Обыкновенные водяные ракеты из пластиковых бутылок

NeutronS> Для отношения объёма заправляемой воды к объёму бутылки существует оптимум в области 1/3-1/2 который зависит от начального давления.

График не учитывает массу полезной нагрузки.
И не сильно стыкуется с моим графиком, который, правда, получен по критерию максимальной энергии сжатого воздуха на единицу веса ракеты.(впервые опубликован здесь)

Рекомендую также щедро снабжать графики пояснительными надписями, так понятнее.
Например, я не отследил - какой принимается масса пустой 3-литровой бутылки.

NeutronS> запускать ракету на спирте выгоднее, чем на воде - пойдёт выше!
unreal

NeutronS>> Для отношения объёма заправляемой воды к объёму бутылки существует оптимум в области 1/3-1/2 который зависит от начального давления.
Ckona> График не учитывает массу полезной нагрузки.
Ckona> И не сильно стыкуется с моим графиком, который, правда, получен по критерию максимальной энергии сжатого воздуха на единицу веса ракеты.(впервые опубликован здесь)
Ckona> Рекомендую также щедро снабжать графики пояснительными надписями, так понятнее.
Ckona> Например, я не отследил - какой принимается масса пустой 3-литровой бутылки.

 

Для всех приведённых графиков масса сухой ракеты принималась равной 100 гр объём 3л. Первые мои два поста почему-то отправлены на рассмотрения координаторам на предмет крамолы... Хотя картинки видны. Подписи должно быть появятся позже после проверки.
Вот какое аналитическое выражение для оптимального диаметра сопла у меня получилось.
М - масса сухой ракеты.
P - нагнетаемое избыточное давление.
g - понятно что.
Всё в СИ.
Собственно и всё. Если считать плотность жидкости привязаной к воде, то из оптимизационных параметров для одноступенчатой ракеты остаётся только диаметр сопла. Он в свою очередь может быть найден из представленной формулы. Все остальные параметры экстремума не имеют и должны выбиратся по принципу мини/макса т.е. если масса ракеты, то максимально возможная, если лобовое сопротивление, то минимальное.
Одно замечание. Если обратить внимание на выражение для оптимального размера сопла, то становится понятным, что выполнено условие когда тяга двигателя чуть превосходит стартовую массу ракеты. Этим достигается максимальная высота подюёма. Одним словом, если мы видим, что при запуске водная ракета стартует как гаубичный снаряд, то это не есть хорошо. Хорошо же, когда ракета стартует плавно и красиво, вызывая всеобщее восхищение и ликование!

NeutronS> Хорошо же, когда ракета стартует плавно и красиво, вызывая всеобщее восхищение и ликование!
Да, у водяных ракет очень эффектные старты !

NeutronS> Собственно и всё.
Значит ли это, что ты приступаешь к проектированию и изготовлению собственной ракеты ?

Я по-прежнему не согласен с приведенными тобой "воротами" оптимальности.
И принимаю как заблуждение, что стартовая тяга должна лишь немного превосходить стартовую массу.
(гравитационные потери победят все выигрыши)
К сожалению, сейчас не смогу "копаться и докапываться", но если ты не "исчезнешь" - зимой доберусь, затребую все выкладки и вот тогда-а-а...

В любом случае, самым объективным критерием оптимальности является бортовой высотомер.

Кстати, а у вас в Новосибирске уже зима ?

NeutronS> Первые мои два поста почему-то отправлены на рассмотрения координаторам на предмет крамолы... Хотя картинки видны. Подписи должно быть появятся позже после проверки.

Это форум как-то автоматом отправляет, а механизм "проверки" не работает. Попробуй просто повторить текст. Можешь просто нажать "ответить" на своём сообщении и полученную цитату отправить на форум. Я так делал несколько раз, ты можешь это делать сам.

slavich77> ментос+кола. Кто что думает по этому поводу?
Приветствую !
Насколько я понимаю, выделяется углекислота, при взаимодействии соды из таблеток с ортофосфорной кислотой из кока-колы. Не обязательно кока-колу, можно и столовый уксус.
Не уверен, что количество выделившегося газа обеспечит ту же энергию, что сжатый воздух.
Для вспенивания - очень даже может быть - ЕСЛИ удастся придумать управляемое вбрасывание таблеток в жидкость внутри ракеты, стоящей под давлением.

slavich77>> ментос+кола. Кто что думает по этому поводу?
Ckona> Приветствую !
Ckona> Насколько я понимаю, выделяется углекислота, при взаимодействии соды из таблеток с ортофосфорной кислотой из кока-колы. Не обязательно кока-колу, можно и столовый уксус.

