Обыкновенные водяные ракеты из пластиковых бутылок

Сегодня, как и обещал, выполнил старт новой 3-х ступенчатой ракеты! Погода была пасмурной, иногда моросил дождь, но к вечеру ветер утих, и мной было принято решение выполнить старт. Наспех собрался, второпях собрал и стартовую команду. До этого, как всегда, возникли трудности, оборвался один шатун компрессора, отремонтировал, сняв деталь с одноцилиндрового, но его производительность заметно упала. При подготовке к пуску забыл предварительно включить камеру, съемка с борта сорвалась. Высотомер включился нормально, но запись по непонятной причине не произошла. При поднятии давления забыл придерживать ступени, но они замкнулись и так. К сожалению преодолеть давление более 5,5атм не смог, решил выполнить старт при достигнутом давлении. При достижении указанного давления 3-ю ступень несколько искривило, после старта вся ракета наклонилась именно в эту сторону, что стало причиной срабатывания парашютной системы, а далее все происходило вокруг парашюта. В целом, полный пипец! Попытка взять 200м не удалась, дерзайте мужики!

Вот и сам старт.

Брат-2> Вот и сам старт.

Поздравляю с очень информативным видео !
Оператор не выпустил ракету из поля съемки !
Очень удачно подобрана музыка.
Великолепно отработали узлы разделения ступеней !
Экспресс-просмотр видео позволяет сделать выводы:
1) неудовлетворительная поперечная жесткость узла стыковки вызвала изгиб,
2) вектор тяги первой ступени вследствие изгиба не проходил через центр тяжести - ракета начала вращаться,
3) вращение вызвало срабатывание оптического датчика ориентации и выброс парашюта на третьей ступени,
4) все этапы разделения ступеней происходили в штатной последовательности, но с выпущенным парашютом.

Вследствие усталости (велопоход, 98 км по пересеченке) подробный анализ с раскадровкой будет позднее.

Брат-2> В целом, полный пипец!
Ckona> Экспресс-просмотр видео позволяет сделать выводы:
Ckona> 1) неудовлетворительная поперечная жесткость узла стыковки вызвала изгиб,
Ckona> 2) вектор тяги первой ступени вследствие изгиба не проходил через центр тяжести - ракета начала вращаться,
Досадно. Какая-то прям цепь последовательных препятствий. Похоже был просто не тот день.
Высотомер, камера, компрессор - это мелочи и все решается.
А вот изгиб в узле стыковки - это похоже система. Эта "неприятность" сводит на нет отличные поузловые решения.
Мы это отметили в начале апреля, а вслух не сказали. А зря. Все повторилось.

"09.04.2012 15:22, Игорь Попов
Старт трехступенчатой ракеты. Обыкновенные водяные ракеты из пластиковых бутылок [Брат-2#03.04.12 21:39]
На первом кадре видна несоосность струи и оси ракеты. Виден явный перекос в узле стыковки первой ступени. Отклонение верха ракеты от оси струи не менее 80 мм. Каковы возможные причины?
От кого:Алексей Михацкий Кому:"Игорь Попов"
10 апреля 2012, 01:54
Надо подождать, а потом обязательно и очень доказательно обозначить эти нюансы (я их тоже заметил, когда покадрово рассматривал) в плане - вот причина потерь высоты полета.
Причина несоосности - изгиб планера. Мысленно возьми эту "колбасу" (под давлением), поставь на землю, а сверху - груз 35 кГ. Конструкция стыков не должна давать изгибы. У Брата-2 это самое слабое место, да и во всех многоступенчатых ракетах то же самое.

"
Пожелание - не снимайте "с рук". Нет штатива, можно хоть на палку опирать. Покадровку потом не рассмотришь.

