Ракеты...  Ракетные двигатели:

Двигатель торцевого горения ТРДК-1


топливо корпус сопло сборка характеристики заключение доработка №1

Страничка ракетостроения. Последнее обновление:
Торцевое горение бесканальной шашки в ракетном двигателе выглядит довольно привлекательно. Простая технология, легкий расчет, постоянное давление и постоянная тяга, время которой, кроме скорости, зависит только от длинны заряда. Однако не все так просто на самом деле. Площадь торцевой поверхности в ракетном двигателе всегда ограничена габаритами. Чтобы создать достаточное давление и тягу, необходима большая скорость горения топлива ~15мм/с. Существующие доступные любителю топлива не дают достаточную скорость. Кроме того, при длительной работе двигателя, возникают проблемы с теплозащитой корпуса, который подвергается тепловым нагрузкам гораздо дольше, чем в канальных движках. Сопло также подвергается жесткому и длительному тепловому воздействию.

По этим причинам двигатели торцевого горения не получили широкого распространения, но попытки создать торцевик делаются. Решил попробовать и я. Несмотря на мелкие "комочки" первый блин можно считать очень даже ничего. Назвал свой первый торцевик ТРДК-1.

Топливо

Первый вопрос, конечно, топливо. Изучая катализированные варианты карамели, пришел к выводу, что можно попробовать один из вариантов для торцевика. Как показали эти исследования, влияние катализатора носит пропорциональный характер, т.е. постоянно, если выразить в процентах. Значит скорость катализированного топлива тем больше, чем больше скорость некатализированного. Самое быстрое карамельное топливо это сахарная карамель. Выбор поэтому пал на топливо типа Rcandy, точнее на собственную упрощенную вариацию этого топлива. Оно очень технологично и удобно при зарядке.
Корпус
Собственно, попавшаяся на глаза стреляная гильза от ракетницы и натолкнула на мысль о торцевике. Это мощная толстостенная гильза 4-го калибра (26,5 мм), рассчитанная на большое давление. Большой диаметр гильзы как раз подходит для создания большой поверхности торца топливного заряда. Так что с корпусом мудрить не пришлось.

Сопло
С соплом тоже усложнять не стал. Железное донце гильзы вполне может выполнить его роль. Только засверлил критику Ø3мм прямо через пробитый капсюль.

Сборка
Для начала надо подготовить бронировку длиной 65мм. Клеим жидким стеклом на оправке диаметром 21мм из 2-х (можно 3-х) слоев офисной бумаги. Бронировка будет входить с заметным люфтом в корпус двигателя. Сделано это специально, что бы отвести фронт пламени от стенки мотора и использовать эффект термоса. Чтобы закрепить бронировку в корпусе, промазываем силиконом внутреннюю стенку двигателя и внешнюю поверхность бронировки. Достаточно густо. Аккуратно вставляем бронировку в корпус по центру, стараясь обеспечить постоянный зазор со стенкой, заполненный силиконом. Даем подсохнуть.

Теперь, подготовив свежее топливо, заполняем бронировку почти до верху, оставив незаполненными 3-4 мм. Для этого скатываем из карамели плотную колбаску диаметром ~20 мм и, запихнув в бронировку, утрамбовываем плоским торцом металлического стержня. Эту операцию можно повторить до окончательного заполнения мотора топливом. Получаем топливный заряд длиной 60 мм и диаметром 21 мм.

Пока топливо не застыло надо продавить через сопло небольшой канал (длиной ~10 мм) для зажигания состава. Это легко делается либо заостренной бамбуковой палочкой для барбекю, либо тыльной стороной сверла Ø3мм.

Зарядка завершена, осталось сделать заглушку. Тут лучше всего подходит технология предложенная ракетчиком Serge77. Идея в том, что заглушка делается просто заливкой сверху эпоксидкой, но так, чтобы слой эпоксидки был выше края корпуса двигателя. Тогда смола пропитывает края картонного корпуса и намертво схватывается с ним. Такая заглушка очень надежна.

Осуществляется несложно. Наматываем скотч липкой стороной наружу так, чтобы он выступал за край корпуса. Уплотняем контакт скотча и корпуса, намотав резинку для денег. В образовавшуюся ванночку заливаем эпоксидку выше края корпуса на 2-3 мм. Смола может просочиться между гильзой и бронировкой, если там остались незаполненные силиконом полости. Это, в-принципе, неплохо, но надо тогда подлить эпоксидки, что бы сохранить уровень выше края корпуса.

После застывания смолы стаскиваем скотч и движок готов.

Характеристики
Параметры двигателя получаются такие:
  - длина 82 мм
  - диаметр 26,5 мм
  - вес 57,6 г
  - длина заряда 60 мм
  - диаметр заряда 21 мм
  - вес заряда 39,3 г
  - диаметр критического сечения сопла 3 мм

Испытания двигателя ТРДК-1 прошли 05.09.2010 на стенде ТСК-2-5 на базе 5-ти килограммовых весов. Результаты были обработаны программой ALTIMMEX. Полученные характеристики показаны на рис.1.

Мотор работал 7 секунд, поэтому средняя скорость горения получается 8,6 мм/с.


Заключение

Осмотр двигателя после испытаний не выявил каких-то проблем. Корпус выглядит как новый - сохранил форму, цвет, жесткость. Конструкция оказалась удачной и выдержала довольно длительную тепловую нагрузку.

Надо сказать, что полученные результаты очень даже обнадеживают. Расчет в той же программе ALTIMMEX показывает, см. рис.2, что характеристики двигателя ТРДК-1 вполне достаточны для небольшой легкой ракеты. Если удастся уложиться во взлетную массу 150г, что вполне реально, то мотор может обеспечить полет на высоту свыше 500м. Я уже не говорю о прекрасной возможности использования на второй ступени двухступенчатой ракеты.

По-видимому, есть и резервы. На второй секунде работы вышибло медный капсюль, и диаметр критики немного увеличился. Уменьшился Kn (примерно с 50 до 35), подсело давление в камере сгорания, и упала тяга. Думаю, можно этого избежать, поработав над конструкцией сопла.

Доработка №1
Во втором варианте мотора ТРДК-1 доработке подверглось сопло. Высверлил посадочное место под капсюль. Вставил изнутри болт Ø6мм. Снаружи зажал его гайкой. В болте заранее высверлил отверстие критики Ø3мм. Получилось простое дозвуковое, но прочное стальное сопло. Испытания модифицированной версии провел 25.09.2010.

Результат не замедлил сказаться на характеристиках двигателя, рис.3. Тяга достигла максимума в 1,2 кг, подрос удельный импульс. Время, работы, правда, сократилось, что понятно, т.к. рабочее давление подросло и скорость горения достигла 12мм/с, что неплохо для карамели. Гипотетическая 150-ти граммовая ракета с таким движком уже могла бы достигнуть высоты 800м.

К сожалению не все прошло опять гладко. Подложка в донышке гильзы, по-видимому, сделана из нежаростойкого материала, и при нагреве сопло стало выдавливаться наружу. Гайка прослабла, и по резьбе стали слегка подтравливать выхлопные газы. Т.е. данный результат хотя и положительный, но пока не окончательный. Есть над чем поработать.

P.S.
   Содержание может корректироваться по мере накопления экспериментальных данных.

***