Проект: ЖРД на компонентах из магазина.

Давно меня мучала эта идея: подобрать такие компоненты для ЖРД, которые были бы легкодоступны, просты и неопасны в обращении и на которых можно было бы сделать очень простой и надёжный двигатель. В моём понимании простота и надёжность обеспечиваются двумя факторами. Прежде всего - самовоспламеняющимися компонентами, что исключает проблемы с зажиганием и стабильностью горения при разных давлениях. Второй фактор - низкая температура горения, позволяющая использовать стальной неохлаждаемый двигатель без ограничения времени работы. Понятно, что такие требования, особенно последнее, не позволят получить высокий удельный импульс, но идея заключается не в рекордных показателях, а в поиске топлива, которое могло бы стать аналогом карамели в РДТТ именно по простоте, доступности и надёжности в работе. В идеале двигатель должен запускаться простым открытием клапана, подающего давление наддува в баки с топливом.

Среди окислителей в продаже доступны такие:

жидкий кислород
закись азота
азотная кислота 70%-ная
хлорная кислота 70%-ная
перекись водорода 50%-ная (стабилизированная)

Конечно, где-то можно найти и 100%-ную азотку и 80%-ную перекись, но я рассматривал только то, что можно свободно купить практически в любой фирме, торгующей химреактивами.

Сразу видно, что подобрать самовоспламеняющееся горючее для таких окислителей очень трудно. Для первых двух я вообще не знаю ничего, с чем смог бы обращаться обычный человек без специальной подготовки. С азотной и хлорной кислотой могли бы работать боргидриды или что-то подобное, но это довольно дорогие и/или экзотические компоненты. А вот для перекиси удалось найти несколько перспективных вариантов. И это хорошо, что именно для перекиси, потому что среди этого списка окислителей она наиболее удобна в обращении.

Литературный поиск дал следующие отправные точки:

1. самая интересная: 30%-ная перекись очень бурно реагирует с водными растворами роданидов.
2. спирты и углеводы (сахара) очень легко окисляются перекисью в водных растворах в присутствии ионов Fe(2+), особенно с добавкой Cu(2+).
3. известно самовоспламеняющееся топливо 80%-ная перекись - 10%-ный раствор ацетата марганца(2+) в метаноле.
4. перманганаты - одни из лучших катализаторов разложения перекиси. Можно попробовать в качестве горючего раствор марганцовки в метиловом или третбутиловом спирте или в ацетоне.

Первые пробы я сделал с 30%-ной перекисью. Наливал 2 мл в фарфоровую чашку и капал тестируемый раствор. Капля насыщенного водного раствора роданида аммония (примерно 66%-ный раствор) реагировала, как капля воды на раскалённой плитке - мгновенный ПШИК! Сахарный сироп с добавкой ацетата марганца не реагировал никак. А сироп с добавкой нитрата железа (2+) начал реагировать через пару секунд, реакция быстро ускорялась, через несколько секунд масса вспенилась (а может и вскипела) и реакция завершилась. Можно надеяться, что с 50%-ной перекисью задержки не будет.

Следующая проба - в "тестовом ЖРД", собранном из двух шприцов и стеклянной трубки с пробкой, через которую пропущены иголки (на фото). При подаче 30%-ной перекиси и 66%-ного водного роданида аммония происходила мгновенная реакция, часть воды выкипала, из трубки шла хорошая струя пара. Очень впечатляет - ручной ЖРД ;^))

PROPEP даёт для 50%-ной перекиси и 66%-ного водного роданида аммония удельный импульс 160 при стандартных условиях (68 атм). При 10 атмосферах в камере двигателя удельный импульс 130, температура горения 850С.

Данные на роданид аммония для PROPEP:
1106 AMMONIUM THIOCYANATE NH4SCN 2N 4H 1S 1C -300 0.00030 (плотность неправильная)

В общем, первые данные очень обнадёживают. Найдена как минимум одна подходящая топливная пара, вполне возможно будут и другие. Двигатель на таком топливе может подойти не только начинающим жээрдистам, но и для исследовательских ракет. Если надежда на мгновенный старт подтвердится, то двигатель может использоваться в качестве управляющего для высотных ракет. Поскольку продукты сгорания не содержат твёрдых частиц и состоят почти из одного водяного пара, топливо можно использовать в газогенераторах.

Дальнейшие планы: нужно изучить взаимодействие различных топливных пар, выбрать наиболее быстрореагирующие и найти оптимальное соотношение компонентов. Для этого нужна примерно такая же установка, как на фото, но в стационарном варианте с электроприводом шприцов и с возможностью регулировки скорости подачи каждого компонента. Для этого нужны два двигателя с возможностью регулировки скорости вращения, не зависящей от нагрузки на вал. Подскажите, где такие можно найти или как сделать регулятор.

Ещё нужно измерять температуру выходящих газов. Причём в идеале хочется измерять не только на выходе, но ещё и в 2-3 точках внутри трубки, на разном расстоянии от форсунок. Чем можно измерить? Нужен малоинерционный измеритель, поскольку каждый опыт будет длиться секунд 5-10.

Критика и предложения приветствуются ;^))

Молодец как всегда. Очень интересно.

Serge77 >
нужны два двигателя с возможностью регулировки скорости вращения, не зависящей от нагрузки на вал.

 

А что моторы будут крутить? длинный резьбовой стержень? или насос какойто?

Посчитай сколько оборотов нужно и какая мощность максимальная на подачу компонента.

Serge77 >
Ещё нужно измерять температуру выходящих газов. Причём в идеале хочется измерять не только на выходе, но ещё и в 2-3 точках внутри трубки, на разном расстоянии от форсунок. Чем можно измерить?

 

Термопары наверно.

Азотная кислота-80% + анилин = hipergolic pair. У нас тут делали прототип ЖРД на этом топливе.
Фреон 22 уже использовался в USA 80 гг как монокомпонентный РД (Valkiry Rocket).
Уксусная кислота + NHCO3 = CO2. В Мексике есть группа (Cohex), которая делает и пускает ракеты на этой тяге. Ну и N2O + C2H5OH или C2H2. С этим сам хочу попробовать.

a_centaurus> Азотная кислота-80% + анилин = hipergolic pair. У нас тут делали прототип ЖРД на этом топливе.

80%-ной нет в продаже. Даже та 70%-ная, которая есть, на самом деле примерно 65-68.

Кроме того, анилин - весьма неприятная штука. Токсичен и грязи от него будет много.

a_centaurus> Фреон 22 уже использовался в USA 80 гг как монокомпонентный РД (Valkiry Rocket).

Это не горение, а просто расширение сжатого/сжиженного газа?
Это вариант, хотя со сжатыми газами не очень удобно работать.
А какой получается удельный импульс?

a_centaurus> Уксусная кислота + NHCO3 = CO2. В Мексике есть группа (Cohex), которая делает и пускает ракеты на этой тяге.

Слышал об этом. У тебя нет ссылки?
Вот это больше соответствует моей задумке. Но здесь удельный импульс наверно совсем маленький.

a_centaurus> Ну и N2O + C2H5OH или C2H2. С этим сам хочу попробовать.

Температура высокая. Этан очень дорогой. Это уже весьма продвинутый ЖРД, профессиональный.

Кстати, 50%-ную перекись с роданидом (и другие пары, если будут найдены) можно использовать и в варианте ГРД. Из расплава роданида можно отливать шашки.

А зачем надо именно пару самовозгорающуюся? Не проще самовозгорающийся инициатор и инертное горючее?

Джи-джи> Порекомендовал бы использовать в качестве таких двигателей две дрели с регулируемым числом оборотов (и реверсом. Если надо)

К сожалению, в моей дрели плохая регулировка. При возрастании нагрузки на валу скорость вращения падает. Я так понимаю, что регулировка осуществляется только изменением напряжения питания двигателя. Это я и сам могу сделать, но мне это не годится.

Кажется есть дрели, лишённые такого недостатка, но покупать две штуки будет дороговато.

Какие ещё есть варианты?

Вариант с шаговыми двигателями или серво.
Как дополнительная возможность, точное регулирование оборотов.

a_centaurus> Уксусная кислота + NHCO3 = CO2. В Мексике есть группа (Cohex), которая делает и пускает ракеты на этой тяге.

Кажется, вот это сайт группы:


Они делают водяные ракеты, а реакции используют для создания давления в бутылке с водой, чтобы насосом не качать.

termostat и все остальные: не редактируйте свои сообщения после того, как под ним уже несколько других появилось! Я совершенно случайно заметил изменения.

termostat> А что моторы будут крутить? длинный резьбовой стержень?

Да. По стержню на каждый шприц, шприцы по 20 мл. Скорость вращения стержня примерно от 1 до 5 оборотов в секунду (60-300 об/мин). Какая тут нужна мощность, я не знаю. Думаю, что небольшая, ведь двигатель будет работать через редуктор. Питание подходит любое, хоть из розетки (это даже лучше).

termostat> Термопары наверно.

А они нормально работают в среде электролита? Если нет, то неясно, чем их защищать при температуре выше 200-300 град.

А может проще жестко связать подачу поршней обоих цилиндров с некоторым соотношение площадей?

А менять соотношение компонентов от теста к тесту можно сливая часть одного компонента через регулируемое коническим винтом сечение для последующего измерения.

В этом случае можно взять мотор-редуктор стеклоочистителя ВАЗ-2110, там вал мотора это червяк и с двух сторон к нему подходят червячные колеса, вот из обойх колес нужно токарю "выточить" оси и в полученых отверстиях нарезать резьбу.

В резьбу вставить длинные резьбовые стержни, теперь они станут и осями червячных колес. Резьбовые стержни соединить с поршнями.

---

Конечно управлять каждым копонентом отдельно было бы здорово, но я думаю понадобится МК и небольшая схема управления каждым эл. мотором.

Они есть здесь:: http://www.freescale.com/webapp/sps/...

и в апноутах atmel и microchip.

Можно за один тест получить интересные данные подавая один компонент с постоянной скоростью а другой с переменной и одновремено записывая на ПК весь набор параметров теста.

Соединить насос омывателя, например от Ваз 08, с шаговым движком для
большего момента или взять полный комплект. Со схемой управления можно
справиться у Termostata или взять с любого HobbyCNC.

termostat> А может проще жестко связать подачу поршней обоих цилиндров с некоторым соотношение площадей?

Была такая мысль, но хочется возможности более плавного регулирования соотношения.

termostat> А менять соотношение компонентов от теста к тесту можно сливая часть одного компонента через регулируемое коническим винтом сечение для последующего измерения.

Не, это чего-то не то. Лучше я помаюсь и сделаю регулятор на МК, чем буду мучаться с винтиками.

termostat> В этом случае можно взять мотор-редуктор стеклоочистителя ВАЗ-2110

А нельзя к нему регулятор пристроить? Или это неподходящий двигатель для регулирования?

termostat> Конечно управлять каждым копонентом отдельно было бы здорово, но я думаю понадобится МК и небольшая схема управления каждым эл. мотором.

Сейчас посмотрю схемы.

Вообще, да, хорошая мысль. Взять насос омывателя - 2 штуки, к нему сделать схему управления, и вперед. Кстати, точно! Ща есть вполне себе точные датчики давления. Обратную связь по ним сделать. Т.е. выставляем давление с ком-порта на контроллере, тот крутит ШИМ до тех пор, пока давление не придет к нужному значению. А давление прямо соотносится с расходом.

Датчики такого типа стоят рублей по 500-700, насос-моторчики - порядка 150.

Готов спаять, если нужно Собственно пайки там минут так на 100 от силы ;-), еще столько же на программирование. Регулировку могу сделать с переменных резисторов, индикацию - на стрелочные индикаторы?

Ссылки:
http://magiist.free.eplanet.hu
HOBBY-NC (Москва)

http://www.lcard.ru/forum.php3?action=viewthread&thread=1037

hcube> Взять насос омывателя

Напиши, как они точно называются? Как их спросить в магазине?
Какой там принцип работы насоса? Поршни или мембрана? Не знаешь, какие материалы внутри - металл, пластик?

hcube> к нему сделать схему управления

Сделать я могу. А вот придумать нет. Нарисуешь схему?

Serge77 > Да. По стержню на каждый шприц, шприцы по 20 мл. Скорость вращения стержня примерно от 1 до 5 оборотов в секунду (60-300 об/мин).

 

такое мини будет. ага понятно.

Serge77 >
Думаю, что небольшая, ведь двигатель будет работать через редуктор.

 

вот это заблуждение многих, применение любых передаточных звеньев - в том числе и редукторов ПОВЫШАЕТ требуемую мощность, ведь их КПД всегда меньше 1. Может снижаться требуемый момент или усилие, но за это платят повышением скоростей.

Но в твоем случае конечно можность будет небольшая. На подачу компонента требуется мощность равная усилию двигающему поршень умноженому на скорость движения. Найди максимум и умножь на 5 получится с огромным запасом.

Serge77 >
Питание подходит любое, хоть из розетки (это даже лучше).

 

Не люблю я розетки. и опасней и схема сложней может получится и отлаживать же ее надо. Лучше АКБ.

Serge77 >
А термопары нормально работают в среде электролита? Если нет, то неясно, чем их защищать при температуре выше 200-300 град.

 

не знаю нет опыта, но мне кажется что хорошим термопарам пофигу. там ведь ЭДС не большая и туман а не жидкость.

Нужно спросить у торговцев-дилеров для каких то условий.

Serge77> Напиши, как они точно называются? Как их спросить в магазине?

 

так и называются: насос омывателя

Serge77> Какой там принцип работы насоса? Поршни или мембрана? Не знаешь, какие материалы внутри - металл, пластик?

 

в нутри пластик, центробежный но давление маленькое. Побольше (но тоже не большое) у насоса омывания фар от ГАЗ-3102 например.

termostat> вот это заблуждение многих, применение любых передаточных звеньев - в том числе и редукторов ПОВЫШАЕТ требуемую мощность, ведь их КПД всегда меньше 1. Может снижаться требуемый момент или усилие, но за это платят повышением скоростей.

Да, я именно усилие имел в виду.

termostat> Но в твоем случае конечно можность будет небольшая. На подачу компонента требуется мощность равная усилию двигающему поршень умноженому на скорость движения. Найди максимум и умножь на 5 получится с огромным запасом.

Усилие примерно 1 кг, скорость движения в среднем 2 мм/с. Итого 0.02 Н*м/с. С запасом - это 0.1 Н*м/с. Это сколько Ватт ? ;^))

termostat> не знаю нет опыта, но мне кажется что хорошим термопарам пофигу. там ведь ЭДС не большая и туман а не жидкость.

Там и туман, и жидкость. Не будет ли электролит просто закорачивать два проводка, идущие от спая?

Я честно скажу не верю в простоту достижения заданой скорости перемещения. Лучше по моему связать два поршня и менять соотношение компонентов частичным сливом одного из них.

\\\\\\\\\\\\\

Serge77>
Усилие примерно 1 кг, скорость движения в среднем 2 мм/с.
Итого 0.02 Н*м/с. С запасом - это 0.1 0.02 Н*м/с.
Это сколько Ватт ? ;^))

 

работа: Н*м = Дж мощность: Дж/с = Вт

0.1 Н*м/с = 0.1 Вт.

Serge77>
Там и туман, и жидкость.
Не будет ли электролит просто закорачивать два проводка, идущие от спая?

 

Я понял про закорачивание, мне кажется что закорачивающее сопротивление среды гораздо больше внутреннего сопротивления спая и проводников.

Надо спецов пытать.

Wyvern-2> Сережа, ты же сам пролучал на простом и безопастном топливе такие же импульсы на РДТТ! Зачем возиться с ЖРД ради импульса 160-180?

Конечно, не из-за импульса, я же сразу написал. Тем более, что на РДТТ я импульса 160-180 на простом топливе ещё не получал.

Просто хочется такое сделать.

Вообще это вопрос интересный ;^))
У всех такое стандартное представление: ЖРД - это что-то сверхсложное, с опасными топливами, и делать его стоит только ради большого УИ. А мне вдруг показалось, что есть возможность сделать очень простой ЖРД. Не зря я называю его аналогом карамельного РДТТ. Ведь карамель делают тоже не из-за УИ, а из-за простоты и удобства в работе.

По поводу изменения температуры горения

Мерить следует термопарами из возможно более тонких термоэлектродов. Термопара, естественно, самодельная

Изолировать термоэлектроды следует только в том случае, если уверен, что изоляция не пиролизует. Иначе будет хуже, чем без изоляцией.

Для измерения температуры горения я использовал термопары W-Re 5% / W - Re 10%. Сваривал термоэлектроды сам, в стакане с водой.
Методика - проще не бывает.

Берешь стакан, заполняешь наполовину водопроводной водой.
Готовишь второй с крепким раствором какой-ныть соли.
Погружаешь в воду пластину, к которой подсоединен провод.
Скручиваешь слегка термоэлектродов, чтобы не разъезжались.
К ним подсоединяешь второй провод.
Подсоединяешь готовую к работу установку для сварки термопар к сети 220 вольт, фазный провод подсоединяешь к стакану, а ноль - к электродам.
Тыкаешь термоэлектродами поверхность воды, и вспыхивает маленькая дуга.
Наверняка дуга не зажжется или будет слышком слаба.
В этом случае подливаешь электролит, предварительно отключив от сети.
Если дуга слышком сильна, то подливаешь воду.
Если дуга будет слышком сильна, если держать электроды в контакте с водой слышком длительное время, то шарик на концах термоэлектродов не получится.
В случае неудачной сварки следует обрезать до одного уровня и повторить попытку.

Когда набазуришься, сможешь делать по 20 термопар за час

Только выбирай термоэлектроды с приблизительно одинаковой термостойкостью, иначе трудно сваривать. Хотя я и Al/Fe делал