Ракеты...  Проект РК-3: Двигатель Ракетные двигатели

Ракетные двигатели на карамельном топливе класса F


корпус сопло топливные шашки воспламенитель заглушка сборка характеристики ревизия модификация

Страничка ракетостроения. Последнее обновление:
На первом этапе проекта рассматривалось три варианта двигателя
    - РДК-3 - увеличенная версия РДК-2
    - РДК-3М с двумя топливными шашками
    - РДК-3ММ с тремя шашками

Все варианты были сделаны, и испытаны. Испытания прошли успешно.

Собственно о РДК-3 рассказывать особенно нечего. Это увеличенная до класса F-57 версия двигателя РДК-2 с доведенным до 120,4с расчетным удельным импульсом, рис.1. Отмечу только, что при летных испытаниях он показал отменные результаты. Достаточно сказать, что легкая ракета "ФЕНИКС-2" была выведена на высоту порядка расчетной, около 800м, и, поскольку система спасения сработала штатно, где-то в апогее, пришлось отмерить около 2км за снесенной ветром ракетой. Движок мне очень понравился.

РДК-3М и РДК-3ММ отличаются только количеством топливных шашек. Поэтому РДК-3М мы рассматривать не будем. Первый запуск двигателя РДК-3ММ хоть и был успешным, но не слишком убедительным. Однако последующие испытания показали его высочайшие характеристики. Двигатель конструктивно более сложный, более нагруженный в работе, поэтому требует более ответственного подхода при сборке. Если все сделано тщательно, результат получается великолепным. Двигатель РДК-3ММ, см. Рис.2 - это самый продвинутый в ряду моторов 3-ей серии и самый перспективный. Схема одноразовая, но в ней уже применены и отработаны элементы многоразовых перезаряжаемых моторов.

На втором этапе проекта был разработан форсированный вариант двигателя РДК-ЗММ, получивший название РДК-3ф. Он используется для вывода довольно тяжелых (450г.) ракет "Ирокез" и "Циклон" на расчетную высоту свыше 500м. Топливные шашки увеличены до длины 36мм и веса 16.5г топлива. Критическое сечение сопла уменьшено до 4.5 мм. Сопло вклеивается на длину 25 мм и фиксируется, как заглушка, с помощью заливаемых отверстий в корпусе. Увеличена длина мортирки. Соответственно длина движка выросла до 190мм. Усилен корпус за счет намотки дополнительного 4-го листа.

Форсированный мотор РДК-3ф сейчас стал моим основным рабочим мотором, поскольку показал действительно приличные результаты. Однако для неопытного ракетчика рекомендую для начала РДК-3ММ. Он не так требователен к качеству сборки.
   Далее речь пойдет в-основном о двигателе РДК-3ММ. Там, где это необходимо буду указывать отличия для форсированного варианта РДК-3ф.

Конструктивно РДК-3ММ это прямое продолжение двигателя РДК-2, что позволяет заметно упростить описание конструкции. В тоже время, есть и принципиальное отличие - это заряд, выполненый в виде топливных шашек сорбитовой карамели, что требует отдельного разговора. Итак, по порядку.

Корпус
Изготовление корпуса РДК-3ММ аналогично изготовлению корпуса РДК-1. Однако, есть одна особенность. Прежде чем вертеть корпус на оправке, необходимо предусмотреть наличие тепловой защиты между топливными шашками и корпусом. Поэтому, на оправку, диаметром 20мм, на силикатном клею сначала наматывается полоса от листа А4, шириной 105мм и длиной во весь лист. Получаем трубку, которая и будет выполнять роль тепловой защиты корпуса. Теперь сам корпус мотаем уже на оправку с надетой трубкой теплозащиты. Для удобства процесса, вместо самой теплозащитной я использую специально намотанную на эпоксидке трубку длиной 170мм, моделирующую теплозащиту. Для намотки корпуса требуется три полосы от листа А4 шириной 165мм (для РДК-3ф берется 4 листа шириной 190мм), длиной также во весь лист. Тут важно проконтролировать густоту силикатного клея. Он не должен быть очень густым, иначе будет плохо пропитывать бумагу и растекаться, и корпус пойдет пузырями. Полосы наматываем поочередно, с промежуточной сушкой где-то минут 30 или больше. Корпус получается довольно мощным, так что перетяжку для фиксации заглушки сделать проблематично. Применим другой известный метод. Отступя от края корпуса 15мм (с учетом мортирки) насверлим с одной стороны по периметру 6 отверстий диаметром 4мм (для РДК-3Ф 5 отверстий Ø5 мм). При вклейке заглушки отверстия заполнятся клеем и создадут своеобразные стопоры, значительно усиливающие прочность соединения. Для форсированного варианта такой же ряд отверстий делаем и со стороны сопла, отступив от края 12 мм.

