Обыкновенные водяные ракеты из пластиковых бутылок

Брат-2> 3.Бутылки в ракете собираются только горлышком в дно.

Брат-2> Ckona, «покажи пальцем»!

Попробую... на пальцах.

Наши ракеты разгоняются в поле тяготения Земли.
Энергия двигателя расходуется не только на разгон ракеты (в соответствии с формулой Циолковского),
но и на подъем тяжести вверх (и формула Циолковского тут ни при чем !).

Представь мысленно, что твоя ракета (массой 0,5 кГ плюс 1 кГ расходной массы) умеет разгоняться, "выстреливая" всю воду почти мгновенно, а также в два этапа - по 0,5 литра с интервалом в 1 секунду. Временно создадим вакуум, чтобы убрать сопротивление воздуха.

В первом случае энергия двигателя практически вся будет израсходована на кинетическую энергию ракеты массой 0,5 кГ.
Во втором случае двигателю приходится в течение одной секунды поднимать дополнительный груз массой 0,5 кГ на некоторую высоту. На этой высоте "груз" отделяется, дальше ракета летит с такой же массой, как и в первом случае.

Очевидно, что во втором случае ракета не сможет подняться на такую же высоту, потому что часть энергии двигателя была израсходована на подъем "топлива" массой 0,5 кГ.

Разбивая 1-секундную работу двигателя на бОльшее количество временных интервалов, можно численным методом определить, насколько "невыгодно" увеличивать в поле тяготения Земли время работы реактивного двигателя.

В такую модель уже можно ввести силу аэродинамического сопротивления. Мы сразу увидим оптимум - если ракету не разгонять слишком быстро, потери на аэродинамику не будут слишком большими. Этот оптимум сильно зависит от коэффициента аэродинамического сопротивления и от соотношения силы тяжести для пустой ракеты и силы торможения об воздух.
Проще говоря - "тяжелая" ракета воздух "не замечает", а "пустая бутылка" сразу же тормозится и выше 25 метров не летит.

Из практики бутылочного ракетостроения - при удовлетворительной аэродинамике и наличии простейшей "полезной нагрузки" - воздух влияет гораздо в меньшей степени, чем подъем воды на высоту.

---

Брат-2 !
С большим удовольствием изучаю твою конструкцию, по ней будет куча самых разных вопросов.
Имеешь ли ты возможность фиксировать полет ракеты на видео ?

---

Изменение аватары: Щелкаешь по имени под своей аватарой - ищешь надпись "профиль на старом форуме" и щелкаешь по ней - находишь слева под надписью "профиль" слово "индивидуальный" и щелкаешь по нему - находишь надпись "изменить аватар"

Ckona> Представь мысленно, что твоя ракета (массой 0,5 кГ плюс 1 кГ расходной массы) умеет разгоняться, "выстреливая" всю воду почти мгновенно, а также в два этапа - по 0,5 литра с интервалом в 1 секунду.

Неверная модель для объяснения гравитационных потерь.

Если суммарное время работы двигателя на этих двух этапах будет такое же, как и за один этап в первом случае, то ракета полетит выше (при двух этапах). Потому что аэродинамические потери будут меньше, а гравитационные такие же.

Гравитационные потери не зависят от интервала между включениями двигателя, они зависят только от времени работы двигателя. Ведь во время работы из тяги постоянно вычитается вес ракеты. Поэтому, чем дольше жгём топливо, тем больше это вычитание.

Ckona>> Представь мысленно, что твоя ракета (массой 0,5 кГ плюс 1 кГ расходной массы) умеет разгоняться, "выстреливая" всю воду почти мгновенно, а также в два этапа - по 0,5 литра с интервалом в 1 секунду.

Serge77> Если суммарное время работы двигателя на этих двух этапах будет такое же, как и за один этап в первом случае, то ракета полетит выше (при двух этапах). Потому что аэродинамические потери будут меньше, а гравитационные такие же.

Запуск 1: расход массы 1 кГ за 0,2 секунды.
Запуск 2: расход массы 0,5 кГ за 0,1 секунды, после полета вверх через 1 секунду второй расход массы 0,5 кГ за 0,1 секунды.

Второй запуск сопровождается подъемом вверх дополнит.массы 0,5 кГ в течение 1 с.

