Возможно построить ракету на воде?

Это долговременная программа.
Пока что всего лишь пристально изучается авиамодельный ассортимент,
и копаюсь во вращательной динамике (линейную уже осилили).

Ближайшая задача скромнее - повторение твоего оптического датчика апогея.

Тяга "двигателя" простейшей(!) водяной ракеты - порядка 10 кГс,
что позволяет уханькать в ракете полкило на всякую аппаратуру.

Простейший первый шаг - управляемый разворот на 90 градусов перед землей, на возвратном участке траектории.
(типа, мягкая посадка)

Ответить не готов.
Потому и копаю вращательную динамику.

Понятно, что аэродинамические рули должны разворачивать.
Понятно, что центр тяжести надо смещать поближе к центру аэродинамич.сопротивления.
Насколько ?

Вот раскадровка:


По ней пытаюсь оценить соотношение инерционных и аэродинамических сил, которые
вернули ракете вертикальную ориентацию.

Идеи появились после прочтения вот этой статьи.
Есть уже готовые законченные компоненты - интересно их применить для решения новых задач.
Датчики и исполнительная механика продаются здесь.

Все это "измышлизмы", в реале все гораздо приземленнее.

0. Правильно и осознанно проектируется аппарат с рулевой машинкой.
1. Имея на борту двухкоординатный датчик угловых ускорений, получаем возможность вертикальной стабилизации и программных разворотов.
2. Имея на борту акселерометр, можно знать высоту (хотя это стрельба из пушки по воробьям)
и запускать какие-либо команды (масса тонкостей при наличии второй ступени).
3. Имея вторую ступень (тут уже у меня кое-что сделано), можно управлять ее отделением
как по высоте, так и по направлению.

Эти водяные игры не имеют ничего общего с завоеванием космоса любительскими ракетами.
Но очень интересно !

Прочитал.
Грустно стало - долго все это.
По существу - стабилизация ориентации летящей ракеты, как мне кажется, проще.
Ракете с аэродинамич.рулями можно смещаться вбок (ветер, временный наклон) - а маятнику нельзя. Управление сложнее.

Еще одна раскадровка :

через 0,033 с

Груз в носовом обтекателе - 800 граммов.
В момент схода ракеты с 30-см. направляющей (четвертый кадр слева) скорость примерно 7,5 м/с.

> Ракете с аэродинамич.рулями можно смещаться вбок (ветер, временный наклон) - а маятнику нельзя.

Ты так подумал просто потому, что тебе в тот момент было грустно. На самом деле ракете с УВТ, конечно, можно поворачивать в любую сторону, даже вбок. Не говоря уже о висении в воздухе.

Не пробовал запускать водяную ракету на карбиде кальция? Полуторалитровая пластиковая бутылка выдерживает около 10 кгс/см.кв. Клипса от компрессора с манометром в качестве стартового стола и слесарные очки...

Serge77

Конкретно в этом запуске - тяга(пневматическая!!) до схода с направляющей 22...25 кГс, ускорение 11g
после схода с направляющей - реактивная тяга 14 кГс., среднее ускорение до начала воздушной тяги 9g.


Non-conformist
Карбид кальция использовать нельзя - потому что невозможно контролировать момент запуска.
Момент запуска должен определяться оператором, ведущим обратный отсчет и приводящим в действие спусковой механизм.

По Кобре - напишу в соотв.разделе.

Это когда всю воду выдует, то останется воздух, который слегка фукнет. Типа довесок к импульсу.

Нет.

Если не учитывать гидродинамич.потери в сопле и снижение давления в процессе выброса воды,
то реактивная тяга водяной ракеты (произведение скорости истечения на массовый расход)
равна удвоенному произведению площади сопла на давление.

Происхождение "двойки" - отсюда: X = Xo + v*t + (a * t²)/2, подробности могу в личку. ("тута хвормулей не пишуть")

Потери давления в сопле зависят от конструкции сопла. До 40 процентов - смотря какая бутылка.
Адиабатическое расширение воздуха - к концу выброса воды от начальных 7 ати остается 4...5 ати.

В результате среднее ускорение от реактивной водяной тяги несколько меньше, чем от пневматической.

Кто обнаружит ошибки - буду очень благодарен.

Расчет реактивной тяги водяных ракет.

P - давление в бутылках, Н/кв.м.
v - скорость истечения, м/с
Fp - сила реактивной тяги, Н
S - сечение сопла, кв.м.
q – плотность воды, кГ/куб.м.
g – ускорение земного тяготения, м/с*с

Из теории реактивного движения:
Fp = v * (dM/dt) , где (dM/dt) - массовый расход рабочего тела, кГ/с

Представляя массовый расход через скорость истечения, с учетом несжимаемости воды:
(dM/dt) = q * S * v , откуда
Fp = v² * q * S . (1)

Для определения скорости истечения v в зависимости от давления в бутылках Р
мысленно переворачиваем ракету соплом вверх и получаем фонтан высотой Н.

Давление столба воды высотой Н:

P = (масса столба воды)/(площадь сопла) = q * g * H , отсюда Н = P / (q*g) (2)

По второму закону Ньютона X = Xo + v*t + (g * t²)/2, высота подъема воды в фонтане
связана с начальной скоростью (на выходе из сопла) формулой:

Н = v² / (2*g) (3)

Приравняв (3) и (2), получим:
v² / (2*g) = P / (q*g) .

После сокращения g и извлечения квадратного корня получаем скорость истечения:
v = √[( 2 * P)/q ] .

Это выражение подставляем в (1) и получаем зависимость тяги водяной ракеты от давления:

Fp = 2 * P * S ,

где Р – давление на выходе из сопла (точнее, в выходном срезе сопла), S – сечение сопла.

При выкладках потери давления на участке от поверхности жидкости внутри бутылок
до выходного среза сопла приняты равным нулю,
а также не принята во внимание инерционность воды
при разгоне в сопле после схода с разгонной трубки.

Пример расчета:
сопло диаметром 21 мм,
избыточное давление 5 кГс/кв.см.,
сила реактивного пихания – 346 Ньютон БЕЗ УЧЕТА ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ.

В реальной жизни при "хороших" бутылках потери стартовой реактивной тяги - 20...30 процентов.
Кроме того, за счет адиабатического расширения давление в бутылках уменьшается быстрее, чем объем воды.

Я газовые двигатели "не копал", и сам удивляюсь этой "двойке".

Пусть кто-нибудь потычет меня в мою же ошибку !!

Но никак не могу найти подвох... и так, и эдак - все равно двоечник.
Может быть, все дело в системе отсчета - фонтан-то неподвижен, а ракета летит в сторону, противоположную струе ...
ну а если не летит ?
Пока что явная разница - в том, что газ сжимаемое вещество, а жидкость - нет. Поэтому, возможно(!!), при одном и том же давлении скорости истечения газа и жидкости - разные.

сейчас потихоньку перевожу очень точные зарубежные экспериментальные данные (тензометрический стенд).
По ним можно будет проверить.

А цифры по тяге я написал правильные. Читай - речь идет о средней тяге, с учетом всех потерь.

При моем участии один энтузиаст из Новосибирска построил модель,
ее результаты согласуются с запусками "в натуре".

через 6 часов:

---

Ну вот, ребята - у меня формулы правильные, "двойка" должна быть обязательно.

На этом графике изображены самоновейшие(!) результаты измерений тяги водяной ракеты
с соплом диаметром 9 мм, давлением 7 ати, заправленной одним литром воды (весь объем 5,45 литра).

Стенд - с тензодатчиком и цифровой регистрацией данных.
Разным цветом изображены разные запуски при одних и тех же параметрах, всего 4 запуска.

Мы видим, что максимальная тяга составляет 72...75 Ньютон.

Площадь сопла - 0,64 кв.см., умножаем на давление 7 Бар = 44,8 Ньютона.
Откуда 72...75 ? что, у австралийцев ньютоны другие ?
ДВОЕЧКА !
дает 89,6 Ньютон, гидравлические потери - около 20 процентов.

Ф-Ф-Ф-ух !