Обыкновенные водяные ракеты из пластиковых бутылок

Ckona, а ты знаешь (может вычислял или измерял) ускорение твоих ракет? или какие значения характерны для таких ракет (с соплом 21,5мм)?

Bain> какие значения ускорения характерны для водяных ракет (с соплом 21,5мм)?

Не совсем корректно говорить об ускорении, не зная массу пустой ракеты.

У горлышка пластиковой бутылки реактивная тяга при давлении 6 атмосфер достигает 400 Ньютон (40 кГс).
Но это не значит, что 400-граммовая ракета будет иметь ускорение 100 G.
В начале выброса с ракетой поднимается еще и вода, а в конце выброса - давление совсем не 6 атмосфер, а заметно меньше - зависит от стартового коэффициента заполнения водой.

Так что реальные значения - 40...50 G (500 м/с2), в течение 1/10 секунды.

Расход воды из 21,5-мм горлышка при разгоне ~5 литров в секунду.

Ckona> Не совсем корректно говорить об ускорении, не зная массу пусой ракеты.
Ckona> У горлышка пластиковой бутылки реактивная тяга при давлении 6 атмосфер достигает 400 Ньютон (40 кГс).
Ckona> Но это не значит, что 400-граммовая ракета будет иметь ускорение 100 G.
Ckona> В начале выброса с ракетой поднимается еще и вода, а в конце выброса - давление совсем не 6 атмосфер, а заметно меньше - зависит от стартового коэффициента заполнения водой.
Ckona> Так что реальные значения - 40...50 G (500 м/с2), в течение 1/10 секунды.
Ckona> Расход воды из 21,5-мм горлышка при разгоне ~5 литров в секунду.

О! Спасибо!!!!

Ckona> Что называть "оптимальным коэффициентом заполнения" ?

Смотря что ты хочешь от ракеты. Если работу - тогда максимум работы.
Но обычно от ракеты хотят высоты. Какой здесь оптимум заполнения?

Serge77> От ракеты хотят высоты. Какой здесь оптимум заполнения?

Водяную ракету заправляют водой, потом заряжают сжатым воздухом.
При прочих равных условиях - высота апогея зависит от количества воды.
Максимум высоты - (при прочих равных условиях!) - соответствует максимуму удельной работы по выталкиванию воды из бутылки.

Это несложно показать аналитически - общее количество джоулей на килограмм взлетной массы пересчитать в удельный импульс.

Ckona> Максимум высоты - (при прочих равных условиях!) - соответствует максимуму удельной работы по выталкиванию воды из бутылки.

Это с учётом сопротивления воздуха или без?

Без учета.

Ckona> Расхожее мнение - что 1/3 воды и 2/3 воздуха - является некорректным.

Т.е., оно некорректное, если не учитывать сопротивление воздуха. А если учитывать? Не сместится ли оптимум воды от 0.2-0.25 к 0.3-0.35 ?

Ckona> Сжатый воздух выталкивает воду, совершая определенную работу.
Ckona> Есть формулы, можно посчитать.
Ckona> Эту работу делим на массу заправленной ракеты - получаем удельную работу.
Ckona> Договоримся считать "оптимальным" максимум удельной работы по выталкиванию воды из бутылки.


При чем тут работа? Можно выбросить ГДж и не сдвинуться с места.
Грубо говоря, автоматчик (стреляющий из автомата) может без проблем стоять на ногах, хотя энергия выделяется очень даже приличная. А если в него врежется бегущий человек, то сами понимаете...

Если дашь Cx бутылки, массу, диаметр сопла и нач. давление, с удовольствием поищу точное оптимальное кол-во воды + скорость, высоту и время полета.

umbriel> Если дашь Cx бутылки, массу, диаметр сопла и нач. давление, с удовольствием поищу точное оптимальное кол-во воды + скорость, высоту и время полета.

Моя любимая бутылка - "Лужанська" (узкая и длинная), объем полтора литра, диаметр 84 мм, масса бутылки 46 граммов.
Сх, который я измерил - 0,53. (измерения грубые, правильнее говорить - в пределах от 0,4 до 0,65).

Диаметр сопла 21,5 мм. Начальное давление - 5 атмосфер.

Я пулял этой бутылкой сначала без груза, а потом надел на нее 120-граммовую кружку.
Во втором случае высота полета была явно выше.
Все эти эксперименты можно будет повторить с той же пусковой установкой, но уже при видеосъемке.

.............................

Прошел год, вторая модификация ракеты "Кряква" готовится к полетам (см.видео проверки оптич.датчика).
Объем - 4,5 литра. Диаметр 84 мм. Масса пустой ракеты - 510/580 г.
Обтекатель улучшает Сх до значения 0,3.
Сопло - диаметром 9 мм. Начальное давление - 7 атмосфер.
Запуски ожидаются после небольшой доработки пускового зажима.

umbriel> При чем тут работа? Можно выбросить ГДж и не сдвинуться с места.
umbriel> Грубо говоря, автоматчик (стреляющий из автомата) может без проблем стоять на ногах, хотя энергия выделяется очень даже приличная. А если в него врежется бегущий человек, то сами понимаете...
В данном случае (стрелок) работа совершается против сил трения и составляющей веса тела, которую опытный стрелок использует для стабилизации. Как правило механическая составляющая энергии выстрела гасится в мускульной сумке плеча.Совершая работу против силы упругости мышц. Следующий важный компонент - время приложения силы. Для выстрела это время равно времени выталкивания пули пороховыми газами. То есть, вследствие расширения газов пуля получает запас энергии (неск. кJ), оставляет небольшую часть энергии в отдаче, а с запасом основной - летит к цели. То же и с водой. Кстати, выстрел из .45 отбрасывает неопытного стрелка именно из-за длительного времени воздействия (скорость пули ) относительно небольшая. Работа также совершается фотонами, при попадании лазерного импульса (1-2 мкс) в мишень. Или в зеркало, в случае фотонного двигателя. Так что работа есть мера изменения энергии. И в рабочем процесе в РД эта мера всегда присутствует. Дальше нужно говорить об импульсе, то есть произведении массы на скорость. Тогда появляется киносюжет об отбрасывании тела при попадании в него пули крупного калибра. Медленной (время воздействия) и тяжёлой (масса). Но в общем-то эти вопросы достаточно общие, для спора в этой теме, предназначенной для обсуждения очень узкой прикладной задачи.

Ckona> При посадке заправленной ракеты на разгонную трубку, сопло было случайно продавлено внутрь и не зафиксировалось в зажиме.
Ckona> ... по достижении давления 2 атм. ракета пошла по трубке вверх и завалила пусковую установку, разгонная трубка сломалась по резьбе у основания.
Ckona> Выводы. 1) Доработать конструкцию сопла, исключив его случайное продавливание внутрь.

Чтобы сопло не продавливалось внутрь, использован проволочная скоба, в теле сопла выполнены две канавки-лыски.
Пришлось также доработать фиксатор, удалив часть металла на глубину, равную толщине скобы (указано красной стрелкой).

Запуски планируются на 14-е июня.
(Возможно, я не утерплюсь и поеду пулять рано утром перед работой.)

a_centaurus>> А потом я выложу свои соображения по поводу возможной конструкции такого узла.
Bain> Хотелось бы посмотреть!!!

Долго не было времени заняться этой задачей. А когда посмотрел патенты на предмет прототипов, то также не обнаружил чего-то оригинального. Поэтому полученная конструкция сепаратора (см. чертёж) для двухступенчатой водоракеты - это оптимизированный вариант идеи Bain. В основу положен принцип удержания взведённых пружинных замков, запирающих стыковочное устройство, дисковым упором, уравновешенным силой давления в обеих камерах.
Герметичность достигается применением конических сечений для сопла 2 ступени и активатора в верхней части камеры 1 ступени. Детали устройства могут быть выполнены точением из PVC. Соединение с камерами - клеевое. После сборки устройства на куполе камеры 1 ступени, вторая ступень устанавливается в рабочее положение по фигурным самозатягивающимся пазам. Как вариант может быть использован винтовой крепёж. Инерциальная добавка (несколько g ) к весу воды в камере 2 ступени компенсируется разрушаемой мембраной/чекой, закреплённой на штоке, соединяющем запорные пробки. Наддув камеры второй ступени и заправка рабочим телом (водой), производится через клапан в верхней части камеры. Их жёсткость подбирается при калибровке. Устройство работает следующим образом: после сборки и заправки водой ступени наддуваются до выбранного давления. При этом, давление в камере 1- P1 > P2 - давления во 2 камере. Таким образом 2 ступень удерживается в стартовом положении. После пуска, когда давление в камере 1 сравнивается с давлением камере 2, поршень-пробка в сопле второй ступени, проваливается вниз и через жёсткую связь (шток), перемещает диск затвора. Пружины на 4 замках выталкивают запорные шпильки и вторая ступень начинает свободный полёт...
Конечно, пока это только концептуальный дизайн. Своего рода "конструкторский кроссворд". При реализации и отработке устройства могут вылезти "подводные камни".

