Возможно построить ракету на воде?

a_centaurus> Как опишу ниже в результатах сегодняшнего испытания, правильно сделанный гермоввод не пропускает и не разрушается.
Провёл 2 стендовое испытание прототипа водореактивного двигателя. Сегодня всё прошло без видимых помарок. Газгенератор отработал штатно, учитывая использование канальной шашки, дающей более медленное горение, чем предыдущая, горящая по всей поверхности. Светлое время суток позволило снять более чёткий видеосюжет. Не было никаких прорывов. Шашка сгорела полностью. Видно как основная тяга была произведена сплошной струёй, а под конец появилась расширенная газокапельной фазой, конусная часть. Время тяги можно оценить как 1.5 с. С учётом веса двигателя чуть больше - 1.6 с. Но посмотрите сами. А Scona, надеюсь, посчитает основные параметры. После испытания всё разобралось пальцами. Силикон в гнезде остался целым. Сгорел только нихромовый мостик-нагреватель. Я его удалил, вытащил деревянную пробку и промыл части Г.Г. горячей водой со щёткой. Этим удаляется всякий нагар изнутри. То есть уже прорисовывается конструкция лётного образца. Однако мне теперь хочется провести испытания на стенде с записью тяги. Попробую зажать всю сборку за г.г. в державке датчика. Он виден на снимке с тыльной стороны. Если будет время,то на следующей неделе попробуем. Video:
http://www.albe76.newmail.ru/WRM_st_28.05.09.MPG
На фото. ВРД на стенде (Снимок через защитное зеркало. Видна видокамера). Детали г.г. после разборки и мойки в воде. Видна деревянная пробка гермоввода. Она разрезана вдоль.

a_centaurus> На фото 3. Screen shot from video.

Приколитесь

Wyvern-2> Приколитесь
Уже прикололись, на четвертой странице раздела.
Мы стараемся обсуждать проекты, которые реально изготовить своими силами.

RLAN> ...все подмывает замутить что то на воде. Поскольку добрые шутки нас не прут, то ... атмосфер на 100 ... страшно.

RLAN> В каких конструкциях это может быть оправдано?

Твердотельный газогенератор позволяет исключить из конструкции водяной ракеты объем со сжатым воздухом, а это почти на порядок сокращает лобовое сопротивление.
Кроме того, в многоступенчатых ракетах снимается проблема разделения ступеней в том виде, как она есть в "классических" водяных ракетах.
Также следует учитывать: для водяных ракет массовое совершенство 3 - это вполне достижимый результат.

Что касается удельной тяги - для воды без перегрева цифры скромные, см. рис.

RLAN> Вот бы сравнить данные одного такого карамельного движка и тандема с водяным.

Я так понял, что хочется сравнить ракету просто с карамельным движком и ракету, в которой точно такой же карамельный движок работает газогенератором в водяной ракете. Как повлияет добавка водяного баллона к карамельной ракете?

a_centaurus> Провёл 2-е стендовое испытание прототипа водореактивного двигателя.

Анализ видео, в пересчете на 30 кадров/с.

Воспламенение ТТГГ:------------02:00==0,00 с Начало отсчета
Начало истечения воды:---------02:25==0,17 с
Начало движения вверх:---------02:27==0,23 с
Окончание горения ТТГГ:--------02:29==0,30 с
Изменение характера истечения:-03:12==0,73 с
Скачок тяги вниз:--------------03:19==0,96 с Покачнулся стенд
Начало движения вниз:----------03:26==1,20 с
Падение на нижний упор:--------04:04==1,47 с Медленное опускание
Завершение истечения воды:-----05:00==2,33 с

Время работы ТТГГ 0,3 с.
Время работы РД на полной тяге 0,73 с.
Полное время работы РД ~2 с.


Сравнение с первым испытанием:
Вторая шашка (с каналом) сгорала на 30-50 процентов длительнее, чем первая, давление нарастало постепенно.
Сопло ничем не затыкалось, поэтому наблюдается "классический" характер истечения с длительной (растянутой, затухающей) газокапельной фазой.

Часть воды, выброшенная за время полной тяги (более веса двигателя), оценивается в 80 процентов, т.е. 0,16 л. Это - экспертная оценка. Также принимаем объем заправки - 0,2 литра.

Полная тяга наблюдалась с момента 0,23 с до 0,97 с, всего 0,73 с.