Почему это
Serge77> гравитационные (потери) такие же.
?

Впрочем, в объяснениях можно не использовать "дискретный" подход с двумя (и более) "запусками двигателя".
Ключевая фраза: "во время работы из тяги постоянно вычитается вес ракеты с неизрасходованным топливом."

Ckona> Второй запуск сопровождается подъемом вверх дополнит.массы 0,5 кГ в течение 1 с.

Ну и что? Он летит по инерции, никакой энергии на это не тратится. Энергия потратилась на его разгон, но ровно столько же, сколько за первые 0.5с длинного пульса.

Ckona> Попробую... на пальцах.
Ckona! Безусловно, прав Serge77. Ты слишком много хочешь от понятия «мгновенно». Все в мире относительно, заметь, за это «мгновенно» двигатель отдает полный импульс тяги, как и во втором случае за более длинный период времени. Опираясь именно на это, мной был ранее сделан логический вывод о том, что ракета с соплом в 9мм полетит выше лишь потому, что будет меньшая скорость полета. То есть, ошибки вероятно нет. Кстати ты противоречишь сам себе, агитируешь за 9мм, сообщаешь, что полет выше, а теоретически объясняешь с точностью наоборот.

Ckona> Проще говоря - "тяжелая" ракета воздух "не замечает", а "пустая бутылка" сразу же тормозится и выше 25 метров не летит.
Ckona> Из практики бутылочного ракетостроения - при удовлетворительной аэродинамике и наличии простейшей "полезной нагрузки" - воздух влияет гораздо в меньшей степени, чем подъем воды на высоту.
Меня еще интересует, так чему будет равна оптимальная масса пустой ракеты? Ты этого вопроса касаешься, но ясного, а главное численного ответа нет. Впрочем, в твоей модели еще не разбирался, нет времени. У меня есть фотоаппарат с возможность фотосъемки, получится или нет, не знаю. За совет как изменить аватар, спасибо! Вначале хотел изменить сам, не сумел, а теперь и самому нравится!

Брат-2> агитируешь за 9мм, сообщаешь, что полет выше, а теоретически объясняешь с точностью наоборот.

Я никогда не сравнивал результаты запусков ракет с разными соплами. Где я сообщаю, "что полет выше" ? Если есть такое сообщение - надо посмотреть контекст. В свое время я тоже радовался по поводу "тонких" сопел, но повозившись с моделированием, убедился - не все так однозначно.

С гравитационными потерями вроде все ясно - чем меньше время отбрасывания реактивной массы, тем они меньше.
С аэродинамикой тоже - действует "противоположно".
В зависимости от "обстоятельств" (точнее, параметров аппарата) доминирует тот или иной фактор. Ясный численный ответ могу дать при заданных исходных параметрах - масса пустой ракеты, начальное давление, объем ракеты и коэффициент заполнения водой, аэродинамический Сх.
Насколько видно по фото, твоя ракета имеет объем 3 литра и заправляется одним литром воды. Вес оцениваю в 450 граммов, из них 250 - корпус, 200 - аппаратура.
Непонятно - что (похожее на плату) находится в нижнем конце штока-толкателя ?

С Serge-77 не могу согласиться, но прежде чем спорить, хочу все разложить "по полочкам". Причина несогласия - в энергетике: в запуске 2 (в отличие от запуска 1) полкило воды целую секунду поднималось вверх, на увеличение потенциальной энергии воды явно была потрачена энергия двигателя - как же могут быть одинаковыми гравитационные потери...
Вот закончу с резьбой (никак не получается на токарном станке) - посчитаю в цифрах, тогда все прояснится. Я ведь тоже могу ошибаться.

Брат-2> мной был ранее сделан логический вывод о том, что ракета с соплом в 9мм полетит выше лишь потому, что будет меньшая скорость полета. То есть, ошибки вероятно нет.

Не всё так однозначно. Зависит от начальной скорости. Если это старт с земли (первая ступень или booster), то при одинаковом It двигателя и одной и той же массе топлива, больший потолок достигается при более коротком времени работы. То есть при большей его тяговооружённости. Иными словами выбор режима работы двигателя бустера связан с необходимостью именно быстрого расхода "мёртвой стартовой массы". Другое дело - полёт двухступенчатой ракеты. Когда старт второй ступени производится с начальной скоростью, далеко отличной от 0, более выгодным является медленный разгон, чтобы не "догнать" скачком вырастающее лобовое сопротивление, когда ракета начинает быстро тормозиться. Поэтому выбор Ckona по эффективной площади сопла 1 и 2 ступени абсолютно справедлив. Осталось расчитать время задержки между событиями. Собственно в этом и заключается искусство расчёта временной последовательности событий при расчёте двухступенчатой ракеты. Особенно небольшой. Именно этим я сейчас занимаюсь в своём проекте 2 ст. гибридной ракеты. Гибрид позволяет в более широких пределах изменять режим работы в рамках одного дизайна. У меня есть возможность при одном и том же It ок. 300 N*s изменять среднюю тягу двигателя бустера в пределах 40-70 N. Программа ezalt даёт разницу между 8 с и 6 с около 70 м в сторону меньшего времени (F avg =40 N и 50 N соотв.). 5 с тяга с 60 N добавляет к базовой (8 с) около 150 м. Причём для ракеты стартовой массой 3.1 кг режим 8 с находится на пределе срыва. Сход с направляющей происходит на скорости всего 5 м/с. То есть при наличии бокового ветра ракета может перейти в горизонтальный полёт. Напомню, что критерием стабильного полёта является минимальная скорость ок. 13 м/с. Вот отсюда и надо плясать. При этом мне совсем не важно, что вторая ступень массой 0.6 кг оснащена микро ГРД всего в 13 N средней тяги (2.5 с). При старте с начальной скоростью ок. 20 м/с вторая ступень слегка "подгоняемая" тягой микродвигателя поднимется ещё метров на 120. В то время как её потолок старта с нулевой скорости всего 20 м. Вот такая интересная арифметика.

a_centaurus> Если это старт с земли (первая ступень или booster), то при одинаковом It двигателя и одной и той же массе топлива, больший потолок достигается при более коротком времени работы.

Не всегда. Расчёты показывают, что если при коротком времени работы ракета разгоняется близко к звуковой скорости или больше (а точнее, близко к терминальной скорости или выше), то выгоднее несколько удлинить время работы двигателя, чтобы максимальная скорость ракеты стала меньше. При этом немного увеличатся гравитационные потери, но сильно уменьшатся аэродинамические и высота полёта вырастет.

Например, при весе карамельного топлива больше 25% от веса ракеты уже становится выгоднее увеличить время работы двигателя.

Кстати, это всё верно для любой ступени, если она летит в атмосфере.

Ckona> С гравитационными потерями вроде все ясно - чем меньше время отбрасывания реактивной массы, тем они меньше.

Ckona> С Serge-77 не могу согласиться, но прежде чем спорить, хочу все разложить "по полочкам". Причина несогласия - в энергетике: в запуске 2 (в отличие от запуска 1) полкило воды целую секунду поднималось вверх, на увеличение потенциальной энергии воды явно была потрачена энергия двигателя - как же могут быть одинаковыми гравитационные потери...

Сравни эти свои два высказывания.

На увеличение потенциальной энергии воды явно была потрачена энергия двигателя - верно, но она была потрачена ЕЩЁ во время разгона, т.е. кинетическая энергия этой массой воды была приобретена во время разгона и потом она (а не дополнительная энергия двигателя) тратилась на подъём, т.е. переходила в потенциальную. Точно такую же кинетическую энергию эта же самая масса воды получила и за первую половину работы одноимпульсного режима. Т.е. в обеих режимах затраты двигателя на разгон этой массы воды одинаковые, никакой разницы нет.

Serge77> Не всегда. Расчёты показывают, что если при коротком времени работы ракета разгоняется близко к звуковой скорости или больше (а точнее, близко к терминальной скорости или выше),
Это правда. Мы в общем-то слегка по-дилетантски подходим к проблеме. Вся аэродинамика ракет построена на магическом числе "М". Просто дефолтно у нас подразумевается полёт на скоростях меньше М1, поэтому дискутируемые соотношения верны для частных случаев. А программы, имеющиеся в наличии у любителей считают именно для этих скоростей. И за неимением других им приходится доверять. Но и эксперимент подтверждал их достаточную точность.

a_centaurus> А программы, имеющиеся в наличии у любителей считают именно для этих скоростей.

