Что такое карамельный реактивный двигатель

Карамельное ракетное топливо

Караме́льное то́пливо — твёрдое ракетное топливо, относящееся к смесевым топливам с органической связкой. Названо так из-за внешнего вида и использования в его составе сахара или сорбита. Англоязычный термин «rocket candy» точно так же характеризует отношение к нему. Пионером использования карамельного топлива считается Билл Колбёрн, использовавший его впервые в 1948, а широкую известность в США это топливо приобрело с выходом книги Бертрана Бринли в 1960 году. Широко применяется в импровизированных реактивных снарядах из-за доступности компонентов.

Теория ТТРД

Что такое реактивное движение, (для тех, кто, вдруг, не в курсе) много говорить не будем: если в двух словах, то это движение за счет отброса массы в противоположную сторону от направления движения. Про всякие экзотические конструкции двигателей типа ядерных, ионных и иже с ними говорить не будем — одна не предназначены для работы в атмосфере, другие слишком сложны и не воспроизводимы в любительских условиях и т.д., поэтому остановимся на простых, но доступных простому обывателю конструкциях, которые при желании можно повторить практически в домашних условиях, а именно — химических. В таких двигателях реактивная струя получается за счет химической реакции топлива и окислителя (в некоторых случаях роль окислителя может играть атмосферный кислород).

Итак, химические двигатели (ХРД), по агрегатному состоянию топлива классифицируются на жидкостные (ЖРД) и твердотопливные (ТТРД), так что выбирать будем из них. ЖРД весьма удобны, так как позволяют управлять тягой, однако требуют применения в своей конструкции сложных систем форсунок в камере сгорания и не менее сложных систем подачи топлива. Одно только проектирование ЖРД, даже самого примитивного, займет у нас месяцы, а, следовательно, это не наш вариант. Альтернативой могут стать ТТРД за счет простоты своей конструкции и значительно меньшими требованиями к топливу. Да, у нас не выйдет точно дозировать тягу. Точнее, мы ее совсем не сможем дозировать. Однако, есть некоторые аспекты, на которых мы можем сыграть, об этом и пойдет речь дальше.

Вступление

Всем привет! Мы — команда ютуб-канала Амперки, в студии и пилим видео по проектам и железкам. Однако, в какой-то момент все изменилось.

Под катом — история постройки нашей ракеты.

Шла весна 2020 года и

самоизоляция не щадила никого. В том числе и нас, отлученных от студии, дабы не подвергались опасности заражения заморской бациллой. Вот в этот-то период и начали активизироваться в голове старые идеи сделать то, что давно хотелось, но что было отложено в долгий ящик “когда время будет”. Наконец, то_самое_время пришло, и из того самого ящика была извлечена мысль о постройке собственной ракеты, еще и подстёгнутая недавним успешным пуском в эксплуатацию “батута” от SpaceX.

Так как сделать такой серьезный проект за один заход не получится, разделим его для удобства на составные части (список будет пополняться по мере работы):

1. Часть 1. Теория ракетных двигателей. Карамельное топливо
2. Часть 2: Корпус двигателя, расчет сопла
3. Часть 3: Токарка, допилы стенда, электроника
4. Часть 4: Сборка двигателя и огневые испытания
5. Часть 5: Разбор полетов, ремонт
6. Часть 6: Тестовые шашки, перхлоратное топливо, стенд для тестов скорости горения
7. Часть 7-8: парашютная система, бомба Кроуфорда и испытания под давлением

Также просим учесть, что статьи, как и серии выпускаются не по выполненным этапам, а по привязке ко времени, то есть, что сделали за неделю, то и пишем/показываем.

Ракетостроение, в целом, наука комплексная, сложная и многогранная. Релевантного опыта у нас не было, не кончали мы институтов по этому направлению, но есть руки, голова, желание — а это уже многое, так что, как говаривал Юрий Алексеевич, поехали.