За это время: массовый расход - 0,22 кГ/с, скорость истечения при сечении сопла 4,5 кв.мм - 49 м/с, тяга - 11 Ньютон, среднее давление в двигателе с учетом потерь в сопле - 22...26 атмосфер.

Газогенератор фактически не работал во время режима полной тяги, считая процесс расширения адиабатическим - получаем начальное давление 33...38 атмосфер.

Скачок тяги в момент 0,96 с объясняется мгновенным выходом из режима "сплошной струи" и переходом к газокапельной фазе.

Если принимаются предложения - я бы 1) продлил время работы ТТГГ хотя бы в два раза, до 0,6 с, за счет увеличения массы ТТ, 2) изготовил второе сопло, такого же диаметра, из точно такого же фиттинга, но с рассверленной цилиндрической частью - для уменьшения гидравлич. потерь.

RLAN> Вообще, конечно, интересно. И необычно.
RLAN> Вот бы сравнить данные одного такого карамельного движка и тандема с водяным.

РДТТ A/R_25 , использованный в качестве газгенератора для водоракетного двигателя был многократно испытан. С топливом различных формул и шашкой разных геометрий. Описан в теме: Двигатель для авиамодели. Это июнь 2008 г. Могу напомнить парой графиков. Один для карамельной шашки свободного горения, другой для составной: канальная+торцовая. Правда формула была 60/40. И вставка в критику была поменьше. Но представление о его возможностях эти графики дают.

RLAN>> Вообще, конечно, интересно. И необычно.
RLAN>> Вот бы сравнить данные одного такого карамельного движка и тандема с водяным.

А это фото его огневого испытания 6.06.08. То есть, это ракетный микро двигатель класса C-D. Такой двигатель может поднять 300-350 г ракету на высоту 80-100 м. Если повезёт.

Ckona> Сравнение с первым испытанием:
Ckona> Вторая шашка (с каналом) сгорала на 30-50 процентов длительнее, чем первая, давление нарастало постепенно.
В первом испытании время горения шашки "free grain" легко считается по огневому фронту видному через стенку камеры. И оно примерно равно 0.3 с. (на графике также 0.3 с) Во втором случае по всем данным топлива шашка сгорала со скоростью примерно 8 мм/с и время горения было ок. 0.5 с. Время тяги по моей программе (родная для Sony Mavica) считается как 1.2 s. Ты ещё не учёл вес системы. И в общем, твоя оценка вполне приемлема. Кстати, сравнивая эти данные с графиками двигателя А/Р_25 можно видеть, что тяга ВРД сравнима или больше тяги РДТТ. Как это приложить к гипотетической ракете? Поясни из твоего опыта. Какие преимущества у ВРД перед обычным РДТТ с аналогичными тяговыми характеристиками?

Ckona> Если принимаются предложения - я бы 1) продлил время работы ТТГГ хотя бы в два раза, до 0,6 с, за счет увеличения массы ТТ,
Я уже об этом писал. Нужно, конечно изменить массу и конфигурацию шашки, формулу топлива (60/40) и конструкцию корпуса г.г. Он должен быть того же калибра, что и камера водомёта, а шашка должна иметь пропорции 1:2 не больше. Масса шашки, как видно из испытаний, для массы рабочего тела в 2 кг видится, как 40-50 г.

2) изготовил второе сопло, такого же диаметра, из точно такого же фиттинга, но с рассверленной цилиндрической частью - для уменьшения гидравлич. потерь.
Про "рассверленную цилиндрическую часть" не понял. Убрать шейку? Для высококачественного с калиброванными и полированными до 12 класса внутренними профилями fitting марки Swagelok, любое влезание с резцом, сверлом или зенковкой, только ухудшит качество. Надо подумать над решением.

a_centaurus> Какие преимущества у ВРД перед обычным РДТТ с аналогичными тяговыми характеристиками?

Тяга РДТТ упрощенно считается как [площадь критики]*[давление в камере сгорания].
Тяга ВРД - в два раза больше, при отсутствии гидравлических потерь.
Газ от газогенератора также дает дополнительный импульс.

По удельной тяге (или импульсу) ВРД безнадежно проигрывает РДТТ.

Если ввести некий "коэффициент технического риска", которым оценивается сложность и опасность изготовления любительской ракеты заданной массы для полетов на заданную высоту, то с этим коэффициентом есть зона(массы и высоты), в которой РД на воде уверенно лидирует по отношению к РДТТ - конструкции 0,4...1,5 кГ для неторопливых полетов на 100-200 метров.

ВРД может расширить эту зону.

До настоящего времени сообщалось о двух типах водяных ракет - "классика" и "на перегретой воде с электроподогревом". ВРД с ТТГГ - таких водяных ракет в любительских описаниях не встречал. Вроде как новый, третий тип водяных ракет.

---

Центаурус, мой стаж экспериментального ракетостроения всего лишь полтора года,
от этого тезиса никуда не денешься:
a_centaurus> у нас с тобой разный опыт. Как в жизни, так и в ЭР

Тем не менее - позволю себе высказать программу действий по ВРД.

Конечная цель - запуск ракеты с двумя литрами расходной воды.

Для этого необходимо:
- выбрать материал и изготовить корпус на выбранное расчетное давление,
- разработать и изготовить водяное сопло с минимальными потерями давления,
- отработать и освоить (в Сев.полушарии) изготовление ТТГГ,
- адаптировать имеющиеся наработки по ССР к проектируемой ракете,
- освоить необходимые технологич.операции,
- собрать и запустить.

Ближайшая задача - общий расчет изделия.

a_centaurus> Про "рассверленную цилиндрическую часть" не понял. Убрать шейку? Для высококачественного с калиброванными и полированными до 12 класса внутренними профилями fitting марки Swagelok, любое влезание с резцом, сверлом или зенковкой, только ухудшит качество. Надо подумать над решением.

Любой цилиндр по сравнению с конусом - гидравлическое препятствие.
Конечно, незачем уродовать ценный фиттинг.
Но доводка сопла цилиндрической конфигурации - самый "дешевый" способ увеличения удельной тяги.

Ckona> - отработать и освоить (в Сев.полушарии) изготовление ТТГГ,

Какие должны быть характеристики - масса топлива и время горения?

Serge77> Какие должны быть характеристики - масса топлива и время горения?

60 литров газа при н.у., за время от 2 до 3 секунд.
60 литров - это 2,5 моля, умножаем на 30 г/моль, = 75 граммов.

Ckona> 60 литров газа при н.у.

Это ты посчитал с учётом того, что газ реально будет не при н.у.?

Ckona> 60 литров - это 2,5 моля, умножаем на 30 г/моль, = 75 граммов.

75 г газов - это грубо 150 г топлива (что-то многовато, тебе не кажется?).
Для 3 с горения при скорости горения сорбитовой карамели 8 мм/с нужен горящий свод 24 мм. При торцевом горении цилиндр топлива высотой 24 мм и массой 150 г должен иметь диаметр 67 мм. Наверно это не очень удобная конфигурация шашки.
Для цилиндрической канальной шашки с забронированной наружной поверхностью, дающей примерно нейтральный профиль горения, не получается подобрать размер.

Отсюда вывод: либо делать торцевую шашку, как я написал, либо делать топливо с большей скоростью горения, тогда торцевая шашка получится большей длины и меньшего диаметра. Например, если повысить скорость до 12 мм/с, то длина шашки 36 мм, диаметр 55мм. Это может быть сорбитовая карамель с окисью железа.

Serge77> Это ты посчитал с учётом того, что газ реально будет не при н.у.?

Цифра 60 литров - это прикидка, а не результат вдумчивого расчета.

Чтобы вытолкнуть 2 литра воды с давлением в конце выталкивания 30 атмосфер, нужно 60 литров газа.

Проигнорированы начальный (не заполненный водой) объем и ненормальные условия для продуктов сгорания. Эти факторы имеют противоположный результат.

Вдумчивый расчет - это одновременное варьирование параметрами водяной и газогенераторной частей ракеты (да и других тоже). С аккуратным раскладыванием "по полочкам" всех процессов. Требует времени.

Теперь по твоей оценке 150 граммов топлива.

Это - 5 молей, из расчета 30 г/моль, то есть 112 литров газа при н.у.
Или ты достоверно знаешь, что только половина твердого топлива превращается в газ, а вторая половина - это твердые частички дыма ?

Центаурусом получены цифры: 6,5 граммов топлива создали в объеме 0,23 литра давление в пределах 19...25 атмосфер, точнее утверждать не совсем честно.
6,5 граммов - 0,22 моля - 4,5 литра - 19,5 атмосфер.
Это не значит, что все топливо превращалось в газ - но дает ориентир для оценок, а именно:
6,5 граммов топлива создали давление, которое можно оценивать по цифре 30 граммов газа на 1 моль топлива.

Поэтому я бы вернулся к цифре 75 граммов как верхней оценке массы заряда,
учитывая оценку Центауруса в 40-50 г.

PROPEP даёт такой состав выхлопа:

NUMBER MOLS GAS AND CONDENSED= 2.4900 0.3214
0.76888 H2O 0.57165 H2 0.51706 CO2 0.32140 K2CO3& 0.32139 N2 0.31074 CO

Итого:
0.76888 H2O = 13.8г
0.57165 H2 = 1.14 г
0.51706 CO2 = 22.7 г
0.32140 K2CO3& = 44.8 г
0.32139 N2 = 9.0 г
0.31074 CO = 8.7 г

Газов 55.34 г (считая воду газом)
Твёрдых(жидких) 44.8 г

В зависимости от состояния воды и растворимости углекислого газа, процент конденсированных продуктов в газе наддува варьирует, но примерно можно считать равным 50% по массе.

Попробуй из этих данных и с учётом, что газ всё-таки как-то нагрет, и с учётом экспериментальных данных, прикинуть нужную массу топлива чуть точнее.

Спасибо !! теперь буду считать более обоснованно.
Если б еще по температуре газов знать оценку... а может, я и сам смогу отыскать.

PROPEP даёт температуру газов при 68 атм 1600К, при 1 атм (выхлоп) 1000К.

Ckona> Ближайшая задача - общий расчет изделия.

Ckona> Любой цилиндр по сравнению с конусом - гидравлическое препятствие.
Ckona> Конечно, незачем уродовать ценный фиттинг.
Ckona> Но доводка сопла цилиндрической конфигурации - самый "дешевый" способ увеличения удельной тяги.

Да ты прямо "трубадур-водолей". Настоящий гимн водяному двигателю спел. Мне тоже нравится этот принцип. В нём много наивной механики, относительно безопасной "сильноточной гидравлики", наглядной дидактики... В моей ракетной любительской практике пока не было только ЖРД. Всё оставляю на потом. Но вот давно с детства имею мечту построить летательный аппарат с нетрадиционным двигателем. Причём почему-то вертолёт. И вот теперь такой двигатель приобрёл черты реального. Газгенератор, опробованный с твоей подачи, поможет реализовать его схему.
Что касается РДТТ на карамели, то не уверен в твоём оптимизме, насчёт лидерства ВРД для ракет массой от 0.4 -1.5 кг. Всё-таки необходимость подьёма значительной массы рабочего тела, большие калибры только для того, чтобы удержать закачанный обьём воздуха делают данный принцип несколько... академичным, что ли. Или "камерным". Смотри, РДТТ на карамели с Isp = 130 s и массой шашки 50-80 г поднимает хорошо снаряжённую ракету калибра 30 -50 мм и высотой до 1 м на 600-800 м. 200 граммовый двигатель тащит 1.5 кг ракету на 1 км. Так что дело не в соревновании на высоту полёта. Просто ВРД - это одно из направлений экспериментального ракетостроения. Со своими технологиями, методиками расчёта и ... своими приверженцами. Ну и "пионерами" быть приятно. Хотя сам принцип ракетного двигателя "water jet" с пиротехническим генератором давления давно запатентован.
я уже как-то писал о нескольких десятках патентов (USA), которые я скачал, изучая тему собственно генератора газов.
Собственно основное значение имеет не опыт в ЭР, а общий уровень знаний, лабораторных и ремесленных навыков. Похоже,что у тебя их есть. Поэтому, мешая их с определённой целеустремлённостью, можно добиться успеха и в конечной цели. Скорее всего проект такой ракеты должен быть поделён на этапы. Первый из них - постройка и отработка базового оборудования для производства топлива. Второй - изготовление и испытания газогенератора на выбранном топливе. Я тебе уже намекнул на столовый сахар с нитратом калия. Это топливо дешёвое и вполне эффективное. Некоторые сложности его производста компенсируются хорошей повторяемостью. Корпусная часть ПГД (пиротехнического генератора давления) и камеры водомёта, может быть выполнена на базе труб и элементов из PVC, калибра 50 мм, усиленных композитными мембранами. Как всегда, начинать надо с массштабной модели. например - 1 л. Тогда труба 50 мм со стенками ок 3 мм будет служить основным номенклатурным материалом. Я бы мог разработать модель такой ракеты с ВРД на этой базе. А ты бы попробовал её повторить. В своём Северном полушарии.
По поводу сопла. Я пока присматриваюсь к гидравлическому соплу-насадку. Читаю и экспериментирую. Вместе с тобой. И уже знаю и вижу, что не только геометрия сопла играет роль в формовании струи. Явления "распада струи", "дробления капель", "хрупкостная теория" и "теория капиллярных волн" - всё это составляющие одного явления. Поэтому, не думаю,что мы можем одним только изменением соотношений в геометрии сопла, заметно выиграть в импульсе.

a_centaurus> ...дело не в соревновании на высоту полёта.
Да, конечно. Я говорю о качественном показателе, "которым оценивается сложность и опасность изготовления любительской ракеты". В конце-концов, одна из целей любительского ракетостроения - удовольствие от факела, полета, самого процесса.

a_centaurus> По поводу сопла... Явления "распада струи", "дробления капель"... не думаю,что мы можем одним только изменением соотношений в геометрии сопла, заметно выиграть в импульсе.

Я бы ограничился коэффициентом гидравлических потерь в сопле - менее 0,2 (0,1...0,15).
В системе "газ - упруго деформированные стенки бутылки - вода - сопло" возникают автоколебания, которые делают бессмысленными использование "идеальных" сопел.
Неизвестно, как поведет себя труба с гладкими стенками, в ней могут проявиться стоячие волны.

По параметрам и конструкции.

На бумаге - все работает.

Выбираем область рабочих давлений 60...80 атмосфер.
(Зона 20-30 атмосфер уже освоена водоракетчиками - летают трубчатые упаковки от газоразрядных ламп дневного света.)
В качестве "трубы" используется изделие Казанского завода стеклопластиковых труб, которое теоретически можно раздобыть через Симферопольскую фирму "Pipeholding".
Наружный диаметр - 63 мм, толщина стенок 4 мм, разрушающее давление 30 МПа.
Метр трубы - 1,23 кГ.
Два литра - это 0,94 метра такой трубы.
3 см. на сопло, 10 см. на торцевые детали и газогенератор, 200 мм на головную часть с БРЭО и ССР.

Итого высота ракеты 1170 мм, то есть 18,5 калибров.
Массу пустой ракеты принимаем в пределах 1700...2100 г.

Сопло - диаметром 4 мм, Гидравлические потери - 0,16.
С давлением 6 МПа тяга будет 130 Ньютон. на протяжении 1,7 секунд.

За это время ракета разгонится до скорости 50...55 м/с, достигнув высоты ~40 метров,
после чего газовая тяга увеличит скорость до 90 м/с (320 км/час).
Высота подъема ракеты составит 400...500 метров.

a_centaurus>> ...дело не в соревновании на высоту полёта.
Ckona> Высота подъема ракеты составит 400...500 метров.

Ну что же. Вполне осуществимый проект. И впечатляющий. Хотя могут быть на первом этапе и масштабные модели. Как я уже писал, из труб PVC и на 1 л. Только тебе нужно решить проблему изготовления деталей г.г. и наладить производство топлива.

Ckona> В качестве "трубы" используется изделие Казанского завода стеклопластиковых труб, которое теоретически можно раздобыть через Симферопольскую фирму "Pipeholding".
Ckona> Наружный диаметр - 63 мм, толщина стенок 4 мм, разрушающее давление 30 МПа.
Ckona> Метр трубы - 1,23 кГ.

Не поленишся и намотаешь ручками - получишь заметно лучшие показатели.

Ой блин, проглядел, спутал 30МПа с 30атм.
Может и не получишь. Но такая толстая и тяжелая тебе не нужна.

Ckona> Гидравлические потери - 0,16.

Не многовато? Ну ладно там сложные трубы с загогулинами, но у вас же простейший широкий сосуд.
И как старик Торичелли обнаружил, что высота струи = высоте столба, а не меньше на 16% например...

Куда конкретно, в конце концов, пропадает большущая потенциальная энергия сжатого газа?