Ckona>> 1) неудовлетворительная поперечная жесткость узла стыковки вызвала изгиб,
Оценить изгибающий момент в узле стыковки можно с помощью импульса силы.
F*t=m*V. Масса второй и третьей ступени 3,55 кг разгоняется первой ступенью до скорости 30 м/с за 0,4 сек. F=3,55*30/0,4=266,25 Н.
Пусть отклонение ЦТ связки (2-ая + 3-я) от оси первой составляет 3 см. Тогда изгиб. момент Мизб=266,25*0,03= 8 Н*м. А это уже немало. Чтобы понять, попробуй удержать горизонтально в пальцах метровую палку с грузом 1 кг на конце.
Этот момент последовательно передается в подвижное соединение "коннектор-наконечник (штуцер)", а затем после выборки зазоров на силовые соединения "золотник-коннектор" и "донышко-опорная площадка" (речь не о коллекторе!). Здесь и надо искать причины изгиба. И еще, возможна ли небольшая неравномерная деформация донышка при нагнетании?

На мой взгляд, верхнюю ступень надо не опирать на опорный стакан, а относительно плотно вставлять в него. Мм на 20 - 30. Чем больше, тем лучше. Тогда и жесткость появится.Опирается на его (стакана) край, на мой взгляд, неправильно. Не бывает в технике равных последовательных силовых замыканий!
Здесь они как раз последовательные и есть. Первое замыкание - в соединении "щтуцер-коннектор". Второе - "торец стакана -корпус второй ступени". Во втором обязательно будет зазор.
Брат-2> При достижении указанного давления 3-ю ступень несколько искривило, после старта вся ракета наклонилась именно в эту сторону,
Абсолютно правильно!
Он же (зазор) обязательно появится при нагнетании, когда происходит удлинение верхней бутылки. А вот если она вставлена, то такого не произойдет.

А сделать его (подогнать стакан под нужный размер) можно из бутылки чуть бОльшего диаметра термоусаживанием на болванке по диаметру корпуса двигателя верхней ступени.

Брат-2> В целом, полный пипец!
Брат-2, не падай духом где попало !
Бывает, что ракеты вообще не летают, неважно по какой причине - не летают !

PopovIgor> На мой взгляд, верхнюю ступень надо не опирать на опорный стакан, а относительно плотно вставлять в него. Мм на 20 - 30. Чем больше, тем лучше. Тогда и жесткость появится.
По тому же принципу у меня крепится голова к двигателю. Получается жестко, как единое целое. И никакие относительные удлинения ни на что не влияют.
Фотки я уже раньше выкладывал. Здесь просто картинку приложил. Голова у меня покрашена , так что подробно соединение не увидишь.
Ckona> Брат-2, не падай духом где попало ! ....бывает, не летают...
Присоединяюсь. Был просто нелётный день.

PopovIgor> ...не стоит заморачиваться с поиском констант...
Я маленько пошаманил с файлом.
При этом, с твоей подачи, "забил" на неидеальность газа.
Основная концепция - следующая:
Процесс считаем адиабатным в связи с его быстротечностью.
Тогда P*V^k=const и T*V^(k-1)=const. Находим начальные значения этих констант и в дальнейшем получаем давление и температуру газа. Из температуры получаем скорость звука как ограничение скорости истечения газа на пневмовыхлопе.
Через давление считаем скорость истечения как корень из удвоенного избыточного давления отнесенного к плотности рабочего тела.
При переходе к фазе пневмовыхлопа делаем два смелых допущения: скорость истечения считаем как для жидкости, потерю массы газа считаем эквивалентом увеличения объема для расчета давления и температуры.
Вот и все.
Еще уточнил все физические величины.

Gematogen> При этом, с твоей подачи, "забил" на неидеальность газа.
Изучение требует времени. Сразу бросилось в глаза.
Начальные. Р=607950 V=0,001138 R=8,31441 M=28,9644 T=288
Отсюда m=8,37 г. Там стоит - 10,296 г.
Где у меня неправильно?
При расширении газ охладился. Логично. С чего потом нагрелся?

PopovIgor> При расширении газ охладился. Логично. С чего потом нагрелся?
Теперь остыл до -108С??

PopovIgor> Пусть отклонение ЦТ связки (2-ая + 3-я) от оси первой составляет 3 см. Тогда изгиб. момент Мизб=266,25*0,03= 8 Н*м.
Почему 3 см, а не один или пять ?
Никакой это не изгибающий момент - это поворачивающий момент.

Для проектирования проставок надо считать не момент, а усилие (силу) давления на опору (стакан).
В свое время я ее оценил, проверил кирпичами, сплющил стакан - и от пластикового стакана отказался.
Схема перекоса здесь.

PopovIgor> И еще, возможна ли небольшая неравномерная деформация донышка при нагнетании?
Что значит "неравномерная ?
Донышко бутылки работает как мембрана, перемещение я тоже измерил, и потом устранил двойным дном.

Самая правильная конструкция - механизм разделения надет на сопло второй ступени, и соединен шлангом с первой ступенью. Как бы дно не выдувалось, хотя бы и "неравномерно", вторая ступень опирается на первую. Под давлением обе ступени жесткие, стакан или другие опоры должны быть по образующей одной из ступеней или упираться в перья стабилизатора, что я и пытаюсь реализовывать.

PopovIgor> верхнюю ступень надо не опирать на опорный стакан, а относительно плотно вставлять в него. Мм на 20 - 30. Чем больше, тем лучше.
Верный путь к заклиниванию. Советую "В НАТУРЕ" поэкспериментировать, чтобы отмести заведомо проигрышные варианты. Умозрительно - "бумага все стерпит". Все, что может хоть как-то заклинить, будет заклинивать. Все, что может изогнуться, будет изогнуто. В этом отношении Центаурус мне очень хорошо мозги вправил.

Ckona> Почему 3 см, а не один или пять ?
PopovIgor> Виден явный перекос в узле стыковки первой ступени. Отклонение верха ракеты от оси струи не менее 80 мм. Каковы возможные причины?
Отсюда и примерные 3 см для ЦТ верхней связки. Это же оценка.
Ckona> Никакой это не изгибающий момент - это поворачивающий момент.
Привык к сопромату. Например, ветер создает поворачивающий момент, который приводит к повороту ракеты, но не к изгибу самой конструкции. Ракета стоит на старте, вторая и третья ступень что-то весят. Есть несоосность, плечо 3 см. Этот вес да на плечо создает изгибающий момент, который приводит к изгибу конструкции планера. Добавь инерцию на старте - изгиб стал больше. Разницу улавливаешь в терминах?
Впрочем, что толку путаться в терминах, суть от этого не меняется, надо прежде определить точку изгиба (слабое место, а лучше Брат-2 это никто не сделает) и причину, а потом решать, как исправить.

Ckona> Что значит "неравномерная ?
Ckona> Донышко бутылки работает как мембрана, перемещение я тоже измерил, и потом устранил двойным дном.
Из-за возможной технологической неравномерности толщин при выдуве.

Ckona> Верный путь к заклиниванию.
Несомненно, раздуется и заклинит. Но не паровым же молотом ее туда забивать?!
Значит, надо смотреть насколько раздуется, дать зазор, оценить усилие и т.д. 14 кГ при выталкивании из коннектора - это тоже не кот чихнул.
Я ведь только вариант предложил. В конце-концов, у нас форум для чего? Это все-таки место для обсуждений и поиска решений проблем и дальнейшего развития? Иногда проскальзывает, что это не так.

PopovIgor> надо прежде определить точку изгиба (слабое место) и причину, а потом решать, как исправить.
Изгиб - по узлам разделения ступеней.
Противодействие - жесткие проставки максимально большого диаметра, или несколько разнесенных опор.

Брат-2 ! Вроде как у тебя первая ступень с 25-мм соплом, а не с 21,5-мм ?

Я раскадровал видео: ну, думаю, все ясно.
От первой ступени пошла раскрутка 1,3 радиана в секунду, остановить ее - никаких стабилизаторов не было, третья ступень не в счет. Вот и сработала система спасения.

По тяге первой ступени и скорости раскрутки можно попробовать оценить, с какой силой сдавливало твой разделительный стакан и доработать систему для устойчивых вертикальных стартов. Нужен диаметр сопла, остальное по развесовке ты уже сообщил.

PopovIgor> Иногда проскальзывает, что это не так.
Правильно. Все жаждуют твоих запусков. Наверное, ты больше всех жаждуешь.

PopovIgor> Привык к сопромату. ... Разницу улавливаешь в терминах?

Давай-ка ликбез, для ясности.

Я поставил вертикально металлическую линейку длиной 30 см и надавил на нее сверху с силой 2 Ньютона.
Линейка изогнулась.
Как рассчитать изгибающий момент ?
Отличается ли ситуация от изгиба горизонтальной линейки, которую одним концом закрепили, а на другой надавили ?

PopovIgor>> Привык к сопромату. ... Разницу улавливаешь в терминах?
Ckona> Давай-ка ликбез, для ясности.
Ckona> Я поставил вертикально металлическую линейку длиной 30 см и надавил на нее сверху с силой 2 Ньютона.
Ckona> Линейка изогнулась.
Ckona> Как рассчитать изгибающий момент ?
Ckona> Отличается ли ситуация от изгиба горизонтальной линейки, которую одним концом закрепили, а на другой надавили ?
Как небо и земля.
В первом случае - расчет на устойчивость, обычно итеративный. Нет там изгибающих моментов в прямом понимании, есть предельно допустимая осевая нагрузка, коэффициент устойчивости вертикально нагруженного стержня.
Во втором - обычный прочностной расчет на изгиб защемленной балки.
Ты так меня проверить решил?
Чувствуется сопромат прошел мимо тебя, как для меня электротехника
Жажду не то слово! Переделываю захват для сопл 15 мм, боковой не пошел - КЛИНИТ, зараза! Делаю из больших пластиковых хомутов (спасибо Slavich77 !). И пружины надо найти еще. Чеку другую. Для гарденовских все готово, хоть сейчас, но не дома же!

PopovIgor> Ты так меня проверить решил?
Никак нет.
Я сопромат никогда не изучал.

Если тяга не проходит через ЦТ, образуется плечо силы (тяги) и момент силы, поворачивающий ракету.
Почему этот момент силы ты назвал изгибающим моментом ?

PopovIgor>> Ты так меня проверить решил?
Ckona> Никак нет.
Ckona> Я сопромат никогда не изучал.
Ckona> Если тяга не проходит через ЦТ, образуется плечо силы (тяги) и момент силы, поворачивающий ракету.
Ckona> Почему этот момент силы ты назвал изгибающим моментом ?
Ну смотри, для простоты. Вот на самолете повернули руль высоты. Самолет остался при этом целым и пошел на снижение. Назовем это поворачивающим моментом.
И в это время на крыло самолета действует подъемная сила (сила сопротивления, тяжести, инерции - всех и не сосчитать) да такая, что крыло отвалилось. Обычная защемленная балка. Произошла деформация объекта. Назовем это изгибающим моментом.
Короче, все что касается прочности, устойчивости, жесткости и т.д. - изгибающий.
В общем случае, моменты от одной и той же силы, можно назвать и так и так. Зависит от взгляда, что изучаем. Изменение положения в пространстве - поворачивающий, пожалуйста. Изучение прочности конструкции по напряжениям, деформациям и т.д. - изгибающим. Вот и вся разница.

Ckona> Почему 3 см, а не один или пять ?
PopovIgor> Отсюда и примерные 3 см для ЦТ верхней связки. Это же оценка.
Посмотрел раскадровку - как у тебя так здорово получается?
Не знаю где точно ЦТ верхней связки, но предположу где-то 40 - 50 см выше узла стыковки 1.
Тогда плечо 45*tg 6 = 4,7 см. Очень много. Соответственно и изгибающий момент в узле стыковки первой ступени - 12,5 Н. Силу сопротивления на связку можно не учитывать, скорость мала. Во втором разделителе изгиб значительно меньше. Оно и понятно. И плечо меньше, и сила инерции меньше.
Почти в точности повторился запуск в апреле. И максимальный изгиб там же. Во вчерашнем условия жестче. Нам надо было еще в апреле сказать, а мы промолчали.

Ты пояснения к формулам по газодинамике дашь?

PopovIgor> Это много. Соответственно и изгибающий момент в узле стыковки первой ступени - 12,5 Н.
Наверное, кажется, что 12,5 Н*м - это фигня, детские игрушки. Однако, можно посмотреть каким усилиям в точках соприкосновения это равносильно и к чему это приводит. Картинка, надеюсь, понятна. Где крепление проставки, где коннектор, где штуцер.
F1 относительно т.А) = 833 Н - наклон и заклинивание штуцера в коннекторе, отламывание по линии В.
F2 (относительно оси т.О) = 357 Н - изгиб опорной площадки (и соответственно донышка) - линия С, вырывание (обрыв) крепежа.
Впечатляют значения?

....
PopovIgor> .... Нам надо было еще в апреле сказать, а мы промолчали.
.....

Мужики, подобные неудачи для меня лишь незначительные уроки жизни! Больше всего меня огорчил мой компрессор. Вот бы все происходящее да лет десять назад, мог бы без ограничения брать большие баллоны сжатого воздуха (150атм), при помощи которых мы держали магистральный кабель под давлением. Теперь нет и самого кабеля, все- оптоволокно. Вся моя проблема в том, что у меня на 2-й ступени проставки были не проклеены, я даже заправлял ее водой, предварительно раскрутив бутылки. Вся ракета в сборе получилась более 2м, а стремянку забыл, ступень еле собрали, ее перекосило, вот с этого все и началось! Мы крайне мало летаем, побороть предстартовое волнение крайне сложно, зная это, даже написал инструкцию, которую тоже забыл, действительно был не мой день. Сопло у 1-й было стандартное горлышко, во вторую ступень налил около2л, вместо 1,5, думаю, что на бутылку целесообразно наклеить мерную линейку. Вероятно для подобной ступени (первой) вес оказался слишком велик. Собственно в расчетах я допустил ошибку, моя ракета не могла преодолеть 200м, ну максимум 196, так и это оказалось филькиной грамотой, реально ракета взлетела на высоту не более 30-40м.
Игорек! Если бы ты знал, как я хочу увидеть полет твоей ракеты! Только умоляю, не надо рассказывать!

Брат-2> Вероятно для подобной ступени (первой) вес оказался слишком велик. Собственно в расчетах я допустил ошибку, моя ракета не могла преодолеть 200м, ну максимум 196, так и это оказалось филькиной грамотой,

Михаил! Видишь к чему приводит фактическое отсутствие полноценной и достоверной методики расчета!!! Отставив в сторону погрешности изготовления и ошибки подготовки-снаряжения, всё остальное: неясная пропорция по разделению, перевес-недовес, перелив-недолив и т.д. приводит к неясным результатам.
Поэтому дело твое (наше) правое. Обязательно нужна теоретическая база, чтобы было куда опираться. Надо понимать, чего ждать и к чему и какими путями идти. Конечно, практика - критерий всего. Собственно и делается все для практики. Наслаждение полетом и достигнутым ожидаемым результатом.
Если серьезно взглянуть на "водяные несерьезные игрушки", то окажется, что они отнюдь не так просты, как кажутся "пороховщикам", с улыбкой превосходства взирающих на нас со своих заоблачных высот.

Я вот порой думаю - как же всего через 10 лет после войны разрушенная страна смогла покорить космос, создать ракетный щит?
Какая гигантская всеобъемлющая работа была проведена была сотнями тысяч людей, заводов, институтов, лабораторий!

Сейчас многие ноют - это не так, то не сяк, Путин плохой, на Чистых прудах потусоваться, на "свободном гулянии" попиариться, - память у людей короткая.

PopovIgor> Михаил! Видишь к чему приводит фактическое отсутствие полноценной и достоверной методики расчета!!!
Согласен. По расчетам получается масса ракеты с грузом составляет около четверти массы воды или около 20% массы снаряженной ракеты. Это значит, что оптимальная масса второй ступени составляет около 10-15% массы снаряженной ракеты. А третьей - 1-2% массы. Тогда если третья ступень весит 0,5 кг, то ракета потянет на 25 - 50. Или для ракеты массой 10 кг третья ступень должна весить 100 - 200 г. Поэтому большинство ракет двухступенчатые. (Извини, Брат-2). Но может быть я неправильно делаю рассчет?
PopovIgor> Поэтому дело твое (наше) правое.
Я ужо хочу что-нибудь в небо пульнуть, а не только циферки ковырять
Ужо допиваю вторую бутылку прекрасного аэродинамического кваса.
PopovIgor> Изучение требует времени. Сразу бросилось в глаза.
PopovIgor> Начальные. Р=607950 V=0,001138 R=8,31441 M=28,9644 T=288
PopovIgor> Отсюда m=8,37 г. Там стоит - 10,296 г.
PopovIgor> Где у меня неправильно?
У тебя неправильно - надо учитывать полное давление, а не избыточное (разница +1 атм).
У меня неправильно - не учел изменение молярного объема при переходе от НУ к условиям пуска. Все поправил. При этом пришлось скорректировать универсальную газовую постоянную
Моя уточненная цифра - 9,76г.
PopovIgor> При расширении газ охладился. Логично. С чего потом нагрелся?
Где он нагрелся?
У меня температура снижается пока расширяется газ.

PopovIgor>> Поэтому дело твое (наше) правое.
Gematogen> Я ужо хочу что-нибудь в небо пульнуть, а не только циферки ковырять
Я тоже!
Gematogen> Ужо допиваю вторую бутылку прекрасного аэродинамического кваса.
Расчет массы ракеты, в т.ч. ступенчатой. Формула Циолковского — Википедия
Gematogen> У тебя неправильно - надо учитывать полное давление, а не избыточное (разница +1 атм).
Не учел. Посчитал то, что вылетает.
Ощутимый прирост - 14 м/с! Значение ячейки М9 не соответствует О36.
PopovIgor>> При расширении газ охладился. Логично. С чего потом нагрелся?
Наверно, неправильно расчепуривал. Было сначала +15, потом - 18, потом +20.
Сейчас раскрываю и вижу: от +15 и до -107.
Gematogen> У меня температура снижается пока расширяется газ.
Это где Т, внутри?

PopovIgor> "пороховщикам", с улыбкой превосходства взирающих на нас со своих заоблачных высот.
Даже несмотря на "смайлик", немедленно спешу сообщить:
со стороны "твердотельщиков" НИ РАЗУ не встречал ДАЖЕ НАМЕКА на пренебрежительное отношение.
Зряшные слова.

PopovIgor> Сейчас раскрываю и вижу: от +15 и до -107.
Так будет для абсолютно сухого воздуха.
В реальной ракете воздух с водяным паром, который при переходе в лед отдает одуренное тепло, а также как минимум брызги воды.(потому я так пламенно полюбил пену)
Если двигательный отсек из двух частей, разделенных втулкой диаметром 8 мм, если он заряжается "сверху" (без пробулькивания через воду), да еще сухим сжатым воздухом, то после отработки термопара в верхней части показывает минус 20...40, а в нижней - понижение на 9...14 градусов.
Кто захочет повторить - нужна термопара из самой тонкой проволоки (0,08).