Не совсем так. Там больше физические процессы нежели химические. Наскока помню из разрушителей мифов поверхность конфеты - шершавая. вот эти шершавчики и являются центрами высвобождения углекислоты, а в дальнейшем в такие центры превращаются уже образовавшиеся пузырьки газа. Т.е. в геометрической прогрессии (похоже на ядерную реакцию?)))). Поэтому именно кока-кола и лучше диетическая.

Ckona> Не уверен, что количество выделившегося газа обеспечит ту же энергию, что сжатый воздух.
Ckona> Для вспенивания - очень даже может быть - ЕСЛИ удастся придумать управляемое вбрасывание таблеток в жидкость внутри ракеты, стоящей под давлением.

Так и знал, что про энергию заговорят!))))
Нет, Использовать именно для вспенивания. Механизм в мыслях есть. Нужно испытать работу микросервы при давлении 9 атм.

....
Ckona> Кстати, а у вас в Новосибирске уже зима ?
Не знаю как в Новосибирске, а у нас уже зима! Последнее время постоянно дует северо-восточный ветер, ночью температура опускалась до -8С°, навалил снег. В этом году, мать ее природа название «Северный Кавказ» поняла дословно и, насколько помню, за последние 1000 лет такого мы не видели. Хорошо Slavich77 у него южное побережье, песочек, солнце не заходит, загорай, не хочу!
NeutronS> запускать ракету на спирте выгоднее, чем на воде - пойдёт выше!

Ну, что же, будем заправлять спиртом, по крайней мере команда заинтересовавшихся подобными ракетами соберется мгновенно!
И все же интересно дает ли именно пенный старт увеличение полного импульса?
Ну, а я начал эксперименты с силовым гироскопом, пока только ясно, что раскручивать маховик от сжатого воздуха компрессора реально и можно получить 10000об/мин.

NeutronS> Одно замечание. Если обратить внимание на выражение для оптимального размера сопла, то становится понятным, что выполнено условие когда тяга двигателя чуть превосходит стартовую массу ракеты.
Вообще-то известно эмпирическое соотношение F/w >/= 3-4. (thrust/weight). Меньше нельзя, поскольку ракета должна со старта уйти, уже поймав стабильность по тангажу/крену. А ей нужно преодолеть противодействие гравитации, трения в опорах и аэродинамические воздействия. Поэтому всегда нужно иметь запас по тяге. Гидроракеты вообще - случай особенный. Небольшая ошибка в расчётах насадка может привести к сильным потерям и тяги вообще не будет. Я делал стендовые испытания гидроракетных двигателей (ckona, наверное помнит) проверяя эмпирическую зависимость: площадь отверстия насадка vs. тяга. И зона критических значений оказалась достаточно узкой. Могу выложить видео, если интересно. Правда без измерения тяги. Однако ускорения легко измеряются по раскадровке, а значение давления (из воздушной магистрали), масса устройства (M+m) и трение были постоянными.
По твоей эмпирической формуле. Нужно обязательно указать РАЗМЕРНОСТИ. Надеюсь, что ты массу брал в кг, давление в кПа, а g = 9.8 м/с2 (SI). Тогда вопрос: куда деваются секунды? А если подставить в твою формулу значения для давления 100 кПа (10 Атм), M+m = 0.4 kg (approx), 9.8 m/seg2, то посчитай, что получится для диаметра (в метрах). У меня получился ... абсурд.

Ckona> Для вспенивания - очень даже может быть - ЕСЛИ удастся придумать управляемое вбрасывание таблеток в жидкость внутри ракеты, стоящей под давлением.
Я делал такой актуатор, ckona. На уксусной эссенции и соде. Компоненты заряжались в свои картриджи. Давление над у. разрывало burst-disc и он смешивался с NaHCO3. Через доли секунды давление CO2 в резервуаре достигало 1.2-1.5 атм и поршень делал нужную работу. В ваших ракетах такой CO2 booster можно реализовать при закачке воздуха в камеру, разместив подобное устройство в удобном месте на входе.

a_centaurus> Вообще-то известно эмпирическое соотношение F/w >/= 3-4. (thrust/weight). Меньше нельзя, поскольку ракета должна со старта уйти, уже поймав стабильность по тангажу/крену. А ей нужно преодолеть противодействие гравитации, трения в опорах и аэродинамические воздействия. Поэтому всегда нужно иметь запас по тяге. Гидроракеты вообще - случай особенный. Небольшая ошибка в расчётах насадка может привести к сильным потерям и тяги вообще не будет. Я делал стендовые испытания гидроракетных двигателей (ckona, наверное помнит) проверяя эмпирическую зависимость: площадь отверстия насадка vs. тяга. И зона критических значений оказалась достаточно узкой. Могу выложить видео, если интересно. Правда без измерения тяги. Однако ускорения легко измеряются по раскадровке, а значение давления (из воздушной магистрали), масса устройства (M+m) и трение были постоянными.
a_centaurus> По твоей эмпирической формуле. Нужно обязательно указать РАЗМЕРНОСТИ. Надеюсь, что ты массу брал в кг, давление в кПа, а g = 9.8 м/с2 (SI). Тогда вопрос: куда деваются секунды? А если подставить в твою формулу значения для давления 100 кПа (10 Атм), M+m = 0.4 kg (approx), 9.8 m/seg2, то посчитай, что получится для диаметра (в метрах). У меня получился ... абсурд.

 

Видео конечно выкладывай. Очень интересно!
Что касается размерности в формуле для диаметра сопла, то она в СИ (давление в паскалях!). Проверяем размерность и делаем вычисления по твоим, a_centaurus, входным данным. Поправь меня, если я ошибаюсь.
Всё сходится.

Всё началось недели две-три назад. У нас в гостях был 11-летний друг моей старшей дочки и вечером стал меня донимать поросьбой что-нить взорвать или на худой конец запустить в воздух... делать нечего - говорю ему
- "А давай водяную ракету сделаем". Так, слово-за=слово и решили делать. Сразу же встал вопрос о том, какую дыру проковыривать. Тут мы поняли, что не знаем. Он настаивал на открытом горлышке, а мне воды было жалко, которая вся на старте уйдёт почём зря. Вот так я и подсел на это дело.
В Новосибе уже давно зима. Только собственная банька с квасом и спасает от депресии. Похоже, есть время подумать об оптимальной конструкции ракеты. Я прикидываю, что множество проблем связаных с неустойчивостью ракеты при низких скоростях на старте можно очнь элегантно и красиво решить разместив точку приложения силы выше центра массы ракеты. Другими словами подняв сопло выше объёма с жидкостью.
И ещё, если посмотреть на зависимости максимальной высоты подьёма ракеты от лобового сопротивлени и объёма бутыля, то видно, что выгоднее вкладывать силы и время в вылизывание профил снаряда. Таким образом, складывается определённая конструкция - стартует медлено, идёт гладко и высоко... Эх! - Мечта.
Ckona, выложи, пожалуйста данные измерений пенной тяги. Я думаю, что наблюдаемая прибавка в силе тяги при прочих равных условиях по сравнению с водяным движком связана именно с более низкой потностью отбрасываемого вещества. Посмотри мои данные по оптимизации по параметру плотности. Там хорошо виден максимум в районе 0.3 гр/см3

Ну, что же, будем заправлять спиртом, по крайней мере команда заинтересовавшихся подобными ракетами соберется мгновенно!
И все же интересно дает ли именно пенный старт увеличение полного импульса?
Ну, а я начал эксперименты с силовым гироскопом, пока только ясно, что раскручивать маховик от сжатого воздуха компрессора реально и можно получить 10000об/мин.

 

Думаю, что порвут на старте, а спиирт используют по назначению:-)
Что касатся гироскопа, то тут важно, чтобы его обод не превысил звуковую скорость. в противном случае, нужно городить вакуумную откачку. При 10000об/мин. этот предел достигается уже при диаметре в 1см.

