, что не есть хорошо. Для гарантированного полёта отношение средней тяги к стартовой массе (тяговооружённость) должно быть больше единицы. Желательно, с запасом.

- Время работы двигателя, складывается из времени выгорания основного заряда топлива и времени работы замедлителя. Первое задаёт нам продолжительность активного участка полёта (двигатель создает реактивную тягу), второе - пассивного участка (тяга двигателя отсутствует, модель летит по инерции до ввода в действие системы спасения модели).

- Масса снаряженного двигателя. Входит в расчет стартовой массы ракеты, да и при балансировке модели без этого параметра не обойтись.

- Масса топлива. Зная это, мы сможем вычислить массу и положение ЦТ модели в конце активного участка полёта. Кроме того, спортивные правила могут ограничивать массу топлива на борту модели.

Тяговая диаграмма.
Очень интересный график зависимости тяги двигателя по времени работы.
Получается этот график при стендовых испытаниях двигателей, производитель такие испытания проводит и для каждой марки двигателей прилагает соответствующую тяговую диаграмму. Что же по ней можно узнать?

Конечно, первое, что бросается в глаза - максимальная тяга двигателя. Но. Интерес представляет и то, в какой момент по времени максимум тяги достигается, и насколько быстро она нарастает. К примеру, существуют двигатели, тяговая диаграмма которых выглядит таким образом:

Различная скорость нарастания тяги двигателя приводит к различному ускорению модели в начале активного участка траектории. Особенно этот момент интересно прорабатывать для моделей-копий ракет, ведь зенитная ракета и ракета-носитель космических аппаратов стартуют с разным ускорением, а характер старта для копии должен бы повторять свой прототип.
Время работы двигателя, то есть время сгорания топлива и создания двигателем тяги отображается на тяговой диаграмме очень наглядно.
Если подсчитать площадь под кривой на тяговой диаграмме, можно определить полный импульс тяги МРД.
А поделив полный импульс на время работы получим значение средней тяги.

Разрабатывать модели ракет можно на бумаге, а можно использовать специальные программы, к примеру SpaceCAD или Open Rocket. Первая мощнее, с большими возможностями, но за деньги. Вторая попроще и бесплатная. Обе позволяют "собрать" модель ракеты из настраиваемых типовых элементов конструкции (оболочки, шпангоуты, бобышки и т.д.), подсчитывать вес получившейся конструкции, определять положение ЦТ и ЦД, т.е. сразу видно, устойчивым ли будет полёт модели и каков запас устойчивости, а также смоделировать траекторию полёта, выбрав требуемый двигатель из базы данных или есть возможность ввести тяговую диаграмму двигателя, в базе отсутствующего.


Обзор существующих МРД.
Ещё с советских времен наши ракетомоделисты используют модельные ракетные двигатели промышленного производства шосткинского ПО "Импульс".

Маркировка двигателей читается так, к примеру: МРД 20-10-4
МРД - модельный ракетный двигатель;
20 - полный импульс 20 Н*с;
10 - средняя тяга 10 Н;
4 - время работы замедлителя: 4 с.

От себя замечу, что из всей линейки шосткинских движков прочные отношения сложились лишь с МРД 2,5-3 и МРД 20-10. "Десятки" взрывались через одного, "пятерки" взорвались все. Возможно мне с ними просто не повезло или партия неудачная досталась, но "рабочей лошадкой" для моделей выбрал "двадцатку" и весьма доволен.

В настоящее время у нас появились в продаже МРД американской фирмы "Эстес".
Двигатели любопытные и при случае планирую опробовать их в деле. Конструкция их идентична отечественным, правда несколько отличаются по калибру. Если серии "Мини" (13 мм) и "Стандарт" (18 мм) практически совпадают с нашими, то более мощные двигатели классов С, D и Е, аналогичные нашим МРД 10-8 и МРД 20-10, выполнены в корпусе калибром 24 мм (наши имеют 20,25 мм), их в готовые ракеты под наши движки уже не установишь.

Маркировка двигателей почти аналогична нашим, только полный импульс обозначают буквой. Например, С11-6 читается таким образом:
С - полный импульс 10 Н*с;
11 - средняя тяга 1,1 Н;
6 - время работы замедлителя: 6 с.

Характеристики двигателей фирмы "Эстес":

Подробную информацию о продукции фирмы "Эстес" можно найти на сайте http://www.estesrockets.com


Меры безопасного обращения с МРД.
1. Беречь двигатели от механический повреждений, порезов, ударов, падений с высоты на твёрдое основание. Повреждения корпуса приводят к снижению его прочностных характеристик, при запуске такого двигателя корпус может громко разрушиться. Повреждение (растрескивание) топливного заряда приводит к резкому увеличению поверхности горения, а значит и давления внутри, на которое прочность корпуса не рассчитана, что опять же приводит к его разрушению.

2. Беречь двигатели от воздействия воды и повышенной температуры. Многие топлива с водой не дружат, при увлажнении заряда и последующем высыхании возможно растрескивание заряда. Последствия - см. п.1.
При повышении начальной температуры возможно ускоренное химическое разложение топлива, изменяющее его характеристики, а также повышается вероятность самопроизвольного запуска. Так что не стоит оставлять двигатели летом на солнце под лобовым стеклом автомобиля. И уж тем более сушить подмокший двигатель на батарее.

3. Не перекрывать сопла двигателя при установке воспламенителя, МРД не рассчитаны на работу с жёсткой сопловой заглушкой. Самое надежное - пользоваться штатными воспламенителями и штатными их фиксаторами, при отсутствии последних пользуемся мягкими материалами, классический вариант - вата, бинт, кусочек туалетной бумаги (есть недостаток - эти материалы могут тлеть после запуска, так что в этом случае внимательно относимся к выбору места старта).

4. Запрещается вносить изменения в конструкцию двигателя. В инструкции так и пишут - запрещается. Рассверливать или удлинять канал в заряде топлива, высверливать замедлитель и т.д. Двигателей сейчас достаточно и разных, всегда можно найти подходящий по характеристикам. А ковырять готовый - бессмысленно и небезопасно.

5. При отказе на старте подходить к двигателю не ранее, чем через 1 минуту.

6. Модель ракеты должна отвечать требованиям прочности конструкции и устойчивости в полёте. Двигатель должен быть надёжно закреплён на модели, отделение его в полёте от модели в большинстве случаев не допускается. Полёт неустойчивой модели непредсказуем, а значит небезопасен для вас и ваших зрителей, вольных или невольных.

7. Пусковая установка должна быть прочной, устойчивой и обеспечивать надёжный старт модели с углами возвышения 60-90 градусов. Запускать модели ракет по настильной траектории спортивными правилами запрещается. Кроме перечисленного в задачи ПУ входит отвод газовой струи из сопла МРД для защиты модели, места старта и самой ПУ от её воздействия.


Литература по теме.
1. Эльштейн П. Конструктору моделей ракет.
2. Кротов И.В. Модели ракет.
3. Канаев В.И. Ключ - на старт!
4. Рожков В.С. Авиамодельный кружок.
5. Букш Е.Л. Основы ракетного моделизма.
5. Минаков В.И. Спортивные модели-копии ракет.

Полезную для себя информацию можно почерпнуть и на сайте Федерации ракетомодельного спорта России.

Благодарю за внимание!
Успехов в творчестве!