a_centaurus>>> А потом я выложу свои соображения по поводу возможной конструкции такого узла.
Bain>> Хотелось бы посмотреть!!!
a_centaurus> Долго не было времени заняться этой задачей. А когда посмотрел патенты на предмет прототипов, то также не обнаружил чего-то оригинального. Поэтому полученная конструкция сепаратора (см. чертёж) для двухступенчатой водоракеты - это оптимизированный вариант идеи Bain. В основу положен принцип удержания взведённых пружинных замков, запирающих стыковочное устройство, дисковым упором, уравновешенным силой давления в обеих камерах.
a_centaurus> Герметичность достигается применением конических сечений для сопла 2 ступени и активатора в верхней части камеры 1 ступени. Детали устройства могут быть выполнены точением из PVC. Соединение с камерами - клеевое. После сборки устройства на куполе камеры 1 ступени, вторая ступень устанавливается в рабочее положение по фигурным самозатягивающимся пазам. Как вариант может быть использован винтовой крепёж. Инерциальная добавка (несколько g ) к весу воды в камере 2 ступени компенсируется разрушаемой мембраной/чекой, закреплённой на штоке, соединяющем запорные пробки. Наддув камеры второй ступени и заправка рабочим телом (водой), производится через клапан в верхней части камеры. Их жёсткость подбирается при калибровке. Устройство работает следующим образом: после сборки и заправки водой ступени наддуваются до выбранного давления. При этом, давление в камере 1- P1 > P2 - давления во 2 камере. Таким образом 2 ступень удерживается в стартовом положении. После пуска, когда давление в камере 1 сравнивается с давлением камере 2, поршень-пробка в сопле второй ступени, проваливается вниз и через жёсткую связь (шток), перемещает диск затвора. Пружины на 4 замках выталкивают запорные шпильки и вторая ступень начинает свободный полёт...
a_centaurus> Конечно, пока это только концептуальный дизайн. Своего рода "конструкторский кроссворд". При реализации и отработке устройства могут вылезти "подводные камни".


Одна голова хорошо, а две лучше!!!!

Меня, как новичка и человека без высшего технического образования смущает только разрушающаяся мембрана - как и главное из чего ее делать???

В принципе, я тоже думал об аналогичном способе с пружинными замками, но в отличии от твоей схемы, моя мне не очень по душе пришлась. Мне казалось, что их обязательно заклинет или еще что-нибуть... В итоге я пришел к... запирающей мембране. Т.е. Пока есть давление в первой ступени, она разжимается внутри направляющей. А когда давление падает, эта мембрана принимает свои первоначальные размеры и дает поршень-стержню сместиться вниз. Незнаю насколько это оправдано (и в этой схеме у меня есть сомнения), но уже приступил к созданию. Б0льшую часть сделал. Правда пока из стали. Вес будет около 200граммов. Процесс идет медленно, но уверено. Если все будет нормально - выложу и чертежи, и фото.

a_centaurus>> Конечно, пока это только концептуальный дизайн. Своего рода "конструкторский кроссворд". При реализации и отработке устройства могут вылезти "подводные камни".
(<Bain> Одна голова хорошо, а две лучше!!!!

Не цитируй всё подряд, Bain. Оставь только ключевые слова, а остальное сотри.

"Разрушаемая мембрана" или "burst disc" представляет собой в простом изготовлении (например) диск, вырезанный из тонкого пластика или фольги и надрезанный с одной стороны по 4 радиусам. Толщина подложки или глубина надреза подбираются в зависимости от величины разрушающей нагрузки. Ну и расчётом. В нашем случае, р.м. должна выдерживать увеличенную нагрузку со стороны воды в верхней камере в размере нескольких mg в течение времени активного участка. И ломаться (или открываться) при дополнительной нагрузке со стороны силы давления в камере 2 ступени. Мне кажется, что вполне будет работать также обычная деревянная зубочистка. Или что-то той же цилиндрической формы. Или нить. Короче, надо подумать при калибровке. А может и вообще не ставить ничего, упрощая систему, если весовая нагрузка будет незначительна. Ведь в первый момент, когда ускорение максимально - давление ещё велико, что скомпенсировать воздействие инерциальных сил. А после и держать не нужно. Наверное Scona мог бы дать полезный комментарий, зная тему изнутри.
Запирающая мембрана была использована в схеме активации парашюта знаменитой фреоновой ракеты Valkiria (USA), которая была очень популярна в 70 гг. Да и сейчас есть энтузиасты. Вот, посмотри на Рис. 1 (слева вверху). Я рассматривал этот вариант и на скорую руку не нашёл простой технологии для изготовления з.м. Может тебе что-то придёт в голову. Тренируйся в дизайне. У тебя хорошая голова. А образование - дело наживное. Инженером рождаются, а учаться только технике.

a_centaurus> Инерциальная добавка (несколько g ) к весу воды в камере 2 ступени компенсируется разрушаемой мембраной...

Пришел к выводу о некоторой поправке:

Инерциальная добавка (несколько g ) к весу столба воды над соплом в камере 2 ступени компенсируется разрушаемой мембраной...

и тогда получается, что инерциальной добавкой к силе давления на "верхний" поршень, в первом приближении можно пренебрегать.

Ckona> и тогда получается, что инерциальной добавкой к силе давления на "верхний" поршень, в первом приближении можно пренебрегать.

Строго говоря инерциальная добавка по весу трансформируется в давление на пробку, которое и зависит от высоты столба жидкости. В данном случае эквивалентный столб будет выше на несколько сантиметров, а вес увеличится на несколько грамм. С таким анализом мембрану можно убрать из кинематической схемы. На самом деле один из позитивных критериев любой конструкции есть возможность её изменения без снижения рабочих качеств.
В остальном совместно разработанная конструкция разделительного узла водяной ракеты представляется работоспособной. Предлагаю развить её до возможности использования газогенераторного водоракетного двигателя на второй ступени. Речь идёт о электрической схеме для инициирования пирозаряда. Электронный таймер в этой ситуации предлагается не рассматривать, а обойтись только механическими, пневматическими и гидравлическими взаимодействиями.

a_centaurus> обойтись только механическими, пневматическими и гидравлическими взаимодействиями.

Самый легкий, дешевый и надежный датчик давления внутри водяных ракет предложен австралийцами в 2007 году.
Недостаток - может коммутировать токи максимум единицы миллиампер.

a_centaurus> Предлагаю развить её до возможности использования газогенераторного водоракетного двигателя на второй ступени. Речь идёт о электрической схеме для инициирования пирозаряда.

Можно развить, но уже в соседней теме.

Ckona> Самый легкий, дешевый и надежный датчик давления внутри водяных ракет предложен австралийцами в 2007 году.
Ckona> Недостаток - может коммутировать токи максимум единицы миллиампер.

Ток можно усилить на выходе (?).



Я бы делал проще - контакты, которые при расстыковке замыкаются (запал пирозаряда) и потом разъединяются.

a_centaurus> ... Так что работа есть мера изменения энергии. ...

То есть с одной стороны mv=MV, а с другой стороны e=(mv²)/2, поэтому всякие ионные двигатели расходуют мало рабочего тела, но едят непомерное количество энергии.

По теме - про баллистическую паузу никто не думал? То есть не сразу запускать вторую ступень после отстыковки первой, а когда нужно. Наверное, можно придумать схему, у которой будет источником давления сама ступень, приводы из шприцов, а датчик (пропускающий давление к шприцам поворотный клапан)- аэродинамический флажок или таймер...

P.S Это я пытаюсь остаться в рамках отсутствия электроники.

Ckona> На графике - конкретный пример, рассчитанный в свое время для полуторалитровой бутылки.
Ckona> Никакого "оптимального заполнения водой" не существует - все зависит от соотношения массы воды и пустой ракеты.

График склонился к 1/3 воды и 2/3 возуха при нормальной загрузке

Ты считал дальше, хотя б до полукилограмма? Это чтобы видеть тенденцию, а то на этом графике точки в прямую ложатся, да и энергия сама по себе тоже не интересна, в отличие от достигаемой высоты...

killik> По теме - про баллистическую паузу никто не думал?

А какова она должна быть по времени? И нужна ли она вообще? :/