NeutronS> Проверяем размерность и делаем вычисления по твоим, a_centaurus, входным данным.
NeutronS> Всё сходится.
Сходится с чем? Куда делась секунда из размерности для ускорения св. пад. (м/сек2)? Проверяй решение, сверяя размерности.

P.S. Когда цитируешь, бери только несколько слов, чтобы представить дело. Кому надо, вернётся в оригинальный пост.

NeutronS>> В первом случае утверждается, что тяга пропорциональна только произведению массового расхода топлива на скорость истечения, а во втором - к этому члену ещё прибавляется произведение давления в камере на площадь сопла...
Ckona> Правильно и первое, и второе.

Первое правильно, второе нет.

Если уже есть произведение массового расхода на скорость истечения, то ничего уже добавлять не нужно.
Или: V*Ms = 2*P0*Sкр = F
Складывать их нельзя.
Для наглядности рассчитал твой пример Реактивная тяга водяных ракет из пластиковых бутылок во Flow Simulation и вот что получилось (см. рисунки).

Ckona> В первом приближении водореактивная тяга F= 2*P*S (P,S - понятно что).
Ckona> На практике добавляются гидравлические потери в сопле.

Куда они прибавляются? Понятно, что давление на выходе из сопла будет равно атмосферному. Коэффициент гидравлического сопротивления для конфузоров обычно составляет менее 0,05. И в случае с гладкой и плавной поверхностью бутылки здесь следует рассматривать наименьшие значения.

a_centaurus> Сходится с чем? Куда делась секунда из размерности для ускорения св. пад. (м/сек2)? Проверяй решение, сверяя размерности.

 

Я чего-то не понимаю?
a_centaurus, ты картинку-то глянул что я прицепил к своему посту? Там вроде, всё предельно просто и выразительно показано. В частности, видно, что секунда из размерности для ускореня (как впрочем и вся размерность ускорения) успешно сократилась с числителем размерности давлеия [N/m²], где ньтон расписывается как роиведение ускорения на массу! После чего ускорение в числителе и знаменателе успешно сокращаются. После этого можно убедится, что размерность длины слева тождества, совпадает с размерностью правой части. Именно это я определил словом "сходится".
С подстановкой паскалей вместо килопаскалей в СИ-шную формулу помочь разобраться?
Специально для тебя ещё раз картинка:

NeutronS> Что касатся гироскопа, то тут важно, чтобы его обод не превысил звуковую скорость. в противном случае, нужно городить вакуумную откачку. При 10000об/мин. этот предел достигается уже при диаметре в 1см.
9800об/мин D=27мм - это плохенький самодельный мотор-ротор. В авиационных гироскопах обороты повыше и диаметры побольше, но обходятся без вакуума. Простецкий самодельный механический гироскоп реален YouTube

NeutronS> Видео конечно выкладывай. Очень интересно!
Этот первый видео не совсем то, что ты представляешь о водноракетных двигателях, но это стендовое испытание Water Rocket Motor с записью тяги. Вот график. Если интересно посчитать модель рабочего процесса в рамках твоих эмпирических схем, то пороюсь в архивах и дам параметры камеры. Рабочее тело - вода. Наддув - ПАД (топливо - KNSu - сахарная "карамель")

NeutronS> ... При 10000об/мин. этот предел достигается уже при диаметре в 1см.

И как ты такое высчитал, покажи на пальцах?

NeutronS>> ... При 10000об/мин. этот предел достигается уже при диаметре в 1см.
Брат-2> И как ты такое высчитал, покажи на пальцах?

 

А я буквочку "о" перед твоими об/мин. посчитал за ещё один нолик:-)

SashaMaks> Или: V*Ms = 2*P0*Sкр = F
SashaMaks> Складывать их нельзя.
SashaMaks> Для наглядности рассчитал твой пример

 

У нас отличие в 10 раз! По моим расчётам получается тяга 30 Н или 3 кгс. См. рис.

NeutronS> Я прикидываю, что множество проблем связаных с неустойчивостью ракеты при низких скоростях на старте можно очнь элегантно и красиво решить разместив точку приложения силы выше центра массы ракеты. Другими словами подняв сопло выше объёма с жидкостью.

К сожалению, это не работает. Принципиально. Ещё Годдард так ошибался )))