Сравнение различных видов ракетного топлива

Введение

Ракетно-космическая отрасль является крайне востребованной в наше время и весьма непростой в понимании. Впервые большинство людей начинают изучать её в школе на уроках физики. Но зачастую это изучение проходит исключительно в теоретическом формате, так как учителя сталкиваются со сложностью конструирования прототипа ракеты и изготовления топлива для запуска. Информация о данных параметрах зачастую носит разрозненный характер и сложна для практического применения.

В связи с этим было принято решение обобщить, упростить и систематизировать данные о ракетном топливе. На основании этих сведений мы сконструируем прототип ракеты, изготовим несколько видов топлив и проведём экспериментальные запуски. Это позволит нам разработать рекомендации по запуску учебных прототипов ракет.

Для того чтобы нам это сделать, необходимо провести анализ уже существующих источников и литературы, которые схожи с нашей темой. Мы провели сравнение таких источников как: статья «Горючее», исследование «Топливо будущего для космических кораблей» Максимова А. А., работа «Ракетные двигатели для межпланетных полётов» Шведова Д. А., а также изучили несколько видеороликов в различных социальных сетях.

Проанализировав источники, мы убедились, что есть необходимость в систематизации и обобщении информации для разработки удобных рекомендаций по запуску учебных прототипов ракет.

Далее нам нужно выяснить, что из себя представляет топливо, какие виды топлива существуют, их характеристики, разобраться в строении ракеты, а также принять решение какое топливо и какую конструкцию ракеты мы будем использовать в качестве нашего прототипа.

Теоретическая часть

Топливо – это горючие вещества, выделяющие при сжигании значительное количество теплоты, которая используется непосредственно в технологических процессах или преобразуется в другие виды энергии. Любое топливо состоит из двух обязательных компонентов: окислитель и горючее. Существуют две основные классификации топлива: твёрдые и жидкие.

Твердое топливо – это горючие вещества, основной составной частью которых является углерод. Жидкое топливо – это вещество или совокупность веществ в жидком состоянии, способных в результате экзотермических химических реакций образовывать высокотемпературные продукты, создающие реактивную силу при их истечении из сопла двигателя. У твердого топлива есть одно ключевое преимущество, в то время как для использования жидкого топлива нам нужно соблюдать строгий температурный баланс и создавать систему трубопроводов, твердое топливо этого не требует, поэтому мы остановились на именно на данном виде. Далее мы рассмотрим строение и принцип работы ракеты, работающей на твердом топливе [1, с. 209].

Основные элементы ракеты и их назначение: в ракету помещается топливо. Воспламенитель, который находится почти в самой высшей точки ракеты, вызывает возгорание топлива. Цилиндрическое отверстие в топливе действует как камера сгорания. Продукты сгорания попадают в сопло. Из сопла вырывает реактивная струя, создающая силу тяги. Все элементы ракеты помещаются в корпус [3].

Затем нам нужно рассмотреть основные характеристики топлива. Ими являются: плотность, удельный импульс тяги, температура сгорания, удельная теплота сгорания. Последние две характеристики сложно вычислить в условиях учебного проекта без высокоточного оборудования. Удельный импульс тяги также сложно измерить в рамках учебного проекта, поэтому мы заменим его другими характеристиками, описывающими движение тела: скорость и ускорение ракеты [2, c. 237].

Практическая часть

В реальном эксперименте ускорение будет непостоянным, но курсы школьные курсы математики и физики не дают нам возможность высчитать ускорение с такой точностью. В связи с этим мы отдельно посчитаем ускорения для первого и второго отрезков и определим погрешность. Если погрешность будет меньше 10%, то мы будем считать, что наши расчёты верны [4, c. 92]. Ракету можно считать материальной точкой, т. к. пройденное расстояние будет измеряться относительно носа ракеты во всех случаях. Схему движения представим в виде прямой вертикальной линии, предварительно разделив её на 2 отрезка, каждый длинной в одним метр.

Для нахождения скорости и координаты материальной точки в определенный момент времени для каждого из двух отрезков, мы будем пользоваться формулами школьного курса физики из раздела кинематики. Также, нам необходимо рассчитать погрешность наших вычислений, её мы рассчитаем по формуле и плотности топлив, для неё используем объём ракеты.

В ходе анализа разных ресурсов мы выбрали 4 топлива для сравнения. Для упрощения пронумеруем их. В основе этих топлив лежат следующие компоненты: селитра, сахар, уголь, нитрат калия и сера. Точный состав будет указан. Инструкция по изготовлению: необходимо тщательно просушить каждый из компонентов, а затем вручную смешать их, для того чтобы получилась однородная смесь. Далее проведем анализ стоимости. Мы исключили топливо на основе нитрата калия, так как он доступен только в больших количествах и будет нерационально его покупать. Поэтому мы решили изготовить и сравнить 3 оставшихся вида топлива. Необходимо переходить к сборке ракеты.

Для сборки прототипа ракеты мы выбрали крайне простой вариант. Ключевым качество прототипа было выбрано отсутствие необходимости в подключении электричества. Также нам была важна масса каркаса, именно поэтому мы выбрали пластиковый корпус. Далее нам необходимо провести запуски и анализ результатов.

Результаты и рекомендации

В случае, если вы сами хотите провести запуски самостоятельно, мы предоставим вам рекомендации. Сначала приобретите все необходимые компоненты. Рекомендуется покупать каждый компонент в большем количестве, чем необходимо. Это позволит вам исправить ошибки при изготовлении. Сконструируйте прототипы ракет, изготовьте топливо, заправьте прототип ракеты топливом и обязательно закупорите бак. После, вручную (без использования дрели) просверлите отверстие и вставьте фитиль. Если вы планируете хранить прототипы ракет, то выберите место с температурой 15–25°С и низкой влажностью. Иначе топливо внутри ракеты может отсыреть, и прототип не взлетит при запуске. Изготовьте стабилизатор для крепления прототипа из длинной палки или доски. Определитесь, в каком месте будет производиться запуск, и посмотрите, какая погода будет в день запуска. Температура воздуха должна быть выше -10 °С, осадков быть не должно. Прибудьте на место запуска. Убедитесь в том, что рядом нет деревьев, строений и людей, которым ракеты могут нанести ущерб. Также не рекомендуется проводить запуск в жаркое летнее время в поле или лесу, чтобы не вызвать пожар. Установите прототип ракеты на стабилизаторе. При поджигании фитиля необходимо соблюдать все меры безопасности и сразу же отходить на безопасное расстояние.

Таблица

Топливо	Стоимость 100 г топлива (руб)	Затраченная масса топлива (г)	V1 (м/с)	V2 (м/с)	t1 (С)	t2 (С)	a1 (м/с2)	a2 (м/с2)	(%)
№ 2	50.56	29	3	4,3	0,65	0,925	4,7	4,6	2
№ 3	13.35	28	2,7	3,75	0,75	1,06	3,5	3,4	2,8
№ 4	13	26	2,2	3,15	0,9	1,275	2,4	2,5	4

Из результатов таблицы следует, что топливо № 2 стало самым эффективным, но также оно, с завидным отрывом, обгоняет всех по стоимости. Изучив состав всех экземпляров топлива, можно сделать вывод, что сера гораздо эффективнее, но в то же время она существенно увеличивает стоимость. Самым неэффективным и медленным оказалось топливо под номером 4, в составе которого была только смесь сахарной пудры с селитрой.

Если вы хотите запустить свой учебным прототип ракеты, то мы можем рекомендовать топливо № 3, оно наиболее сбалансировано в цене и эффективности. Также уголь крайне дешёвый и легко доступный материал, в отличие от серы.

Выводы

Целью нашей работы являлся анализ состава и свойств различных видов ракетного топлива, и мы успешно выполнили ее. В ходе достижения поставленной цели мы пришли к следующим выводам:

1. К основным элементам ракеты можно отнести: корпус, топливо, воспламенитель, камера сгорания и сопло. Ракета движется за счёт силы тяги, создаваемой реактивной струёй.
2. Существует 2 основных вида ракетного топлива: твёрдое и жидкое. Для учебных проектов больше подходит твёрдое из-за простоты изготовления и отсутствия необходимости трубопровода.
3. К основным характеристикам топлива относятся: плотность, температура горения, удельная теплота сгорания, удельный импульс тяги, удельный расход топлива. В нашем исследовании мы заменили эти характеристики на более простые: скорость и ускорение ракеты.
4. Провели запуск ракет, а также анализ полученных результатов.

Таким образом, наше исследование позволил нам составить грамотные рекомендации по запуску учебных прототипов ракет. Эти рекомендации могут помочь заинтересованным в ракетно-космической отрасли провести свои первые успешные запуски.