Обыкновенные водяные ракеты из пластиковых бутылок

Брат-2> Планирую старт на выходные.

Форум ждет, затаив дыхание !
Если уверен в надежности механизмов разделения - запускай сразу все три.
Я бы для первого запуска воздержался от видеокамеры. Главнее не забыть включить высотомер.

Ckona> Если уверен в надежности механизмов разделения - запускай сразу все три.


Узлы стыковки проверил, замыкаются при 2 атм, размыкаются в районе 05-1 атм. Проверял примитивно. Ступень закрепляю на стартовом столе, вместо следующей вставляю пустую бутылку, поднимаю давление до 3-х атм, затем держу ступень рукой и стартую, если бутылка выскочила сразу после старта, значит нормально. Давление на разделение проверял, плавно сбрасывая воздух.

Gematogen> МАКС(x;y) - функция, которая выбирает максимальное значение из своих аргументов......
Да-а-а-а! "Есть много тайн на свете, друг Горацио, ...."
Кое-что стало проясняться.
Надо фазу пневмовыхлопа обсчитать по формулам Ckona. Большие сомнения в приросте скорости в 11 м/с для 1,5 л (всего 6,7 г воздуха) от давления 4 атм. Время здесь 0,19 с, по Ckona - 0,42 с. Скорость ист. от 4 атм до 2 атм надо брать равной ск. звука, после 2 атм - половину. А заодно сравнить массу газа по Менделеву-Клапейрону PV=mRT/M. Кстати, в свое время я сравнивал идеальный газ с реальным (Ван-Дер-Ваальс). Для столь малых объемов разница в весе неуловима.
Для ступенчатых ракет проблема из проблем - узел стыковки.
Его надежность - это даже не обсуждается. А также время срабатывания и момент срабатывания.
Из расчета видно, что от максимума скорости 53,5 м/с до 43,5 м/с проходит всего 0,25 с. Правда, это для массы 100 г - торможение идет очень быстро. Надо прикинуть насколько тормозится связка 2-ой и 3-ей ступеней с реальными весами, Брат-2 их только что выдал, скажем за 1 сек после максимума. Потерю 1-2 м/с можно допустить, тут точно в момент максимума скорости при пневмовыхлопе при срабатывании узла стыковки все-равно не попадешь. Однако, если пневмовыхлоп на самом деле дает существенный прирост по скорости то и использовать надо его по максимуму.
Потому что если уйдет в отрыв, например, третья ступень Брат-2 с начальной 50 или 60 м/с, то разница в итоге в инерциальной фазе для 600 г составит существенные 34 м!!! (55-60 м/с - 17 м, что тоже немало).

Gematogen>>
Еще надо сравнить верность расчета текущего значения давления по нашим формулам и вот по этому:
"Изменение давления воздуха в баке описывается уравнением изоэнтропического расширения газа, с показателем n=1.4 (для воздуха)
P(t):=Po*EXP(n*ln(Vgaz0/Vgaz(t)) " Я там присылал статью динамика пневморакеты.
Там же скорость звука при снижении температуры в критическом сечении.

Чем больше разбираю твою работу, тем больше восхищения.

ПС.
Приложил файл с двумя расчетами текущего давления. Какой брать?

Gematogen> Немного скорректировал формулы и добавил (для желающих) старт по внутренней направляющей. Прилагаю файл с пояснениями. Если будут вопросы по конкретным формулам - спрашивай, расскажу подробно как они работают.
Михаил!
У тебя отличная программа!
И чувствуется хорошая подготовка и знание предмета.

Давай ее доработаем в общем виде.
Как я вижу.

Трехступенчатая в целом, больше не надо. Для одноступенчатых просто забиваем нули где надо. Разделить по фазам. Выталкивание, вода, воздух, инерция.
Забиваем все исходные: нач. давление, общ. объемы, сухую массу частей, коэффициенты заполнения, диаметры сопел, диаметр и длину разгонной направляющей, плотность РТ, плотность атм. воздуха, Сх, калибры и т.д. При выталкивании учитывать потери по кольцевому зазору , учесть потери давления при выталкивании и изменение объема.

На выходе должны иметь не только численные конечные данные по фазам, но и графики Fт(t), V(t), H(t) и т.п. по фазам с текущими значениями.
Что-то вроде EmpiricRocket, но полнее и многозадачнее.

Конструктор, исходя из своих возможностей и целей (рекордная высота, зрелищность шоу и т.д.), перебирая варианты, получит возможность выбирать для себя наиболее оптимальный и приемлемый для него вариант изготовления (компоновки) уже не по факту сделанного "в металле", а заранее, как делается в нормальных КБ. Особенно, это будет полезно начинающим (к тебе это не относится ни в коей мере ).

Я понимаю, что работа сложная и большая, но тем она и интереснее!
Готов помогать по мере сил, возможностей и знаний.

Вот здесь можно посмотреть полет одноступенчатой австралийской Shadow (Тень) в этом году. Очень хорошо видна стадия продолжительного пневмовыхлопа (25 атм -311 м). Собственно из-за него в основном и улетела так высоко.

Gematogen> Немного скорректировал формулы и добавил (для желающих) старт по внутренней направляющей. Прилагаю файл с пояснениями. Если будут вопросы по конкретным формулам - спрашивай, расскажу подробно как они работают.
Михаил!
Похоже в программе на стадии "Старт" ошибка.
Смотри столбец Е - текущее давление. Строки с 11 по 23.
Начальное давление - 6 атм.
Далее оно почему растет до 7 атм !!! и с воды с этих же 7 падает.
Откуда рост?
Это здесь:
http://balancer.ru/forum/punbb/attachment.php?item=281771
А вот объем на этом этапе - столбец D - должен увеличивается до значения 0,953855 л и далее с водой до 1,5 л, а он у тебя на этом этапе уменьшается.
Мы же стержень на старте вынимаем, а не вставляем.

PopovIgor> Давай ее доработаем в общем виде.
У меня ощущение, что не дописав букварь мы беремся за "Войну и мир".
Давай сначала доведем до ума фазу пневмовыхлопа. Кстати, попробуй представить, что масса рабочего тела составляет 15% массы ракеты, а скорость истечения - звуковая. Это и есть пневмовыхлоп. И в таком представлении я вполне допускаю, что прибавка будет ощутимой.
По поводу универсального расчета многоступенчатой ракеты - я думаю, что если человек заморочился на создание нескольких многообъемных ступеней, систем отделения, спасения, регистрации и т.п., то он найдет двадцать минут для поэтапного расчета по уже имеющемуся файлу. Проблема состоит в том, что разделение ступеней происходит по одному параметру, а для дальнейшего расчета необходимо взять другие параметры, соответствующие ему. Это значит, что надо соорудить макрос. Тогда не будет работать надстройка "Поиск решения". Тогда для поиска наилучших характеристик придется опять-таки рисовать макрос выполняющий итерационное приближение.
В принципе - все возможно, но геморроидальность процесса растет, а наглядность снижается.
Если допишем фазу пневмовыхлопа, я попробую засунуть две ступени в одну таблицу.

Также меня беспокоит вот что: Наш расчет более-менее применим для одноступенчатой однообъемной ракеты.
У Ckona есть съемка стендового испытания многообъемного двигателя. Там четко видно, что струя газа из верхней емкости проникает в воду. В итоге гидрофаза сокращается, а в пневмовазе идет выброс водной эмульсии. Не уверен, что мы сможем это грамотно обсчитать. Пятидесятикратные перегрузки снизят степень проникновения воздушной струи в воду, но вот насколько?
При этом необходимо будет считать все чисто воздушные емкости по алгоритму пневмовыхлопа с переменным внешним давлением. В результате получим функцию давления в рабочей емкости. Нелинейность изменения давления в рабочей емкости изменит как протекание гидравлической фазы, так и пневматической.
Также мы не учитываем снижение плотности воздуха в зависимости от высоты. А на высоте 200 метров она снижается примерно на 2,2%.
С появлением ракет отличных от цилиндора с коническим обтекателем возникает вопрос по Сх. Он уже сейчас дает погрешность до 10% высоты.

Сейчас предлагаю соблазнить наших практиков на "лабораторные работы".
Предлагаю обсчитать ракету Брата-2 по его данным, затем попробовать ее оптимизировать по запасу топлива. Провести два пуска и сравнить результаты между собой и с расчетными данными.
Также необходимо организовать внешнюю съемку работы двигателя одноступенчатой многообъемной ракеты. Это позволит оценить насколько воздушная струя проникает в жидкость при реальных перегрузках. Сильное проникновение будет означать неприменимость нашего алгоритма для точных расчетов. Но съемка потребует выноса камеры и ее массогабаритного макета за пределы ракеты.

PopovIgor> Вот здесь можно посмотреть полет одноступенчатой австралийской Shadow (Тень) в этом году.
Поразительное качество пуска! Ракета воткнулась почти в пусковую пролетев 620 метров!

PopovIgor> Приложил файл с двумя расчетами текущего давления. Какой брать?
Насколько я понимаю, мы сталкиваемся с потерей энергии при охлаждении. Я бы взял второй вариант (как консервативный). Опять же надо корректировать наш алгоритм.

PopovIgor> Похоже в программе на стадии "Старт" ошибка.
Да, там ошибка. Надо содержимое ячейки D12 заменить на:
=ЕСЛИ(F12=0;$C$2;D11+J11*$B$10)+ЕСЛИ(P11<=$G$6;$H$7*P11;0)

И еще: если протягиваешь формулы, то убедись, что формулы в ячейках N1, M2, M3 охватывают весь диапазон (замени 50 на 850). Иначе некорректно работает подбор оптимальных параметров.

Брат-2>> Полностью подготовился к старту.
Брат-2>> По расчету должен достигнуть высоты 205,7м, то есть основная задача взять 200м!
PopovIgor> Ждем результатов! Дай еще диаметры сопел. И диаметр 2-ой и 3-ей ступеней.

Фотку первой ступени нашел, а параметры - нет. Там по центру - пара больших баллонов 140 мм 5л, а по периметру - 7 полторашек диаметром 90? Какое сопло (и сколько их)?

Gematogen> Фотку первой ступени нашел, а параметры - нет. Там по центру - пара больших баллонов 140 мм 5л, а по периметру - 7 полторашек диаметром 90? Какое сопло (и сколько их)?
Одно. 21,5 мм?
1-я ступень имеет собственный вес 780г, полный объем – 20л, планирую залить воды – 4,5л; 2-я ступень имеет вес – 270г, объем – 5л, воды – 1,5л; 3-я ступень имеет вес – 600г, объем – 4,5л, воды -1,2л. Рабочее стартовое давление в ступенях 6 атм.
Насчет программы ты прав. Рано. Найди ошибку в проба2. Разница по воде 25%. Такого быть не может.
Текущее давление с показателем адиабаты.

PopovIgor> Насчет программы ты прав. Рано. Найди ошибку в проба2. Разница по воде 25%. Такого быть не может.
PopovIgor> Текущее давление с показателем адиабаты.
Если честно, я не все буквенные обозначения понимаю.
У меня при формировании файла были сомнения насчет коэффициента расхода. Я его учел неправильно. Сейчас почитал литературу - поправил.

PopovIgor> Одно. 21,5 мм?
PopovIgor> 1-я ступень имеет собственный вес 780г, полный объем – 20л, планирую залить воды – 4,5л; 2-я ступень имеет вес – 270г, объем – 5л, воды – 1,5л; 3-я ступень имеет вес – 600г, объем – 4,5л, воды -1,2л. Рабочее стартовое давление в ступенях 6 атм.
Может быть я не прав, но при таких ступенях у меня высота без второй ступени больше получается. Ты считал?

Gematogen> Если честно, я не все буквенные обозначения понимаю.
Исправил.
Gematogen> Ты считал?
Не-а.

Ckona> Игорь !
Ckona> К сожалению, я этот путь еще полностью не прошел.
Ckona> Может быть, наполовину... до конца далеко.
Ckona> Поэтому не могу дать внятного и четкого ответа.
Ckona> Попробуй посчитать по выражениям, приведенным на картинке.
Ckona> Гамма - это показатель адиабаты, для воздуха = 1,4.
Сила тяги на пневмовыхлопе.
Fт = 2*P(t)*Sкр*(2/(к+1))^[1/(k-1)] - Sкр*Ратм ; к=1,4 - показатель адиабаты для воздуха
Последний сомножитель в вычитаемом равен
[2/(1,4+1)]^[1/(1,4-1)] = 0,634
В конце выхлопа текущее давление равно Р атм, выносим Ратм и Sкр за скобки, тогда
Fт = Ратм*Sкр*(2*0,634-1) больше 0
причем всегда.
С этими избыточными - абсолютными - запутаешься. Когда и где какое - непонятно.
Если везде избыточное, то Ратм изб = 0 и зачем тогда вычитатель Sкр*Ратм ?
Значит абсолютное.
Но тогда сила тяги всегда есть. Непонятно.
Когда давления внутри и снаружи уравниваются, то сила тяги равна нулю. А из предложенной формулы этого не видно. Fт = 0 при Р(t) = 0,789 Pатм ?

Читай книжки по газовым реактивным двигателям.
Все давно описано.
В том числе происхождение формулы, в которой ты усомнился.
Раскопав происхождение, понимаешь смысл.

Ckona> Читай книжки по газовым реактивным двигателям.
Ckona> В том числе происхождение формулы, в которой ты усомнился.
А попроще нельзя ответить? Что есть в формуле Р атм? Абсолютное?
До каких пределов уменьшается текущее давление (абсолютное? избыточное?) Р(t)?
Сам предлагаешь расчетные формулы, а когда спрашивают, отсылаешь подальше!
Это стиль такой?
Хотя, конечно, формулировать сложнее, чем придираться.

PopovIgor> Это стиль такой?
Ну, тогда жди. Поищу, где я это раскопал.

Ckona> Ну, тогда жди. Поищу, где я это раскопал.
Да не, Леш, ты же сам видишь, что что-то не то.
Мы только собрались с Михаилом заваять пневмовыхлоп и забыть про него, а тут такой облом

Ckona>> Ну, тогда жди. Поищу, где я это раскопал.
PopovIgor> Да не, Леш, ты же сам видишь, что что-то не то
Позвонил Александру, он планировал приехать в мае в Москву, - телефон оказался корпоративным. Не его.

PopovIgor> Сила тяги на пневмовыхлопе.
PopovIgor> Fт = 2*P(t)*Sкр*(2/(к+1))^[1/(k-1)] - Sкр*Ратм ; к=1,4 - показатель адиабаты для воздуха
Мне кажется, что газ надо обсчитывать по уравнению Ван-Дер-Ваальса. На начальном этапе вычисляем количество молей газа и дальше работаем с этой величиной.
Я вот только не могу найти значения констант a и b.
Также необходимо следить за температурой газа. Из нее получим скорость звука. Расход воздуха также будем считать в молях.
Если все формулы найдем, то не только опишем все фазы, но и просчитаем многообъемные ракеты.

Gematogen> Мне кажется, что газ надо обсчитывать по уравнению Ван-Дер-Ваальса. На начальном этапе вычисляем количество молей газа и дальше работаем с этой величиной.
Gematogen> Я вот только не могу найти значения констант a и b.
Gematogen> Также необходимо следить за температурой газа. Из нее получим скорость звука. Расход воздуха также будем считать в молях.
Gematogen> Если все формулы найдем, то не только опишем все фазы, но и просчитаем многообъемные ракеты.
Уравнение Менделеева-Клапейрона для идеальных газов достаточно хорошо описывает состояние для небольших давлений и высоких (по отношению к абс. нулю) температур. Поэтому, на мой взгляд, не стоит заморачиваться с поиском констант, тем более, что массы из-за малых объемов будут практически одинаковы. По М-К вес газа у меня получился 6,8 г (у тебя 6,7 г). Однако, все эти вычисления весьма приблизительны. Ведь мы не можем точно определить давление - нет четкой границы вода-воздух при окончании истечении воды. И оценка снижения температуры при адиабатическом процессе тоже приблизительна, соответственно и скорость звука.
Давай подождем, что скажет Ckona с его формулами.
Что самое удивительное в его формулах нет плотности газа! Нет даже намека на молярную массу. Но ведь мы хорошо понимаем (и австралийцы на это прямо указывают), что замена воздуха (М=28) на угл. газ (М=44) существенно повышают энергетику. А ведь удельный импульс при этих газах отличается в полтора раза. Конечно, там есть показатель адиабаты, для угл. газа - 1,24, но и это (по формуле) снижает тягу! Я хотел поначалу купить углекислотный баллон, но не нашел редуктора к нему - максимум, что они дают - 6 атм. А мне надо испытать упрочненные конструкции на повышенное давление. Поэтому и остановился на азоте - макс. 12,5 атм.
Все наши расчеты рассчитаны (извиняюсь за тавтологию) на идеальный полет. Поэтому, наверное, не стоит особо заморачиваться на мизерных долях? Вот у нас разница по воде 20% - это да. А ошибку найти не могу))))

Gematogen>> ..... Поэтому, наверное, не стоит особо заморачиваться на мизерных долях? Вот у нас разница по воде 20% - это да. А ошибку найти не могу))))

Насколько мне понятно Александр – это я! Вот только мне непонятно, почему ты решил Игорь, что я собираюсь в Москву. Вчера сынок покупал очередную машину в Краснодаре, и у меня хватило ума самому не ехать туда на своей машине за рулем (145км), даже пассажиром и то испытывал трудности. Понравилась организация работы салона, даже намеков на надувательство нет, плати деньги и через час домой. Но вот количество машин в городе, тьма. Там где раньше и машину было увидеть редкость, теперь полный замес. Как живете в своей Москве? Зачем Вам своя машина, ходите пешком, быстрее доберетесь!
Затеяли вы со своими расчетами хорошее дело, но не перспективное. Зачем точность в расчетах, если нет достоверных исходных данных, ну, к примеру, Сх. У нас в Росси и в настоящие ракеты топливо переливают, а тут как два пальца об асфальт. Ну, коль интересно, то вперед! Кстати, на фото у меня 1-я ступень 6х2.5л+1х5л, а вторая бутылка 5л – это 2-я ступень.

Брат-2> Насколько мне понятно Александр – это я! Вот только мне непонятно, почему ты решил Игорь, что я собираюсь в Москву.
Вообще-то я имел ввиду другого Александра, Ckona знает, но тебя рад слышать. Старт отложился? Чего взяли?
Брат-2> Как живете в своей Москве? Зачем Вам своя машина, ходите пешком, быстрее доберетесь!
А что Москва? Шумит, как обычно. Ну ты даешь! А работа, дача, магазины, а в гости да и вообще. Да и я не особый ходок )))
Брат-2> Затеяли вы со своими расчетами хорошее дело, но не перспективное.
Обсчитывать до мм никто и не собирается. Расчеты -ОЦЕНОЧНЫЕ, но с известной долей точности.
Не торопись. Не ты, так потом новые люди спасибо скажут.
Брат-2> Кстати, на фото у меня 1-я ступень 6х2.5л+1х5л, а вторая бутылка 5л – это 2-я ступень.
А фото-то где? У первой - 21,5 мм?

Наконец-то закончил последний из четырех запланированных двигателей.
Фото и чертеж прилагаю.
Отличительная особенность - верхнее расположение топливного бака.
Цель - обеспечение положительного коэфф. запаса статической устойчивости заправленной ракеты на старте за счет смещения центра тяжести.

Основные параметры двигателя:
Диаметр - 89 мм, длина - 990 мм. Без оперения, клеёный, 5 швов длиной 55-60 мм. Топливный бак (включ. объем центральной трубы) - 1,68 л (К макс = 0,281), К опт = 0,25.
Общий объем - 5,85 л, Мо = 420 г. Запас устойчивости е = 180 мм - (2 D) - по заполненному двигателю. На чертеже: ЦТ2 - ЦТ пустого двигателя., ЦТ1 - полного.
е ракеты в целом с ГЧ:
заправленной - 72 мм (0,8 D),
пустой - 190 мм (2,1 D).
Расчетная высота с соплом 15 мм при Р=10 атм - 185-195 м - одноступенчатая с ГЧ - 230 г.

Устойчивость на старте заправленной ракеты позволяет также значительно увеличить продолжительность работы двигателя за счет применения сопла с малым сечением - для повышения наглядности и видимого эффекта. Также при наличии оперения после отработки двигателя значительно увеличивается е, что приводит к нежелательным колебательным эффектам при динамической стабилизации, на что указывал Ckona. К сожалению, подобная конструкция не дает возможности применить еще и пенный старт.
В т.ч. дополнительный вес внутренней конструкции - 100 г.
Сменные сопла. Возможность старта с внутренними направляющими ф15*1000 и ф10*1000.
Упрочнение корпуса - армирование в два слоя клейкой лентой 3М №8956 с продольным расположением стекловолоконных нитей - вес в т.ч. 70 г.
Рабочее давление - 9-10 атм. Занижено, по расчетам больше, но опыт покажет, надо пробовать.
Если устанавливать оперение (прим. 50 г), то оно по идее нужно только на активном участке, а в дальнейшем только создает дополнительное сопротивление. Так что лишний вес из-за этого верхнего бака получается 50 г., но уменьшено сопротивление. А армирование - для повышения давления. Посмотрим оправдает ли себя эта технология.