Сопло
Поначалу для двигателя сопла делались по той же простой технологи, что и в проекте РК-2. Этого было достаточно для нормальной работы движка. Однако, когда встал вопрос проведения некоторых исследований с целью оптимизации формы и характеристик, подбора материалов, стало понятно, что необходима более совершенная технология изготовления. Для этого была проведена модернизация процесса изготовления керамического сопла для двигателя РДК-3. На мой взгляд, довольно удачная. Размеры и форма получаемых по новой методе сопел довольно строго соответствуют заданным, что позволяет проводить некоторые сравнения и делать более строгие выводы о качестве не только сопла, но и мотора в целом. Напомню, что новые сопла имеют уменьшенную критику с 5 до 4.5мм и большее расширение 10, и применяются для форсированного варианта РДК-3ф.

Топливные шашки
Топливо - стандартная сорбитовая карамель: 65% KNO3 + 35% Сорбита. Хотя у меня прекрасно отработал экспериментальный двигатель на скрепленном заряде, все таки решил перейти на топливные шашки. Кроме большей безопасности, это дает более спокойные характеристики по давлению, снимает ограничения по длине двигателя, в перспективе, возможно, позволит перейти к многоразовым перезаряжаемым движкам. После многочисленных экспериментов пришел к очень интересному выводу - чем проще технология, тем лучше результат. Тем не менее, всякие варианты механических доработок и подгонок, которые предлагаются некоторыми ракетчиками, были сразу отвергнуты. Никаких рашпилей и сверл - для меня это была аксиома. Шашка должна отливаться так, чтобы топливо в ней сразу имело нужную форму и размер. Оказалось, это довольно легко достижимо и даже без сложной оснастки.

Сначала делаем заготовки бронировок. Они и будут формами для отливки. Для этого их надо аккуратно намотать из трех слоев офисной бумаги на силикатном клею. Высота заготовки 42мм (46мм для РДК-3ф). Оправку подбираем так, чтобы готовая бронировка имела внешний диаметр 20мм. Диаметр оправки получается где-то 19,3мм. Чтобы внешний диаметр бронировки был строго нужного размера, независимо от бумаги и клея, применяем способ прогонки через внешнюю оправку (или притирку). Для этого свеженамотанную заготовку, не снимая с основной оправки, аккуратно с вращением вставляем во внешнюю оправку, в качестве которой очень здорово подходит отрезок от дюймовой полипропиленовой трубы для холодной воды. Да, это именно та труба, из которой делался корпус "ВИКИНГА". Её внутренний диаметр строго 20мм. Операция прогонки позволяет получить заготовку с очень плотной стенкой и точным диаметром, что для бронировки очень важно.

Теперь нам нужны две фторопластовые шайбы толщиной 5мм для формирования торцов и шпилька М8 для формирования канала. Шайбы должны плотно вставляться в заготовки бронировок, а шпилька должна плотно входить в отверстия шайб. Поэтому шайбы лучше сделать на токарном станке, но можно и на дрели, что конечно потребует определенной сноровки. Шайбы допустимо делать из других материалов, даже выпилить из фанеры, но это, согласитесь, как-то уже не соответствует уровню проекта. С фторопластом все значительно качественнее и проще.
   Систему формирования дополним парой металлических шайб и подходящей трубкой, для выпрессовки шпильки из топливной шашки. Эта технология заимствована из РДК-2.

Приступаем к зарядке. В заготовку бронировки вставляем нижнюю фторопластовую шайбу, совсем слегка смазанную подсолнечным маслом, и закладываем расплавленное топливо. Учтите, что если шайба не фторопластовая, лучше проложить ее тонким полиэтиленом, во-избежание прилипания топлива. Заливку топлива производим до уровня, когда до верхнего края бронировки останется 5мм. Закрываем заготовку сверху второй фторопластовой шайбой. Теперь в отверстие шайбы вертикально вставляем шпильку, тоже смазанную маслом. Для того, чтобы вытесненному шпилькой топливу было куда деться, подкладываем снизу под бронировку подходящий предмет с отверстием, например, гайку большого диаметра. В процессе вставки шпильки придерживаем верхнюю шайбу, дабы ее не выдавило. Шпилька должна слегка выйти за пределы нижней шайбы. После этого сильно нажимаем на верхнюю шайбу, подпрессовывая топливо в бронировке. В таком виде оставляем сохнуть.

Шпильку можно вынимать уже через 6 часов сушки. Она вытаскивается довольно легко. Если же шашка сохла дольше, то шпилька может упереться. Тогда применяем способ выпрессовки как в двигателе предыдущего проекта РДК-2. Надеваем со стороны резьбы трубку, ограниченную двумя металлическими шайбами, и накручиваем гайку. По мере накрутки гайка выдавит шпильку.

В результате получаем очень аккуратную отливку. Осталось только убрать выступающие края бронировки. Это делается с помощью лезвия и монетки подходящего диаметра. Остается небольшой выступ для укладки шайбочки вторичного воспламенителя и стыковки соседних шашек. Для двигателя РДК-3ММ делаем 3 шашки. Вес топлива в шашке получается в районе 14.5-15.0г (16.3-16.7г для РДК-3Ф).

Воспламенитель
Для быстрого выхода на режим ракетному двигателю необходимо произвести одновременное зажигание по всей рабочей поверхности топливных шашек. Для этого применяется методика, предложенная Serge_77. Шайбочки из пропитанной вторичным воспламенительным составом марли (см. технологию изготовления) прокладываются между топливными шашками, а жгут из вторичного воспламенителя вставляется в центральный канал. Вместо жгута можно вложить пару полосок или 2-3 куска стопина из воспламенительного состава. Для вырезки шайб лучше всего применить высечки из стальных трубок нужного диаметра (т.е. 19 и 7 мм) с заточенной с одного торца кромкой.

Заглушка
Заглушка такая же, как в РДК-2. Даже проще. Это просто деревянный цилиндр 20х19 мм (20х20 для РДК-3ф). Если применяется пиротехническое замедление, то делается осевое отверстие 2.5-3.0 мм, в которое вставляется стопин из вторичного воспламенительного состава. Длину стопина подбираем так, чтобы он выступал с обоих сторон на 5-7мм. Со стороны, которая будет контачить с топливом, стопин загибается к стенке заглушки и фиксируется нитроклеем.

Сборка
Все компоненты мотора подготовлены. Приступаем к сборке. Сначала в термозащитную трубку вставляем шашки, прокладывая их шайбами с воспламенителем. Со стороны сопла шайбу, как показал опыт, надо установить тоже. Со стороны заглушки укладывается шайба без центрального отверстия. При сборке кромки бронировок промазываем клеем "Poxipol" или термостойким герметиком для дополнительной тепловой защиты в местах стыка шашек. В канал вставляем жгут воспламенителя. Получается топливный блок. Лишнюю длину теплозащитной трубки обрезаем.
Блок вставляем в корпус двигателя и впритык к нему вклеиваем сопло, промазав клеем "Poxipol" обе поверхности - сопла и корпуса. При этом стык топливного блока и сопла автоматически проклеится выступившими излишками клея. (Для РДК-3ф дополнительно промазыаем фиксирующие отверстия в корпусе, чтобы они были полностью заполнены клеем).

Теперь оформляем верхнюю часть движка. Поскольку заглушка у нас нетермостойкая, то защищать ее будем так же, как и раньше, трассером. Вклейка шашки-трассера процедура достаточно тонкая, ошибок не прощает, поэтому проще сделать по аналогии с РДК-2 заливку топлива прямо в корпус движка. Сделав разметку на 25мм от топливной шашки, заливаем топливо. Для защиты корпуса при заливке удобно использовать кусок пластиковой гильзы 12-го калибра.
   Пока топливо не остыло, устанавливаем заглушку на "Poxipol" или эпоксидку. Заглушка плотно с усилием сажается на топливо. Дополнительно промазыаем фиксирующие отверстия, чтобы они были заполнены клеем.

В выступающей над заглушкой части корпуса организуем, если надо, мортирку с вышибным зарядом, так же, как и в РДК-2.
   На этом сборка двигателя завершается. Остается выждать, пока застынет трассер и подсохнут все клеевые соединения. Неплохо подписать на движке его основные параметры.

Характеристики
Теория.

Вот основные характеристики двигателя РДК-3ММ, рассчитанные программой SRM :

Тяга, Kn, давление

Класс F67, т.е. средняя расчетная тяга такого движка около 7кг. Расчетный удельный импульс 121,5с. Таким образом, двигатель полностью удовлетворяет требованиям, которые были выдвинуты для движков ракетного проекта РК-3. Профиль тяги практически нейтрален, что позволило при очень приличных тяговых характеристиках получить давление в камере не более 28 атмосфер. Согласно программе EzAlt такой мотор спокойно выводит достаточно большую ракету с диаметром миделя 41мм и весом 250г на высоту более 600м. То, что нужно в рамках данного проекта.
   Должен оговориться, реальные характеристики мотора могут заметно отличаться от расчетных (~10%). Поэтому расчетными данными надо пользоваться с известной долей осторожности.

Эксперимент.

Расчет это конечно здорово, но всегда хочется знать реальные возможности своих моторов. С этой целью в конце-концов сделал несложный тягоизмерительный стенд. К этому моменту в производстве у меня стоит уже только РДК-3ф с новым соплом. Для него и привожу результаты испытания от 25.01.2009:
    - максимальная тяга 69 Н
    - полный импульс 56 Н*сек
    - удельный импульс 119 сек
    - класс мотора F53
    Экспериментальные данные, естественно, оказались не таким радужными, как расчетные. Тем не менее, основная интегральная характеристика полного импульса практически та же. Да и удельный импульс вполне достойный.

Ревизия
На закуску хочу представить результаты послеполетной ревизии отработавших движков. Для осмотра корпуса были аккуратно распилены вдоль.

Очевидно, что корпус РДК-3 откровенно поучаствовал в процессе горения. Остается надеяться, что в основном во время работы трассера. Иначе, думаю, он не выдержал бы давления.

А вот результат ревизии двигателя РДК-3ММ - это бальзам на сердце ракетчика. Обратите внимание, что корпус практически не пострадал и остался девственно белым даже на внутренней поверхности. В основном цела и теплозащитная трубка. Небольшой напряг возник на стыке двух шашек, которые ближе к соплу, но он не критичный, и возможно вызван не очень качественной промазкой стыка шашек. Учтем и на следующих движках проверим.

Вывод очевиден - схема РДК-3ММ работоспособна, надежна и может служить основой для создания ракетного мотора многоразового использования. /10.04.2008 kia-soft/

Модификация

Деревянная заглушка неплохо справляется со своими обязанностями, но при ее изготовлении нужно добиваться правильной формы, что без специального инструмента невозможно. Заливка трассера в корпус тоже довольно удобна и достаточно надежна, но подразумевает достаточно большой размер трассера для надежного сцепления со стенкой двигателя. При необходимости уменьшения времени замедления до 3-4 секунд возможны проблемы. Изучая вопросы надежности работы трассера-замедлителя при малых временах задержки, пришел к выводу о возможности улучшения и заметного упрощения конструкции двигателя в области трассер-заглушка. При этом решающее значение имело увеличение именно надежности работы замедлительной системы в движке.

Прежде всего, необходим трассер в виде отдельной шашки, имеющей свою бронировку. Тогда его работа не будет зависеть от деформаций корпуса при нагрузках. Т.е. трассер делаем так же как топливную шашку, только без канала, сразу задавая нужную длину + запас 4 мм. Для обеспечения полной изоляции верхней поверхности трассера обязательно делаем выступ бронировки над топливом на 3-5 мм. Далее будет понятно зачем. Бронировку трассера надо сделать потолще, так чтобы трассер вставлялся в корпус двигателя без дополнительной теплозащиты.

Далее как обычно собирается двигатель и над топливными шашками вставляется трассер. В трассере, в верхней его части, прямо в топливе по центру заранее высверливаем на глубину 4 мм углубление диаметром Ø3,0-3,2 мм. В корпусе двигателя, как обычно сверлим 5 отверстий диаметром 5 мм на высоте 5-7 мм над трассером. Я это делаю с помощью оправки из пластиковой трубки с заранее просверленными отверстиями. Затем плотно вставляем подходящий кембрик или термоусадку в отверстие вверху трассера и заливаем прямо на трассер эпоксидку на высоту 15-20 мм. Смолу надо заливать не доверху, а оставить 4-6 мм под вышибной заряд. Чтобы смола не выливалась через стопорные отверстия в корпусе, достаточно немного повернуть оправку и перекрыть их.

После застывания получаем заглушку из эпоксидной смолы. Смола надежно стыкуется с выступающим краем бронировки трассера и полностью изолирует верхнюю часть трассера от камеры сгорания. Эпоксидка пропитывает и края стопорных отверстий, надежно сцепляясь с корпусом. Кембрик мы вытаскиваем и получаем канал в заглушке до топливного состава. Теперь можно засыпать в этот канал дымный порох и обеспечить передачу зажигания от трассера к вышибному заряду без стопина. Порох надо подтрамбовать и сверху слегка смочить раствором нитропороха в ацетоне или нитроклеем "Моделист". Это надо для влагоизоляции потому, что сверху на порох накладываем разведенный в воде до сметанообразного состояния спичечный состав. После высыхания состава получаем надежный запал для вышибного заряда. Нам остается только засыпать сверху вышибной заряд, прикрыть его картонной прокладкой и залепить скотчем.

Несмотря на длинное, потому что подробное, описание такая технология заметно проще, не требует токарного станка и изготовления стопина. Надежность такой системы тоже выше. Поэтому движки, сделанные по такой технологии, получили отдельное обозначение РДК-3ФЭ. Испытание 04.07.2010 двигателя РДК-3ФЭ на ракете Циклон подтвердило надежность схемы.

Касательно данной модификации были замечания от коллег, что эпоксидная заглушка с каналом и порохом давно используется многими самодельщиками, ничего нового. Хочу подчеркнуть, что смысл модификации был не просто в упрощении конструкции и технологии, не в разработке чего-то совсем нового, а в повышении НАДЕЖНОСТИ системы пирозамедления. А суть этого повышения кроется в нюансах, на которые стоит обратить внимание. Именно по причине недооценки этих "мелочей" возникают неудачи у многих ракетчиков. Вот они и их назначение:
1) Порох в канале не просто засыпается на трассер, а в углубление 4 мм в топливе. Не просто контакт, а контакт на некотором протяжении. Это надежность передачи зажигания от топлива к пороху.
2) Порох в канале подтрамбовывается и фиксируется сверху каплей нитропороха, исключая разрывы. Это надежность передачи зажигания по каналу.
3) Сверху канала накладывается спичечный состав. Это дополнительная фиксация пороха в канале и источник большого пламени, выступающий внутрь вышибного заряда на некоторую высоту. Это надежность зажигания вышибного заряда, даже при смещении при неплотной засыпке.
4) Другой нюанс не относится к зажиганию, наоборот, к изоляции. Трассер имеет собственную толстую бронировку и полностью отделен от корпуса. Развитый выступ бронировки трассера в верхней части при заливке эпоксидкой напрочь изолирует верхнюю часть трассера. Это исключает незапланированное раннее воспламенение пороха в канале, даже при прорывах горячих газов к заглушке.
5) Еще один нюанс касается точности времени замедления. Канал не высверливается в заглушке, как это обычно делают, а отливается. При этом в трассере заранее отмеряется и контролируется толщина замедляющего слоя топлива. Уменьшается вероятность технологической ошибки времени замедления.

P.S.
   Очень рекомендую модифицированный вариант мотора РДК-3ФЭ. В нем реализованы результаты многочисленных наблюдений и выводов по работе моторов типа РДК-3ММ с пиросистемой для выброса парашюта. При четком соблюдении всех рекомендаций работа пиросистемы будет очень надежной. К тому же модифицированный вариант проще в реализации.
   Содержание может корректироваться по мере накопления экспериментальных данных.

***