Почему? Бесплатный Launch считает до М5, причём учитывает изменение Cx от скорости и изменение плотности атмосферы с высотой, т.е. расчёт вполне годный. Я уж не говорю про Rocksim.

Ckona> Непонятно - что (похожее на плату) находится в нижнем конце штока-толкателя ?

В этой ракете плата управления была именно там, а напряжение питания, после пережигания нити, отключалось электронным путем. Сейчас, после полетов другого, показанного на чертеже варианта, устраняю сделанные мной же замечания.
Да мужики, после Ваших разъяснений лучше вернусь в ОАО «РЖД», тем более отпуск заканчивается! Нет, у нас тоже проблемы, и думать я постоянно обязан, так хоть деньги платят!

Ckona> ... Поработай с численной моделью !

Ckona! Большое спасибо за сноску на твою математически модель. За 5 мин. беглого просмотра в голове появились слабые проблески сознания!

Ckona> Вот закончу с резьбой...

Освоил, получилось.
На фото - детали обоймы, которая объединяет два горлышка от бутылок в один жесткий "цилиндр".
После изготовления поршневой втулки можно будет проводить испытания на соосность -
подать давление и убедиться в перемещении поршней.
Если их заклинит - вся работа псу под хвост.
Если нет - можно будет двигаться дальше.

Брат-2, вопросы по твоей ракете:
Какие использованы шланги и тройник, от каких технических устройств ?
Чем соединены бутылки, какой диаметр отверстия, через которое воздух проходит между ними ?
Из какого материала изготовлены стабилизаторы ?

Ckona> Брат-2, вопросы по твоей ракете:
Ckona> Какие использованы шланги и тройник, от каких технических устройств ?
Ckona> Чем соединены бутылки, какой диаметр отверстия, через которое воздух проходит между ними ?
Ckona> Из какого материала изготовлены стабилизаторы ?


Ckona! Мной ранее сообщалось, что все из типового хозяйственного магазина, в том числе и манометр на 6 атм. Шланги с металлизированной оболочкой, в быту используются для подвода воды. Шланги хороши тем, что практически не расширяются, имеют типовые концевые узлы соединения, тройник тоже из этого семейства, то есть немного фантазии и любая конфигурация, не отходя от кассы!
Узел соединения готовый, из латуни, подобрал от радиоаппаратуры, внутренний диаметр 8мм. Между донышком и пробкой прокладка из линолеума, под гайками дополнительные металлические шайбы. Зажимаю достаточно сильно, поэтому с трудом представляю твои пластмассовые узлы соединения, впрочем, ты хороший практик. Выполнить соединение дном в дно не смог, пропускает, появляются трещины, впрочем, сильно не расстроился, меня вполне устраивает вариант пробкой в дно – любая конфигурация, не отходя от космодрома!
С конструкцией стабилизатора долго экспериментировал, теперь он у меня почти идеальный! Крылья стабилизатора изгибаю из куска бутылки, появляется профиль и прочность. В цилиндре паяльником по шаблону делаю четыре прорези, вставляю крыло, собственно все понятно из рисунка. На последнюю бутылку надеваю цилиндр так, чтобы была минимальная зона разряжения, впрочем, если правильно мне понятно, то конструкция твоего стабилизатора аналогична.
Именно об этой проблеме твоего узла соединения мной и сообщалось и действительно, если в самое нижнее отверстие вставить клапан с калиброванным отверстием, то возможно, проблему и можно решить, но как все сложно! А вообще молодец, выкрутился, уважаю!

Брат-2> С конструкцией стабилизатора ... все понятно из рисунка.
Спасибо.
Если не возражаешь - позаимствую твою конструкцию в качестве стабилизаторов первой ступени, если площадь будет достаточной.

Крепежное кольцо (фрагмент бутылки с бОльшим диаметром) - я его делаю термоусаживанием на бутылку-шаблон, заполненную водой и слегка надутую.
Нагретый воздух плотно "усаживает" кольцо и совершенно никак не влияет на "шаблон" с водой. Неровные края потом просто обрезаются ножницами.

Брат-2> С конструкцией стабилизатора долго экспериментировал,

Хорошо, молодец железнодорожник! Изящная и простая конструкция. Выложи фото,por favor, чтобы увидеть, какой ты в изготовлении.

Ckona> Примечание:
Хоть мелковато на фото, но смотрится хорошо. Даже конусы на пробках получил. Попробуй видео сделать на испытании. Удачи.

Ckona> Вывод: возможно, без гидравлического "замедлителя" ....сь.
Знаешь, как его сделать?

a_centaurus> Знаешь, как его сделать?

Есть готовые разные жиклеры с резьбой М6.
Устанавливаются на входе над верхним поршнем, надо подобрать 5-8 куб.см. воды - за 0,5...2 секунды.
Готовлю эксперименты.
Много спотыкачек - отсутствует опыт конструирования.

Ckona> Много спотыкачек - отсутствует опыт конструирования.
Ничего страшного. Будешь практиковать - научишься. Старайся продумывать функциональную идею, прорисовывая всю сборку. Потом макетировать. Важно - знать базовые нормы и свойства материалов. А с замедлителем - понятно.

Ckona> Много спотыкачек - отсутствует опыт конструирования.

Последнее время занимался узлом электроники, вместо платы изготовил функционально законченный модуль объемом 1см, думаю, что это повысит надежность.
Ckona! Не могу понять преимуществ твоего узла, поясни бестолковому! Да, два поршня, как бы обеспечивают стабильность параметров времени отстыковки вне зависимости от начального давления в самой ракете, как выяснили - есть недостаток. Да, можно применить гидро- или пневмо- замедлитель, но он будет работать с момента фазы старта, а значить нестабильность времени срабатывания гарантирована. Да, Вы меня убедили, что механический узел проще и надежней иных, но почему два поршня. К примеру, предлагаю свой узел. То есть один поршень и сила, приложенная к нему, будет в 5 раз больше, чем в обратном направлении сила выталкивающей воды. Направляющая трубка перемещается вместе с поршнем и на конце имеет клапан ниппельного типа. Собственно все понятно из чертежа. Узел короткий и прочный! Вставил второю ступень, а вода не будет выливаться, так как резиновая часть уплотнения, надетая на трубку, достаточно длинная. Качнул в первую ступень, поршень и движущие части переместились, окончательно закрыв и замкнув сопло. То есть ничего руками делать не надо и проставка может быть сплошной.

Брат-2> изготовил функционально законченный модуль объемом 1см
Это как... без платы - объемный монтаж с последующей заливкой ? Объем впечатляет.
А какая схема ?

Брат-2> Не могу понять преимуществ твоего узла, поясни !
Преимущество в том, что он "на коленях" уже работает.
Вторая ступень отделяется при сбросе давления в первой (и дубасит в шкаф с подушками ).
Нужна доводка для нормальных стендовых испытаний с видеосъемкой.

Теперь о твоем варианте. Полости П1 и П2 находятся под давлением - это первая и вторая ступени. Полости П3 и П4 соединяются с внешней средой и находятся под атмосферным давлением. Розовый плунжер с красным поршнем в заряженной ракете находится под действием двух сил (со стороны П1 и П2) и стремится сдвинуться вверх, потому что давления одинаковые, но площадь со стороны П1 больше, чем со стороны П2.
Я догадался, что синяя наружная проставка жестко соединена со ступенью 1 (на схеме не показано), и потому плунжер находится в верхнем положении, препятствуя смещению сухарей-фиксаторов.
После отработки первой ступени плунжер (вместе с черным уплотнением) смещается вниз под действием давления со стороны П2, освобождает сухари и производит запуск второй ступени.

Вопросы-замечания:
Будет ли достаточным усилие со стороны П2 для преодоления трения в уплотнении между соплом и разгонной трубкой, в рабочем поршне, между плунжером и проставкой?
Непонятно, как выполнить уплотнение между разгонной трубкой и соплом.
Технологические сложности в изготовлении сухарей и окон для сухарей.
Не используется "штатное" наружное уплотнение (o-ring) сопловой насадки.

Схема заслуживает внимания!
Брат-2 - в твоем варианте все равно два поршня с атмосферным давлением между ними, в качестве "верхнего" используются другие элементы конструкции.
Преимущество - варьируя соотношением площадей, можно задавать момент срабатывания.
К тому же узел действительно можно сделать короче, чем 130 мм.

По некотором размышлении, я бы никаких резиновых трубок не использовал - а использовал штатное уплотнение сопла.

А вообще - лед тронулся !