Базовый, наиболее изученный и часто используемый состав — 65 % КNО₃ и 35 % сорбита (по массе). Такой состав близок к оптимуму по достижимому удельному импульсу при небольших степенях расширения, характерных для модельных РДТТ. Умеренный показатель степени в законе горения делает топливо пригодным для работы в широком диапазоне давлений, и, как следствие, подходящим для кустарно изготавливаемых РДТТ с заметным разбросом геометрических характеристик.

Готовое топливо состоит из твёрдого раствора селитры в сорбите и взвешенных в нём мелкодисперсных частиц нерастворившейся селитры. Температура плавления готового топлива значительно ниже, чем исходных компонентов. Растворимость селитры в сорбите в твёрдом виде гораздо меньше, чем в расплаве, поэтому топливо при остывании набирает прочность постепенно, так как по объёму идёт выделение кристаллов из твёрдого раствора, при этом выделяется некоторое количество тепла. Крупные шашки остаются мягкими более суток.

Энергетические характеристики данного состава очень умеренные. Теоретический удельный импульс карамельного топлива на нитрате калия — 153 кгс×с/кг, а практически достижимый не превышает 125 кгс×с/кг. Это меньше, чем у дешёвых баллиститных топлив на основе нитроцеллюлозы, поэтому промышленно этот состав не применяется. Однако, это существенно больше, чем у дымного пороха, к тому же, изготовление карамельного топлива не требует специфического оборудования, необходимого для производства пороха, поэтому популярно у изготовителей модельных ракетных двигателей, как кустарных, так и серийных коммерческих.

При замене в составе топлива сорбита на сахарозу скорость горения возрастает значительно, на 40 % при атмосферном давлении, но другие свойства топлива (плотность, удельный импульс, показатель степени в законе горения и т. д.) почти не меняются.

Пользоваться им не рекомендуется. Это карамельное топливо на аммиачной селитре (аммоний азотнокислый). Почему лучше обратить внимание на другие рецепты? Потому что это неустойчивое соединение, и при нагревании все что угодно может пойти не так. В результате затея, вполне вероятно, закончится пожаром!

Кроме того, при изготовлении «карамельки» из аммиачной селитры выделяются крайне токсичные пары. Поэтому все рецепты с использованием аммиачной селитры содержат дополнительные компоненты для преобразования ее в натриевую или калиевую. Проще всего вариант с натриевой. Берем 40 % селитры, 45 % пищевой соды и 200 % воды. Отмечаем уровень жидкости и выпариваем, пока не пропадет запах аммиака. Потом доливаем воду до первоначального уровня (она же выпарилась частично), добавляем 15 % сахара и дожидаемся его растворения.

Базовый, наиболее изученный и часто используемый состав — 65 % КNО₃ и 35 % сорбита (по массе). Такой состав близок к оптимуму по достижимому удельному импульсу при небольших степенях расширения, характерных для модельных РДТТ. Умеренный показатель степени в законе горения делает топливо пригодным для работы в широком диапазоне давлений, и, как следствие, подходящим для кустарно изготавливаемых РДТТ с заметным разбросом геометрических характеристик.

Готовое топливо состоит из твёрдого раствора селитры в сорбите и взвешенных в нём мелисперсных частиц нерастворившейся селитры. Температура плавления готового топлива значительно ниже, чем исходных компонентов. Растворимость селитры в сорбите в твёрдом виде гораздо меньше, чем в расплаве, поэтому топливо при остывании набирает прочность постепенно, так как по объёму идёт выделение кристаллов из твёрдого раствора, при этом выделяется некоторое количество тепла. Крупные шашки остаются мягкими более суток.

Энергетические характеристики данного состава очень умеренные. Теоретический удельный импульс карамельного топлива на нитрате калия — 153 кгс×с/кг, а практически достижимый не превышает 125 кгс×с/кг. Это меньше, чем у дешёвых баллиститных топлив на основе нитроцеллюлозы, поэтому промышленно этот состав не применяется. Однако, это существенно больше, чем у дымного пороха, к тому же, изготовление карамельного топлива не требует специфического оборудования, необходимого для производства пороха, поэтому популярно у изготовителей модельных ракетных двигателей, как кустарных, так и серийных коммерческих.

При замене в составе топлива сорбита на сахарозу скорость горения возрастает значительно, на 40 % при атмосферном давлении, но другие свойства топлива (плотность, удельный импульс, показатель степени в законе горения и т. д.) почти не меняются.

Изготовление топливных шашек

Первым топливом у нас будет карамельное, готовить будем из сорбита и калиевой селитры. Сорбит можно купить в аптеке, он используется как сахарозаменитель. Калиевую селитру можно найти в садово-огородном отделе, но там она довольно грязная, поэтому купили ч/чда в Русхиме.

Простейший способ — измельчить компоненты до состояния мелкодисперсного порошка и смешать, но тогда топливо остается сыпучим и не будет держать форму. Решено сплавить компоненты вместе. Некоторые бесстрашные любители делают это в сковородках, на открытом огне, даже, бывает на костре, но нам дороги наши пальцы и глаза. Придется делать нагреватель с контролем температуры и песчаная баня, для которого нам понадобятся:

• самая дешевая электроплитка из Леруа
• твердотельное реле
• модуль термопары К-типа
• ардуино
• потенциометр
• дисплей
• выпарительная чаша
• форма для выпекания из FixPrice
• песок соль

Из плиты выбрасываем ее родной регулятор и ставим в разрез твердотельное реле, управлять которым будем через Ардуино, к которой подключим дисплей и потенциометр, чтобы видеть текущую температуру и иметь возможность ее настройки. В форме для выпекания проделываем отверстие и вставляем термопару. Заполняем форму примерно наполовину песком солью (песка под рукой не оказалось, зато рядом был продуктовый магазин, на качество это не повлияет). Это нужно для создания среды с большой тепловой инерцией. Кстати, соль лучше брать “экстра”, так как более крупная при нагреве начинает раскалываться и стрелять в разные стороны, устраивая Сталинград. В центре солевой бани устанавливаем выпарительную чашу, предварительно положив под ее дно щуп термопары. Контролировать процесс будем через первый попавшийся релейный регулятор для Ардуино. Проверяем пирометром разность температур между показаниями термопары и температуры чаши, вносим соответствующие коррективы.

Meteor заботливо подсчитал массу топлива, которая составила 838г, возьмем с запасом, еще пригодится. Решено было сделать топливный заряд из нескольких шашек для простоты их изготовления. Потом можно будет их просто склеить между собой и вставить в корпус двигателя.

Не забываем про технику безопасности: вблизи топлива не должно быть никаких источников открытого огня, раскаленных предметов и чего-либо, что может вызвать возгорание.

Возьмем по массе 65% калиевой селитры и 35% сорбита, аккуратно засыпаем в чашу и добавляем немного воды. Это и нервы успокоит, и избавит от необходимости измельчать компоненты в пыль, так как в воде они и без того хорошо растворятся и смешаются. Ставим на огонь, выставляем температуру и ждем, постоянно помешивая. Постепенно полученная каша расплавится и станет похожа на овсянку. Надо дождаться выпаривания всей лишней воды (это можно будет понять по прекратившемуся выходу кипящих пузырьков).

Дальше надо действовать решительно: в заранее подготовленную водопроводную ПВХ-трубу, зафиксированную в держателе с внутренним креплением под круглую ось будем запрессовывать топливо.

После извлечения оси у нас как раз останется канал запала по всей длине шашки. Запрессовывать удобно при помощи держателя для дрели, такой очень удачно нашелся в студии. Важно запрессовать топливо таким образом, чтобы внутри шашки не оказалось пузырей и полостей, иначе это потом негативно скажется на горении.

Трубу с топливом откладываем и оставляем до остывания. Затем ее можно будет распилить и достать шашку. Мы сделали несколько штук, одну из них сожжем в целях эксперимента.

В следующем выпуске займемся корпусом двигателя, соплом и испытательным стендом.
А пока мы его готовим, рекомендую почитать следующую книжку про проектирование ЗУРов. Из нее была почерпнута бОльшая часть информации.

Вся серия целиком: