Как сделать ракету

Добавил пользователь Дмитрий К.
Обновлено: 08.09.2024

Необходим простейший набор измерительных и чертежных инструментов: линейка, штангенциркуль, карандаш.

Корпус двигателя делается из 10-ти слоев высококачественной офисной бумаги. Для этого из стандартного листа А4 отрезаются по длине две полоски шириной 69 мм. Далее берется оправка – ровный гладкий и прочный, лучше металлический, стержень (или трубка) длиной более 80 мм и диаметром 15 мм. Чтобы корпус не прилипал к оправке, можно отрезать кусок широкого скотча по длине оправки и накатать его на оправку в поперечном направлении. Затем на оправку наматываются последовательно полоски бумаги, которые в процессе намотки обильно, без пропусков, промазываются силикатным клеем. Прилегающую к оправке сторону первого витка промазывать клеем, конечно, не надо.

После этого неплохо прогнать еще сырой корпус через внешнюю оправку – металлический цилиндр с внутренним диаметром 18 мм. Корпус движка должен достаточно плотно проходить через эту оправку, этого надо добиться обязательно, поскольку в дальнейшем придется проводить набивку корпуса топливом, что без плотно сидящей внешней оправки делать нельзя. Если такую трубку найти не удастся, надо будет изготовить внешнюю оправку намоткой не менее 15-ти слоев офисной бумаги на уже готовый корпус двигателя, так – же на силикатном клею. Слегка подсушив корпус, надо снять его с оправки предварительно провернув против намотки. Дальше, пока корпус полностью не высох надо вставить с одной стороны готовое сопло. Для этого конечно необходимо, чтобы сопло уже было подготовлено.
Итак, изготавливаем сопло. Рекомендую сделать сразу два сопла, далее будет понятно почему. Обычно несложно найти деревянный стержень диаметром 16-18 мм, лучше из твердого дерева вроде бука или граба. Аккуратно торцуем его, т.е. делаем ровный перпендикулярный оси спил на одном конце. Для этого надо отрезать ровную полосу ватмана, шириной ~100мм и плотно намотать на стержень точно виток над витком. По краю этой намотки постепенно поворачвая стержень и удерживая ватман на месте делаем круговой пропил. Слегка зачистив шкуркой место спила получаем четкий торец. Здесь мы подошли вплотную ко второму правилу, непосредственно вытекающему из первого:

2) при любых операциях требующих геометрической точности использовать всевозможные оправки, шаблоны, кондукторы .

Первый этап сборки двигателя - установка сопла. Делать это надо пока корпус еще не просох, т.е. практически сразу после намотки. Сопло устанавливается в корпус с одного торца на силикатном клею заподлицо с краем корпуса.
Вот мы и подошли к третьему правилу:

3) строго соблюдать соосность всех центральных каналов и осевую симметричность всех деталей ракеты.

Конечно, это правило интуитивно понятно, но частенько про него забывают.

Топливо.

Непосредственно назрел вопрос о топливе. Конечно, его надо решить в первую очередь, перед тем как приступать к производству ракеты, но я веду рассказ, так сказать, в порядке логической очередности. Соблюдать этот порядок при изготовлении ракеты конечно не обязательно. Самым доступным, безопасным и одним из самых эффективных считается карамельное порошковое топливо, состоящее из смеси тонко измельченного сахара 35% и калиевой селитры 65%. Процентовка только по весу. Достать компоненты несложно. Про сахар я не говорю, а селитру ищите в садоводческих магазинах и рынках. Лучше всего, конечно, купить качественную селитру в специализированной фирме (Русхим, Вектон). Точное соблюдение весовых соотношений обязательно. Отсюда и четвертое правило:

4) точно соблюдать пропорции химических компонентов, степень измельчения и технологию производства топлива .

5) топливо надо обязательно проверить .

Для этого прессуем небольшую тонкую таблетку-лепешку из топлива и в безопасном месте на гладкой негорючей поверхности поджигаем ее с одного края. Таблетка должна гореть активно, пламя должно иметь четкую направленность, сама таблетка должна вести себя беспокойно, норовя сорваться с места. После сгорания не должно остаться практически никаких шлаков. Такое топливо можно считать подходящим.
Если корпус движка просох можно приступать к набивке. К этой операции я призываю отнестись с максимальной серьезностью. От качества ее проведения зависит не только качество работы движка, но и само его существование. Проще говоря, некачественная набивка может привести к взрыву.

Сначала разбираем систему центровки сопла и помещаем корпус движка во внешнюю оправку, о которой я уже упоминал. Это обязательно, поскольку при набивке возникают усилия, которые могут повредить корпус. Напомню, корпус должен входить во внешнюю оправку свободно, но плотно, без люфтов. Сначала при помощи подходящего стержня или хвостовика сверла плотно запрессовываем топливом канал сопла. Только аккуратно без фанатизма - сопло может расколоться. Затем помещаем движок в оправке на ровную прочную поверхность. Засыпав небольшую порцию топлива, при помощи подходящего по диаметру (~14,5мм) прочного стержня с плоским торцом и молотка прессуем эту порцию. Здесь важно, чтобы порции топлива были все время одинаковыми – приблизительно объем маленькой ложечки от мороженного Баскин-Роббинс "с горкой", чтобы удары молотком шли по нарастающей от слабого к довольно сильному, и количество их было одинаковым. Движок при этом надо удерживать на столе вертикально без перекосов, дабы не повредить его. Продолжаем эту нудную, но ответственную операцию до тех пор, пока до верхнего края движка останется незаполненным 12 мм по высоте. Высота топливного заряда будет составлять 45 мм. Аккуратно почистив стенки свободного объема, берем заглушку, смазываем силикатным клеем и вставляем ее в верхнюю часть. Не вынимая корпус из внешней оправки, подпрессовываем молотком заглушку пока она плотно не сядет на топливо. Теперь достаем движок из оправки и делаем перетяжку на корпусе, фиксирующую заглушку, по схеме, описанной для сопла. Единственное, что надо будет предварительно сделать, это, поскольку корпус уже приобрел приличную прочность, сначала продавить его по линии отметки перетяжки каким-нибудь металлическим предметом имеющим тонкую, но не острую кромку. Можно воспользоваться стальной проволокой 2мм (спица от велосипеда). Обязательна обмотка нитками на клею в месте перетяжки.

Если наша заглушка делается из второго сопла, т.е. имеет "технологическое" отверстие, то напоминаю, надо либо переед установкой подложить под неё копейку, либо залить отверстие эпоксидкой. В данный момент как раз пора воспользоваться смолой.

Зажигание.

6) Время до срабатывания двигателя должно быть таким, чтобы можно было отойти на безопасное расстояние .

7) все, что можно, должно быть испытано и замерено заранее .

Планер.

Теперь будем делать собственно ракету. Можно конечно примотать движок к рейке и запустить из бутылки, но, по-моему, это низведение достаточно изящного процесса ракетостроительства до изготовления простой шутихи. Я применяю реечный вариант только для отработки движков, когда надо испытать несколько вариантов, результат запуска которых заранее неизвестен. Поэтому я расскажу, как сделать очень простую, но все-таки ракету, со всеми ее атрибутами. Поскольку на этом этапе всегда возникает соблазн проявить инициативу и творчество, сразу предупреждаю, усложнять здесь для начала не стоит, поскольку вероятность потерять ракету после запуска очень велика, на стадии отработки я потерял подряд три ракеты. Улетают они - будь здоров!
Схема ракеты показана на рис.2.

Конструкция, которую я предлагаю, очень проста. Корпус фюзеляжа делается так же как и у движка, только для этого берется один кусок офисной бумаги шириной 110мм и наматывается на оправку диаметром 18мм. Надо проконтролировать, чтобы движок с трением, но свободно вставлялся в корпус ракеты. Можно сделать корпус ракеты немного больше диаметром, а движок подогнать намоткой колец бумаги по краям движка.

Стабилизаторы делаются склейкой двух заготовок, см. Рис.3, из тонкого картона, типа визиточного. Всего надо сделать три штуки. В месте крепления к корпусу на заготовках делается отгиб 4мм в разные стороны, что после склейки половинок создает удобную поверхность для приклеивания к фюзеляжу. Размер и форма стабилизаторов дело весьма произвольное, естественно в определенных рамках. Так что лучше для начала не экспериментировать, а сделать по приведенной схеме. Клеятся стабилизаторы на корпус быстросохнущим клеем типа "Супермомент", по предварительно сделанной четкой разметке. Определить положение стабилизаторов совсем несложно, для этого не нужно даже вспоминать школьные формулы. Первая отметка, т.е. положение первого стабилизатора - клеевой шов на фюзеляже. Далее берем тонкую металлическую линейку, упираем ее нулевой отметкой в клеевой шов и прокатываем на столе на один оборот. Положение клеевого шва после оборота покажет нам периметр фюзеляжа. Поделив его на 3, получаем положение двух других стабилизаторов относительно первого. Путем такой же накатки линейкой делаем отметки на фюзеляже.

Опыт показал, что клеевого соединения недостаточно, поэтому в стабилизаторах впритык к корпусу делаются шилом два отверстия, сквозь которые, с помощью иголки наматывается не менее пяти витков х/б нитки №10. Под нижнюю намотку предварительно вставляется один направляющий кольцевой зацеп. Нитки промазываются силикатным клеем. Такой же направляющий зацеп крепится с помощью ниток и клея в носовой части ракеты строго над нижним. Направляющие зацепы делаются из маленьких канцелярских скрепок, с таким расчетом, чтобы в них легко проходил стержень диаметром 5 мм.

Носовой обтекатель ракеты можно сделать из винной деревянной пробки, обточив ее как сопло, на дрели. Пробковый материал довольно сложен в обработке, поэтому действовать надо аккуратно, используя не очень грубую шкурку. Тут надо поэкспериментировать.

Пусковая установка.

8) запуск ракеты без направляющей недопустим.

Поскольку центр тяжести у такой ракеты находится спереди от центра давления и точки приложения тягового усилия, недостаточно разогнавшись, ракета может перейти в горизонтальный полет и догнать незадачливого моделиста. Кстати, к такому развитию событий надо быть готовым даже при наличии качественной направляющей и не зевать в случае чего.
Перед запуском

9) надо проверить аэродинамическую устойчивость ракеты, т.е. способность ракеты придерживаться выбранного направления полета.

Запуск

Запуск ракеты самый интересный момент. Но и тут нельзя расслабляться. Надо обязательно

10) обеспечить безопасность окружающих.

Ваше увлечение не должно быть источником опасности для других. Поэтому надо найти площадку, на которой в радиусе 200м нет посторонних людей, строений, легко воспламеняющихся объектов.

Расчет

Класс С11
время работы t=0.81 сек
Kn максимальный Knmax=64
давление в камере Pmax=0.68 МПа
тяга максимальная Fmax=18.8 H
тяга средняя Favg=11.9 H
импульс полный Itot=9.4 Н*сек
импульс удельный Isp=97.9 сек

На графике рис.4 приведено изменение числа Kn по времени, т.е. отношения площади горения к площади критического сечения сопла по времени.

На графике рис.5 приведено изменение давления в камере движка по времени. (Один МегаПаскаль соответствует 10-ти атмосферам).

На графике рис.6 приведено изменение тяги по времени.

Обратите внимание, тяга такого небольшого простейшего движка может превысить 1,5кг. И это для ракеты весом 30-35г!

Точность расчета оставим на моей совести. Думаю все же, результаты достаточно близки к истине, т.к. сравнение результатов многочисленных запусков с разными параметрами движка и результатов соответствующих расчетов выявили явное соответствие. Освоить расчетную методу я очень рекомендую, тем паче, что она не сложна. При проектировании своего двигателя очень полезно оценить все критические параметры, дабы не получить вместо движка петарду. Полезно также бывает провести сравнительные вычисления по какому-нибудь параметру (например, по диаметру критики), чтобы не проводить кучу экспериментальных запусков, результаты которых порой заценить достаточно проблематично без соответствующей аппаратуры.
Высоту полета ракеты, максимальную скорость и время подъема тоже можно легко рассчитать по программе Ричарда Накка EzAlt. Несмотря на простоту, программа похоже дает приличную точность. По крайней мере, для данной ракеты расчет и измерение по триангулярному методу показали одинаковый результат для высоты подъема с работающим двигателем - 90м. Выше ракета летит уже по инерции не оставляя за собой следа, да еще с бешеной скоростью, поэтому замерить максимальную высоту полета проблематично. Расчет по EzAlt при самых неблагоприятных условиях дает 300м! Хочется в это верить.

Егор Морозов | 17 Августа, 2018 - 14:18

Тем не менее, ракеты полагаются на некоторые удивительно простые физические принципы. Хотя шаги ниже точно не дадут вам полноценного ракетного двигателя, они пояснят, почему мы делаем ракеты так, как мы делаем, и никак иначе.

Шаг первый: сохранение импульса

При движении по поверхности Земли или по воздуху мы полагаемся на сохранение импульса, чтобы двигаться вперед. Когда мы отталкиваемся от земли или машем крыльями в воздухе, то земля или воздух в свою очередь отталкиваются от нас. Поскольку Земля несколько больше нас, сохранение импульса означает, что мы сдвигаемся сильно, а вот Земля — едва ли.

Но космос — это совсем другая история. В этом холодном вакууме не на что давить. Ноги, крылья, пропеллеры и самолеты бесполезны. Но это не означает, что сохранение импульса внезапно перестает работать. Вместо этого, чтобы двигаться вперед, нам, по сути, нужно взять импульс с собой.

Тут тот же принцип, что и в том случае, когда вы находитесь на льду озера или в офисном кресле на колесиках. Если вы возьмете часть массы, которую вы носите с собой (обувь, снежок — что угодно), и отбросите ее от себя, то вы немного проедете в противоположном направлении. Конечно, то, что вы выкинули, имеет вес сильно меньше вашего, поэтому вы проедете в обратном направлении на достаточно небольшое расстояние, но все еще вам удалось сдвинуться, используя только самого себя.

Итак, чтобы иметь летающую в космосе ракету, вам нужно возить с собой ракетное топливо. Оно может быть любым, и когда вы его выбросите через заднюю часть ракеты, вы пролетите немного вперед. Прогресс!

А звуковые и сверхзвуковые жидкости обладают особым свойством, которое прямо противоположно их дозвуковым собратьям: вместо замедления при повторном расширении из-за сложной динамики жидкости они. ускоряются. Поэтому, когда такая жидкость выходит из сопла, она получает дополнительный импульс. Кроме того, специальная куполообразная форма сопла на выходе позволяет жидкости продолжать прижиматься к его корпусу, еще больше увеличивая итоговый импульс.

Шаг третий: повинуйтесь тирании

Итак, у вас есть топливо и сопло. Что осталось? Правильно, вам нужно что-то, чтобы привести все это в действие: источник энергии, который вам также нужно упаковать с собой. В случае бросания вещей на скользком льду вы принесли свою энергию в виде завтрака, который вы употребили раньше и хранили для последующего использования.

Но зерновые и молоко — не самый лучший источник энергии для космической энергетики, поэтому химические ракеты оказались настолько успешными. Создавая мощную смесь топлива (например, высокоочищенный керосин) и окислителя (например, кислород), можно высвободить и использовать невероятные объемы энергии в последующих экзотермических реакциях. Разумеется, имеются и другие комбинации, и в некоторых случаях топливо самовоспламеняется при правильных условиях или существует в твердой форме перед использованием по назначению.

Но тот факт, что вы должны нести свой собственный источник топлива и энергии, резко ограничивает то, что может сделать ракета. Это регулируется формулой Циолковского — простой связью между энергией, необходимой для достижения цели, энергией, запасенной в топливе, и долей общей массы ракеты, занятой топливом.

Можете улетать

Что в итоге? У вас есть все необходимые компоненты ракеты: сохранение импульса, ракетное топливо, сопло причудливой формы и источник энергии. И все, даже самые нестандартные ракеты, следуют тем же основным принципам. Соплом могут быть электрические или магнитные поля, а источником энергии — топливо, ядерные реакции или само Солнце. Но, несмотря ни на что, шаги выше — единственный способ получить ракету в космосе.

Глядя в небо, наблюдая за неторопливым движением облаков и стремительным полетом птиц, люди сами мечтали о полетах. Их мечты осуществились: на вертолетах люди перемещаются между городами, на самолетах — между континентами, на ракетах летают в космос.

Дети подражают взрослым и тоже мечтают летать; они с легкостью воображают себя летчиками в кабине авиалайнера или истребителя, космонавтами в скафандрах за пультом космолета.

Самолеты, пролетающие высоко в небе, выполняющие фигуры высшего пилотажа кажутся легкими, стремительными, изящными аппаратами. При близком знакомстве с самолетом, когда его можно потрогать пальцами, он кажется неуклюжим, огромным и таким тяжелым, что поневоле всегда закрадывается мысль: как он летает? На детей внушительный вид летательного аппарата оказывает незабываемое впечатление.

Космические ракеты стартуют не так часто, как самолеты, и большинство жителей наблюдают за взлетом по телевизору. Начало подъема космического корабля более впечатляюще, чем взлет самолета.

Содержимое обзора

Материалы для поделок

В детской фантазии ракета может иметь самые необычные очертания, а для ее изготовления применяются распространенные материалы и бытовые предметы. Моделей детских поделок в виде ракеты существует большое количество.

Поражает разнообразие материалов:

Бумаги,
Дерева,
Пластмассы,
Пластилина,
Алюминиевой
Фольги,
Пенопласта,

Во многих моделях для изготовления различных частей используются разные материалы.

Поделка ракета из бумаги может быть плоской или объемной фигурой. Бумага является одним из наиболее востребованных материалов для детских поделок благодаря своим свойствам: она дешевая, доступная, легко обрабатывается, легкая, не требует применения сложных инструментов, с помощью краски легко имитирует другие материалы:

Особенности организации работы

Сложность поделки определяют исходя из возраста ребенка, уровня развития, его интересов. Нет смысла принуждать ребенка делать модели ракет из бумаги, если его интересует что-то совсем другое. Яркие фото поделки ракеты могут привлечь его внимание и заинтересовать.

В самой младшей возрастной группе дети изготавливают плоские модели. На начальном этапе для них доступны раскраски: контурные изображения на бумаге. Ребенок учится держать цветной карандаш, аккуратно закрашивает определенные области, не выходя за их границы, следит за равномерностью нанесения краски.

Раскрашивать контур ракеты удобно кисточкой с использованием акварельных, гуашевых красок. При любом способе выполнения работы обращают внимание на последовательность и аккуратность исполнения.

Ненавязчиво, но неуклонно, поощрением и вниманием, а не критикой и безразличием, ребенка приучают к тому, что его маленькая работа должна выглядеть привлекательно, нравиться другим детям и взрослым.

Возможно, первая поделка получится не такой, как хотелось бы. В этом случае следует предложить малышу раскрасить не одну ракету, а несколько, целую серию.

Наверняка вторая, третья, последующие работы окажутся гораздо лучше. Именно в этот момент важна поддержка взрослых, чтобы закрепить ситуацию успеха, выработать чувство уверенности.

Внимание и интересы детей неустойчивы; малыши могут легко заинтересоваться сооружением ракеты и еще легче переключиться на что-то другое. Для выработки более постоянного увлечения следует придерживаться принципа систематичности.

Для этого работу над поделкой ракеты для детей выполняют изо дня в день в определенное время. Уже через неделю ребенок с нетерпением будет ожидать того часа, когда можно будет заняться конструированием.

Объемная поделка ракета

Схем и способов, как сделать поделку ракета, множество. При выборе варианта учитывают возраст и способности юных изобретателей, технику выполнения.

Для несложной объемной модели ракеты цилиндрической формы понадобятся материалы и инструменты:

Бумага (белая или цветная) любых размеров и плотности,
Лист картона или готовая втулка,
Ножницы или острый нож (резак),

Циркуль,
Линейка,
Простой
Карандаш,
Клей для бумаги.

Выбирают готовую схему поделки с перечнем всех деталей и указанными размерами; отталкиваясь от образца, схему и размеры можно изменить по своему усмотрению.

На чистые листы бумаги наносят разметку, придерживаясь размеров и пропорций. Пошаговая инструкция сборки поделки из картона ракета:

Глядя на схему, делают разметку деталей будущей ракеты на бумаге; используют чертежные инструменты; работу удобно организовать в паре или небольшой группой:
Инструктор показывает, объясняет, а ученики повторяют; полезно запланировать изготовление не одной поделки, а целой серии, в которой размеры каждой следующей поделки чуть больше;
Ножницами или ножом вырезают по контуру все заготовки; склеивать начинают с цилиндрического корпуса; чтобы края заготовки не расходились, их фиксируют скрепками, обвязывают ниткой;
С одной стороны цилиндра крепят коническую носовую часть, с другой — сопла и двигатели первой ступени, стабилизаторы и рули в виде маленьких крыльев;
После высыхания клея готовую поделку украшают: добавляют иллюминаторы, люки, миниатюрные фото, картинки, надписи;
В процессе работы дети усваивают смысл новых понятий: иллюминатор, маршевый двигатель, капсула, ракетное топливо.

Поделка ракета — уменьшенная копия

Поделка копия ракеты очень реалистична и наиболее сложна в изготовлении. Это работа для детей старшего возраста, увлекающихся конструированием моделей.

Она требует усидчивости, терпения, аккуратности и определенного уровня мастерства.

Начинают работу над поделкой поиском и изучением схем с нанесенными размерами деталей и инструкцией по сборке.
Схемы можно найти в журналах или на тематических сайтах.
Следующий шаг — поиск и сбор материалов необходимого размера, модель ракеты имеет значительную длину.
В процессе изготовления копии важно придерживаться размеров и пропорций, указанных рекомендаций.

В этом возрасте юный конструктор уже самостоятелен. Взрослые обеспечивают условия для творчества, поддержку и помощь в преодолении затруднений.

Необходим простейший набор измерительных и чертежных инструментов: линейка, штангенциркуль, карандаш.

3) строго соблюдать соосность всех центральных каналов и осевую симметричность всех деталей ракеты.

Конечно, это правило интуитивно понятно, но частенько про него забывают.

Топливо.

5) топливо надо обязательно проверить .

Зажигание.

6) Время до срабатывания двигателя должно быть таким, чтобы можно было отойти на безопасное расстояние .

7) все, что можно, должно быть испытано и замерено заранее .

Планер.

Пусковая установка.

8) запуск ракеты без направляющей недопустим.

Запуск

Запуск ракеты самый интересный момент. Но и тут нельзя расслабляться. Надо обязательно

10) обеспечить безопасность окружающих.

Расчет

Класс С11
время работы t=0.81 сек
Kn максимальный Knmax=64
давление в камере Pmax=0.68 МПа
тяга максимальная Fmax=18.8 H
тяга средняя Favg=11.9 H
импульс полный Itot=9.4 Н*сек
импульс удельный Isp=97.9 сек

На графике рис.6 приведено изменение тяги по времени.

Здесь ее фрезеруют с обеих сторон, удаляя все неровности и дефекты. На этом этапе в стружку превращается примерно 120 килограммов сплава АМг6. Похудевшую, но уже ровную плиту гнут — вальцуют, превращая ее в сектор цилиндра, а затем сваривают с двумя другими. Получившееся кольцо отправляется в другой цех, который почти целиком занимает фрезерный станок высотой в три человеческих роста.

Вертикальный фрезерный станок, который вырезает вафельный фон на уже сваренной обечайке бака.

Но можно делать иначе.

Труба

Ракета — это металлическая труба с топливом. В нижнем конце этой трубы стоят ракетные двигатели, в верхнем — полезная нагрузка, скажем, ядерная боеголовка, спутник или космический корабль.

Конечно, если присмотреться, начинаются нюансы. Если свернуть лист бумаги в трубку и склеить шов липкой лентой, такая труба удержит на себе небольшую стопку книг, если правильно распределить их вес. Этот тип конструкции, где обшивка является несущим элементом, в авиации называют монокок. Но стоит этой конструкции чуть-чуть отклониться от идеальной цилиндрической формы, прогнуться, она моментально схлопывается.

Чтобы это предотвратить, нужно или увеличивать толщину листа, или добавить внутрь силовой набор — ребра жесткости, продольные (стрингеры) и поперечные (шпангоуты). Таким образом из монокока вы получите уже полумонокок, очень популярный среди авиаконструкторов. Если подойти близко к любому самолету, вы увидите на его фюзеляже сотни и тысячи заклепок — это они держат обшивку на тех самых стрингерах и шпангоутах.

The Smithsonian Institution

Imperial War Museums

Банка

После войны ракеты фон Брауна попали в руки к советским и американским инженерам. И они почти сразу задались вопросом: зачем в одну емкость (корпус ракеты) вставлять вторую (топливные баки)? Разве нельзя обойтись только одной?

Помимо очевидных преимуществ — снижение массы, упрощение конструкции — это инженерное решение давало возможность увеличить прочность баков за счет наддува. С этим эффектом сталкивается каждый из нас, когда пробовал смять банку газировки.

Смять пустую алюминиевую банку в плоский блин (например, наступив на нее ногой) намного проще, чем полную. Жидкость (и газ, если внутри газировка) давит на банку изнутри, что позволяет ей выдержать уже больше 200 килограммов.

Для того, чтобы такая ракета была прочной, с ней поступили точно так же, как с банкой выше: начали наддувать пустое пространство газом. Большая часть ракет, старт которых вы видели, представляют собой такие алюминиевые банки, только очень большие.

Несущие баки и наддув позволили ракетостроителям убрать из ракеты стрингеры и шпангоуты, избавиться от точечной сварки, а вместе с тем тысяч слабых место в обшивке, которая и так была тоньше бумаги.

Вафля

Типы вафельного подкрепления

Бак горючего (несимметричный диметилгидразин — НДМГ) первой ступени ракеты УР-200.

Так инженеры нашли практически идеальное решение проблемы — как сделать баки с силовыми набором, но при этом не ослаблять обшивку ни сваркой, ни клепкой: нужно просто сделать силовой набор вместе с обшивкой. Этот метод стал стандартом для большинства тяжелых ракет по всему миру. Но платить за это решение пришлось временем, ресурсами и, разумеется, деньгами.

Как это теперь собрать

Большинство методов сварки предполагает, что вы расплавляете электрической дугой или газовой горелкой края двух металлических деталей, соединяете их, а когда расплавленный металл застывает, две эти детали оказываются единым целым, увы, единство это мнимое, и такой способ соединения не намного лучше традиционной клепки. В толще сварного шва могут остаться микроскопические пузыри, трещины и другие дефекты. Кроме того, расплавленный и застывший металл может стать менее прочным.

Фрезерованный лист для ракетного бака на заводе ULA

Фрезерование листов алюминия на заводе ULA

Готовая обечайка бака на заводе ULA

В случае, если сварной шов не подвергается большим нагрузкам, этим можно пренебречь, но в ответственных случаях приходится заниматься тщательной проверкой швов: дефекты ищут при помощи рентгена, ультразвука, магнитного порошка и десятков других инструментов. Но даже хорошие швы все равно остаются слабым местом, и их приходится усиливать, увеличивая толщину деталей в месте соединения.

Три главных буквы

Это значительно лучше традиционной электросварки. Например, если аргоно-дуговая сварка обеспечивает прочность шва в 160-170 мегапаскалей, то шов от СТП на тех же листах дает 250 мегапаскалей (при исходной прочности листа 300 мегапаскалей).

Аэрокосмическая отрасль давно заметила эту технологию: уже в 1999 году стартовала ракета-носитель Delta II, где компания Boeing применила СТП для сварки межбакового переходника, а в 2001 году полетела такая же ракета со сваренными тем же методом баками.

Станок для сварки методом СТП бака ракеты Delta II. Внутри виден традиционный вафельный фон.

А. Я. Ищенко и др., Автоматическая сварка, 2007

Примерно тогда же СТП в 2001 году — начали использовать для сварки внешнего топливного бака шаттлов, восемь швов в баке для жидкого водорода и четыре — для жидкого кислорода, всего почти 800 метров.

И снова труба

Сегодня уже не приходится сомневаться, что эти технологии работают: Falcon 9 успешно летают и по многу раз — недалек тот день, когда одна из первых ступеней ракеты совершит десятый в своей биографии полет. Много говорят о технологических хитростях Маска, которые позволили ему сделать такую ракету: о переохлажденном топливе, что позволяет увеличить объем горючего на борту, не увеличивая объем баков, говорят о решетчатых рулях, говорят о двигателях, способных к многоразовому включению и дросселированию, но почти никто не говорит о СТП и стрингерах. Хотя именно это небольшое новшество может изменить всю технологическую цепочку производства ракет.

Силовой набор в обечайках бака ракеты Falcon 9

Как именно — можно увидеть в цехе Центра разработок С7, который сейчас создает ракету легкого класса.

Выращенный с помощью 3D-печати вафельный силовой набор — до чистовой фрезерной обработки и после.

Робот-манипулятор сваривает бак

Он и его коллеги смогли сильно упростить и саму технику СТП — они используют станки собственного производства и роботы-манипуляторы. Роботы дорогие, признает Снытин, но даже так, по его словам, получается дешевле традиционной технологии на порядок.

От легкой до средней

Разработчики решили оставить на потом решение самой сложной задачи — создание двигателей и купить серийные у одного из российских предприятий (контракт пока не подписан, и название контрагента пока не раскрывают). Композитный обтекатель будет делать одна из дочек S7 на базе технологий компании Epic Aircraft. Центру остается создать все то, что находится между двигателями и головной частью ракеты — баки и систему управления.

На первой стадии предполагается построить ракету легкого класса, способную выводить на низкую орбиту более тонны полезной нагрузки. Если все пойдет по плану, то полетит эта ракета уже в ближайшие несколько лет. Для будущей ракеты среднего класса, которая сможет выводить шесть тонн на геопереходную орбиту при старте с экватора, Центр планирует разработать собственный двигатель.

Прототип бака изнутри.

Для баков ракеты планируется использовать новый сплав 1580 в отожженном состоянии — экспериментальный магнийсодержащий сплав, который отличается от традиционного АМг6 добавлением 0,1 процента скандия для повышения прочности. В отличие от нагартованного АМг6 его прочность не снижается при нагреве, а значит первую ступень можно потенциально сделать возвращаемой, она выдержит прохождение сквозь атмосферу, не потеряв качества.

Почти готовое днище бака, напечатанное вместе с силовым торцевым шпангоутом

Читайте также: