Модели ракет

МОДЕЛИ РАКЕТ

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

Методические советы. На изучение этой темы рекомендую отвести 24 часа (12 занятий). Одно из них следует посвятить теме «Россия - родина космонавтики». Для этого 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» (изд-во «Молодая гвардия», 1967) и Лебедев Л., Лукьянов Б., Романов А. «Сыны голубой планеты» (Политиздат, 1971).

В доступной форме следует изложить теоретический материал об основах полета и по простейшему расчету моделей ракет.

Цель практической работы - каждый учащийся должен построить модель одноступенчатой ракеты под стандартный двигатель.

Руководитель предлагает учащимся чертеж простой, уже летавшей модели. Некоторые учащиеся захотят изготовить такую же, остальные внесут изменения. Можно посоветовать сделать эскиз будущей модели. Подготовленным учащимся, затрачивающим на постройку этой модели меньше отведенного времени, можно предложить двухступенчатую модель.

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

На теоретической части занятий советую сообщить учащим­ся следующие сведения.

Ракета - это один из популярных технических терминов. Неограниченные скорости движения и полная независимость от окружающей среды делают ракету единственно возможным средством достижения далеких небесных тел.

Прошло более пятидесяти лет со дня запуска в октябре 1957 г. первого в мире советского искусственного спутника Земли. Неда­леко время, когда человек сможет вступить на другие планеты.

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 полёта стрелы.

Появление в Европе первой ракеты «летающий огонь» отно­сится к 1250 г.

В изготовлении ракет были свои правила, которых строго придерживались. Научного объяснения причин полета ракет не было. Только после опубликования Ньютоном в 1690 г. третьего закона 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 генерал А. Д. Засядько (1779 - 1837). Благодаря его тру­дам были созданы и приняты на вооружение ракеты с даль­ностью полета до 3 км.

Ученый - артиллерист 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 точ­ностью попадания.

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 Н. Кибальчич, на­ходясь в заключении за участие в покушении на царя (1881 г.), он разработал «Проект воздухоплавательного прибора». Это был аппарат, работающий по принципу ракеты.

Впервые идея полета при помощи ракет 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 под руководством советского уче­ного и изобретателя Ф. А. Цандера (1887 - 1933) велась большая работа в области ракетной техники.

В 1931 г. при Центральном совете Осоавиахима была орга­низована группа по изучению 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, разви­вал силу тяги в 0,5 кН (50 кгс).

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

Наконец, 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.

Ракета - летательный аппарат тяжелее воздуха, полет кото­рого основан на реактивном принципе. Различают ракеты по следующим признакам: форме - крылатые и бескрылые; спосо­бу управления - неуправляемые и управляемые; принципу сво­бодного полета - аэродинамические, баллистические, космиче­ские; назначению - боевые, сигнальные, метеорологические, гео­физические и др.; числу ступеней - одно- и многоступенчатые.

Ракета обычно состоит из корпуса, оперения, органов управ­ления, двигателя, топливной системы и оборудования.

Особенность ракет - использование в качестве подъемной силы силы тяги ракетного двигателя.

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.

В ракетном моделизме используют только двигатели твердо­го топлива (МРД). Самый простой и наиболее доступный - по­роховой ракетный двигатель.

Установим, как же возникает сила тяги ракетного двигателя.

Поместим в закрытый со всех сторон сосуд некоторое коли­чество пороха и подожжем его (рис. 15, а). При сгорании пороха образуется газ, который стремится расшириться и занять боль­ший объем, чем занимал до воспламенения порох.

Сделаем в стенке сосуда отверстие (рис. 15, б). Через него с большой скоростью начнут выходить пороховые газы, из-за чего сила, действующая на эту стенку, уменьшится, так как ее площадь станет меньше площади противоположной стенки. Появится разность сил, которая и представляет собой силу тяги.

Сила тяги ракетного двигателя возникает вследствие выбра­сывания из него массы газообразных продуктов сгорания, т. е. является реактивной силой Fp. Природа ее та же, что и природа силы толчка в плечо, ощущаемого при стрельбе из винтовки.

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

Источником тяги на моделях ракет является двигатель (рис. 16). Топливом служит, например, пороховая смесь. Кор­пус двигателя - картонная или пластмас­совая трубка.

Летающая модель ракеты (рис. 17) поднимается в воздух, не используя аэродинамическую подъемную силу для преодоления земного тяготения, имеет устройства для безопасного возвращения на землю, обеспечивающие возможность нового запуска. Изготовляют ее из неме­таллических 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. Иначе говоря, модель должна быть стабилизирована по углу атаки. Так называют угол, который со­ставляет продольная ось с направлением полета.

Аэродинамическая устойчивость мо­дели зависит от взаимного расположения центра тяжести (ЦТ) и центра давлении (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 называется устойчивой.

Чем дальше смещен центр давления относительно центра тя­жести, тем устойчивее ракета.

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

Центр тяжести модели можно определить, воспользовавшись схемой, приведенной на рисунке 18. Поскольку формулы для оп­ределения ЦД сложны, предлагаем простой 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. Надо, чтобы в любом случае ЦТ ос­тавался впереди ЦД. Если топливо (двигатель) размещается в хвосто­вой части модели, то при выгорании топлива ЦТ будет смещаться к но­совой части ракеты и ее устойчи­вость увеличивается.

Для определения крайних поло­жений ЦТ надо балансировкой най­ти их у модели, готовой к старту, и модели после выгорания топлива.

Устойчивость можно обеспечить утяжелением носовой части модели. Того же можно добиться смещением ЦД к хвостовой части, увеличивая площадь и расположение стабилиза­торов.

Наиболее характерные формы стабилизаторов и их расположение помещены на рисунке 19.

Профили, используемые для ста­билизаторов, тонкие симметричные. Целесообразно применять тонкую пластину. Это упрощает изготовле­ние, а на аэродинамические качест­ва модели практически не влияет.

Корпус модели ракеты представ­ляет собой тело вращения (рис. 20). Расширяющийся конус хвостовой части (наилучшая форма) благо­приятно влияет на устойчивость. При выборе длины корпуса удлине­ние λ следует брать в пределах 15 – 25:

где ι_к - длина корпуса; d - диаметр корпуса.

Наиболее распространенный матери­ал для корпусов моделей ракет – бумага (например, рисовальная, полуватман, ватман). Склеивают бумажные корпуса на оправках столярным или ПВА клеем. В зависимости от толщины бумаги может быть 2 - 3 слоя.

Диаметр двигателей различен.

Будем строить модель с двигателем диаметром 20 мм, поэтому диаметр корпуса должен быть больше этого размера. Примем λ = 20. Длину корпуса получаем равной 400 мм. Это и будет длиной бумажной за­готовки для корпуса. А ширину заготовки можно определить по формуле длины окружностиl_о = πd, где d - диаметр оправ­ки. Если корпус делают из двух слоев бу­маги, то формула примет вид: l_о = 2πd; если из трех, то l_о = 3πd. К полученному размеру следует добавить 10 - 15 мм на припуск для шва.

Можно рекомендовать более простой способ. Обмотав два раза оправку ниткой или полоской бумаги и прибавив 10 - 15 мм на шов, получим искомую ширину заго­товки для корпуса. Длину заготовки сле­дует располагать вдоль волокон бумаги.

Очень прочные корпуса изготавливают из стеклопластиков.

Основной материал для стабилизато­ров - авиационная фанера толщиной 1 - 2 мм, а также липа и бальза.

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

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

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 огра­ничить движение модели по вертикали до тех пор, пока не будет достигнута скорость, надёжно 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.

Пульт управления (рис. 22) - 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 0,4 - 0,5 мм.

Для спирали накаливания применяют нихромовую проволо­ку диаметром 0,3 - 0,4 мм, число витков спирали зависит от бата­рей питания.

Соревнования. С моделями одноступенчатых ракет можно проводить соревнования на высоту и время полета. Наиболее простой и доступный вид состязаний в объединениях и летних лагерях - это на время полета (парашютирования). Цель соревнований - добиться наибольшей продолжительности полета модели ракеты.

Очень интересны для зрителей соревнования моделей - «спуск на ленте». По правилам Международной авиационной федерации (ФАИ) минимальный размер ленты 500×50 мм. Весь полёт происходит на виду у участников и зрителей. Можно определять, победителя по одному запуску, а также по сумме результатов в двух - четырех турах. Соревнования «спуск на парашюте» проводят в три тура с ограничением времени фиксации. Побе­дитель определяется по наибольшей сумме набранных очков (1 секунда = 1 очко). Если после трех туров несколько участников бу­дут иметь максимальный результат, для них проводят дополни­тельный четвертый тур, не ограничивая времени фиксации.

В некоторых случаях состязания «спуск на парашюте» мож­но проводить в один тур на лучшее время полета.

Время засекают от начала движения модели ракеты на пу­сковой установке до момента касания ею земли или скрытия мо­дели из вида. Если во время полета обрывается головной обте­катель или корпус, такой полет не засчитывают. Полет не вы­полнен и оценивается в ноль очков, если у модели не раскрылся парашют.

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

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/49272-modeli-raket