Ракеты на карамельном топливе. Карамельный ракетный двигатель


Ракеты на карамельном топливе « Попаданцев.нет

Реактивная артиллерия почему-то не пользуется популярностью среди попаданцев во времена ранее 18 века. А зря, потому что при всех недостатках ракет, это истинно попаданческая технология. Они могут быть созданы чуть ли не в бронзовом веке, а значит зазор применения у них огромный.Для начала немного истории. Считается, что ракеты были созданы в Китае, но долгое время использовались там только для фейерверков. Только в 10 веке в том же Китае были изобретены так называемые «огненные стрелы» — стрела с приделанной к ней небольшой ракетой для увеличения дальности и поджигания вражеских построек. Есть упоминания, что примерно такие же стрелы использовали монголы в 13 веке. В западной Европе первое боевое применение ракет относится к 1380 году. Но во всех этих случаях ракеты использовались в основном для достижения психологического эффекта. Разве что, в Корее 1590-х годах изобрели систему реактивного залпового огня — hwacha. В одной из битв имдинской войны 3,400 корейцев с сорока хвачхами прогнали тридцатитысячное войско японцев.

Hwacha

Хвачха

 

По сути, история практического применения ракетной артиллерии в бою начинается с 1792 года, когда во время осады Шрирангапатнама индусы использовали их против англичан. А еще точнее, когда Уильям Конгрив, создал на базе индийских свои зажигательные ракеты. С их помощью в 1806 году была практически сожжена Булонь и на следующий год Копенгаген. Дальше развитие реактивного оружия пошло семимильными шагами.

Практически зазор между есть возможность сделать боевую ракету и боевые ракеты широко используются составляет больше тысячи лет.

Главные достоинства реактивной артиллерии этоДальность. Все те же ракеты Конгрива летели почти на 3 км. Ракеты Засядько и Константинова — уже на 5-6. Для сравнения — только к 18 веку дульнозарядные пушки стали бить дальше полутора километров. А большую часть зазора сравнивать ракеты попаданца надо не с пушками 18 века, а с бомбардами, а то и требуше.Легкость, а значит маневренность и скорость развертывания. А так же возможность использования относительно малыми силами. По сравнению с весом пушек, массой станка для ракет можно вообще пренебречь.Взрывы. У ракеты практически нет пробивающего действия, поскольку масса боеголовки слишком мала. Но благодаря низкой начальной скорости и постоянному плавному ускорению вместо можно сравнительно безопасно использовать бризантную взрывчатку в боеголовке. Причем с ударным взрывателем, а не с фитилем.Дешевизна. Для сравнения в конце 16 века на 1 кг массы ядра уходило примерно полкило пороха. Ракеты Конгрива с 1.8 кг пороха в двигателе весили 14 килограмм из которых на «боеголовку» приходилось 6.5 кг. При использовании карамельного топлива (см. ниже) в связи с большей его эффективностью, ценной селитры потребуется намного меньше.

ракета Константинова

ракета Константинова

Среди очевидных недостатков первых боевых ракет1. Малый выбор поражающего действия. Практически, попаданческие ракеты могут быль либо фугасными/фугасно-осколочными, либо зажигательными. Применять шрапнель мешает малая по сравнению с пушечным снарядом скорость, пробивного действия нет из-за ограничений по массе боеголовки. Если подумать, то можно сделать еще и осветительные и сигнальные ракеты.2. Низкая точность и зависимость от ветра. Их сносит намного сильнее, чем пушечное ядро, вплоть до того, что известны случаи, когда ракеты Конгрива при сильном встречном ветре летели назад и почти долетали до позиций англичан.Однако, первый это не недостаток, а просто более узкая область применения. А второй — частично преодолим.Во-первых, в отличие от пушечного снаряда ракету можно стабилизировать оперением. Теоретически можно просто вкрутить по оси ракеты длинную палку, как это делал Конгрив, но при этом увеличивается длина снаряда, а значит и зависимость от ветра.А во-вторых, и Конгрив и Засядько и все до них были вынуждены пользоваться в качестве ракетного топлива черным порохом. Однако в 1948 году появились первые ракеты на так называемой «ракетной карамели», в англоязычных источниках «rocket candy». Удельный импульс карамели намного выше, чем у черного пороха, а главное — с ней намного проще добиться равномерного горения, то есть как минимум один из факторов влияющих на точность полета будет минимизирован.

Ракетная сахарная карамель это смесь сахара с калийной селитрой в пропорции примерно 2:1. Сейчас вместо сахара часто используют сорбит, он более безопасен в приготовлении. Но я не знаю может ли попаданец наладить производство сорбита в принципе в пристойных количествах и если может — стоит ли овчинка выделки.

Селитра теоретически годится и натриевая, но во-первых смеси на ее основе более гигроскопичны, а во-вторых она еще менее доступна чем калиевая, если попаданец не оказался в Чили.

Смесь аккуратно расплавляется при постоянном перемешивании, затем, уже расплавленная снимается с огня и все еще перемешивается пока не начнет застывать. Перемешивание нужно для того чтобы избавиться от пузырьков воздуха, из за них горение будет неравномерным, а для ракеты это критично. Затем карамель снова разогревается до достижения пластичности, запихивается в трубку и прессуется туда обычной палочкой. Именно запихивается — консистенция у нее как у густого клея. Карамель от давления не детонирует, так что прессование безопасно. Опасным этапом считается нагрев, потому что температура плавления сахара близка к температуре воспламенения смеси. Однако, даже при этом карамель загорается, но не детонирует.

Топливная шашка

В процессе плавления полезно добавить 1-2% окиси железа(III) Fe2O3 в качестве катализатора. Полезно — это до 80% добавочной тяги. Из этого оксида состоит минерал гематит ака красный железняк, но при наличии серной кислоты можно обойтись и без него. Fe2(SO4)3 -> Fe2O3 + 3SO3.

Остается только по центру получившейся топливной шашки просверлить отверстие для запала или стопина и плотно запихать шашки в корпус ракеты — металлическую трубу с коническим соплом. Труба сверху затыкается несгораемым пыжом, после чего к ней крепится боеголовка с обтекателем. Ракета готова.

Полностью, однако, проблему точности решить невозможно попаданческими средствами. Самая известная ныне из ракет на сахарной карамели — Кассам, которым террористы из Газы регулярно обстреливают юг Израиля. Они просты, собираются практически на коленке из водопроводных труб, но не всегда попадают даже в населенные пункты. Правда и дистанция у них избыточная для попаданца — до 18 километров. Немудрено промахнуться когда направляешь ракету «куда-то в ту сторону».

Кассам

Кассам

Впрочем, при замене топлива появляется еще одна проблема. Сахар. В Европе он был предметом роскоши, практически наравне с пряностями. Так что производство сахара — еще одна задача для попаданца. Но об этом в следующей статье.

www.popadancev.net

Ракета на карамельном топливе | Журнал Популярная Механика

Почти все ракетостроители начинали свой путь в космос с ракетомодельных кружков, кухонь, домашних мастерских в гараже и самодельных ракет. Добрая половина нашей редакции в детстве дырявила небо своими самоделками, как и команда частной российской ракетостроительной компании «Лин Индастриал».

Самое главное в ракетостроении, по мнению легендарного конструктора ракетных двигателей академика Валентина Глушко, — именно двигатели. Его фраза «Если есть ракетный двигатель, то к нему хоть забор привяжи — он полетит!», пожалуй, одна из самых цитируемых в отрасли. Чтобы вы не повторяли все наши ошибки молодости, главный конструктор по системам управления «Лин Индастриал» Андрей Суворов расскажет, как сделать один из самых доступных, безопасных и эффективных домашних ракетных двигателей, работающих на карамельном топливе. Все начинали с этого.

Поговорим о классике

Классикой ракетомоделисты называют топливо, состоящее по весу из 35% сорбита и 65% калийной селитры, без каких-либо добавок. Это топливо достаточно хорошо изучено, имеет характеристики не хуже, чем у черного пороха, но изготовить его гораздо проще, чем правильный порох.

Для классики годится только калийная селитра. Если вы не найдете ее в продаже, придется изготовить самостоятельно из натриевой или аммиачной и сульфата или хлорида калия. Все это легко купить в магазинах, торгующих минеральными удобрениями. Раньше в фотомагазинах продавали еще поташ (карбонат калия), он тоже годится для получения калийной селитры из аммиачной. При смешивании горячих насыщенных растворов натриевой селитры и хлорида калия калийная селитра сразу выпадет в осадок. Самодельную селитру придется очистить перекристаллизацией, для этого ее нужно растворить в небольшом количестве горячей кипяченой воды, профильтровать через вату и поставить раствор в холодильник. Затем слить раствор, селитру высушить на батарее, а потом и в духовке при примерно 150 °C один-два часа. Тут главное — соблюдение температурного режима. При более высокой температуре селитра расплавится и станет непригодна к дальнейшему процессу.

В слетавшей ракете использовалось улучшенное топливо на базе сорбита. Но ради улучшения энергетики (удельного импульса) нитрат калия был заменен перхлоратом калия. Такая замена потребовала введения еще двух компонентов — катализатора, стабилизирующего горение, и активированного угля, задерживающего тепловое излучение. В отличие от «классики», такое топливо нежелательно плавить. Поэтому компоненты придется измельчить и перемешать как можно тщательнее. Для этого пригодится фарфоровый пестик — он инертен почти ко всем веществам и не дает искр, что важно для приготовления пиротехнических составов. Подготовленная порошкообразная смесь загружается в корпус двигателя.

Сорбит (заменитель сахара) продается и в аптеках, и в продуктовых супермаркетах. Температура плавления чистого сорбита — 125 °C, и по этой температуре его можно отличить от моногидрата сорбита, который иногда продается тоже под видом сорбита. Моногидрат плавится при 84 °C и для топлива не годится.

Несмотря на несерьезное название, карамельное ракетное топливо — это в первую очередь ракетное топливо, и обращаться с ним надо уважительно. Первое и главное правило техники безопасности — ни в коем случае не готовьте карамель на открытом огне! Только электроплитка с закрытым нагревателем и регулятором температуры. Если нет подходящей электроплитки, можно воспользоваться обычным утюгом, только нужно сделать подставку, удерживающую его в перевернутом положении, подошвой вверх. Положение регулятора «три точки» отлично подходит для изготовления карамели.

Не следует отмеривать компоненты на глазок или по объему — только на весах. На вид кучки в 35 г сорбита и 65 г калийной селитры по объему почти одинаковы. И это нам на руку, так как легче смешивать топливо. Если селитра крупная, ее придется растолочь в ступке или смолоть в кофемолке. Но не перестарайтесь: кристаллики должны быть как у мелкой соли — если смолоть селитру в пыль, с топливом будет трудно работать, так как оно станет слишком вязким. 20 секунд — то что надо.

Заготовка двигателя, заполненная порошком, вставляется в алюминиевый цилиндр, где и будет происходить термовакуумное прессование. Алюминиевый стержень в центре — для приложения усилия к пуансону, а короткая трубка рядом — для подключения вакуумного насоса. Подготовленный для прессования цилиндр погружается в водяную баню с раствором хлористого лития, который кипит примерно при 130 °C.

Теперь можно смешать порошки селитры и сорбита и выложить слоем не больше сантиметра толщиной на сковороду. Желательно мешать смесь непрерывно. Для перемешивания удобно использовать деревянную палочку от эскимо. Постепенно сорбит начнет плавиться, через некоторое время, по мере перемешивания, порошок превратится в однородную субстанцию, похожую на жидкую манную кашу. В расплавленном сорбите часть селитры растворяется, поэтому готовое топливо остается достаточно жидким и при 95 °C. Перегревать топливо не следует, потому что при 140 °C растворимость селитры скачком увеличивается и так же, скачком, увеличивается вязкость этого состава.

Как только последние комочки селитры размешаны, топливо готово — теперь его надо заливать в форму. Идеальная простота! Хорошо бы и двигатель сделать максимально простым, и такой вариант существует — если не требуются рекордные параметры, предпочтительным становится бессопловик. Он состоит только из корпуса и заряда. Несмотря на то что без сопла часть энергии топлива расходуется впустую, за счет экономии веса корпуса и сопла можно залить больше топлива и скомпенсировать потери.

После окончания прессования, когда объем, занимаемый топливом, уменьшится почти вдвое, цилиндр с двигателем нужно вынуть из бани и остудить в обычном ведерке с водой. Готовый двигатель выглядит так. Для того чтобы привести его в такой вид, придется отрезать часть картонной трубы (топливо теперь занимает лишь половину), оставив лишь несколько сантиметров для сопла. Сопло в этом двигателе керамическое, держится на шести винтах и герметизируется заливкой эпоксидной смолы.

Для корпуса понадобится картонная трубка с толщиной стенок 1−2 мм. Диаметр ее может быть от сантиметра до трех, но для первых опытов лучше брать не самую маленькую, так как с маленькими двигателями неудобно работать — и топливо застывает быстрее, и сложно его упаковать в маленькую трубку. Длина ее должна быть в 7−15 раз больше диаметра. Можно и в 20, но заливать топливо уже очень неудобно.

Еще потребуется стержень для формирования канала в топливе — в двигателях на карамели топливо горит по поверхности канала, а не с торца заряда, у торца не хватает площади. А для центрирования стержня потребуется деревянная или пластиковая бобышка, подходящая по диаметру и к картонной трубе, и к центральному стержню. Диаметр канала должен быть примерно втрое меньше внутреннего диаметра трубы.

Вставив бобышку в нижний конец трубы и стержень в нее, в оставшееся пространство заливаем «манную кашу» из селитры и сорбита. Топливо остывает и затвердевает, но не до конца. Из его остатков надо скатать палочку-образец — обычно размером с мужской мизинец. По ней измеряют скорость горения получившегося топлива — для этого ее снимают на видео и по видео засекают время. Конечно, длину палочки надо измерить до поджигания. Нормально изготовленная сорбитовая карамель должна гореть со скоростью от 2,6 до 2,8 мм/с, то есть палочка длиной 5 см сгорит за 17−19 с.

Скорость белой струи выхлопа на этом снимке намного больше километра в секунду! К сожалению, сама ракета не так быстра, но зато не очень сложно искать её после приземления.

Примерно через шесть часов — пока топливо еще мягкое — нужно вынуть бобышку и стержень. Осталось сделать заглушку из эпоксидной смолы там, где была бобышка: на обнажившуюся поверхность топлива наклеить кружок скотча, чтобы прикрыть канал, и из скотча сделать бортик вокруг картонной трубки, после чего залить туда эпоксидную смолу с отвердителем. Уровень смолы должен быть на 0,5 см выше края трубки, чтобы смола впиталась в торец. Иногда еще делают три-четыре отверстия диаметром 3 мм, в свободной от топлива части трубки, чтобы эпоксидная пробка лучше держалась. После затвердевания клея двигатель к запуску готов. Для его воспламенения отлично подходят китайские «электрические спички», продающиеся в интернет-магазинах, надо лишь удлинить провода и вставить запал в двигатель до упора, до эпоксидной заглушки — если двигатель загорится в середине, полной тяги он не выдаст.

Но, полетав на «классике», ракетолюбитель часто чувствует потребность ее как-то усовершенствовать. Тут и начинается изобретение разных составов и технологий. Волшебное слово «перхлорат» волнует сердца конструкторов-самодельщиков. Но напрямую заменить нитрат калия на перхлорат калия не получится — топливо будет иметь другие характеристики. Без третьего компонента — катализатора — состав демонстрирует пульсирующее горение вплоть до взрыва. А с катализатором плавить топливо опасно, вот и приходится использовать вакуумное прессование с подогревом и прочую экзотику, большинству любителей недоступную.

Статья «Карамельная ракета» опубликована в журнале «Популярная механика» (№9, Сентябрь 2016).

www.popmech.ru

Карамельное ракетное топливо - это... Что такое Карамельное ракетное топливо?

В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка установлена 17 декабря 2012.

Караме́льное то́пливо — твёрдое ракетное топливо, относящееся к смесевым топливам с органической связкой. Базовый, наиболее изученный и часто используемый состав — калия нитрата (КNО3) 65 % и сорбита 35 % 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.

Энергетические характеристики данного состава очень умеренные.

Теоретический удельный импульс карамельного топлива на нитрате калия — 153 секунды, а практически достижимый не превышает 125 единиц. 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. Готовая шашка из стандартной сорбитовой карамели без бронировки. Для близкого к нейтральному профилю тяги следует забронировать наружную поверхность. У небронированных шашек предпочтительны другие пропорции.

Главные недостатки этого топлива — гигроскопичность и большое количество конденсированной фазы в продуктах горения. Также следует признать недостатком хрупкость этого топлива, что сужает выбор конструкций РДТТ с его использованием. Наконец, недостатком является значительная усадка (уменьшение объёма) при затвердевании, что может вызвать искажение формы шашки или отслоение бронировки.

При замене в составе топлива сорбита на сахарозу скорость горения возрастает довольно значительно, на 40 % при атмосферном давлении, но другие свойства топлива (плотность, удельный импульс, показатель степени в законе горения и т. д.) почти не меняются. Главный недостаток сахарного состава — гораздо более опасный процесс приготовления, так как требуется более сильный нагрев.

Образцы свежеприготовленного топлива, слева - базовый состав, справа - с добавлением 1% оксида железа (III)

Карамельное топливо названо так из-за использования в его составе сахара или сорбита, а также из-за внешнего вида готового топлива. Англоязычный термин «rocket candy» точно так же характеризует отношение к нему.

Несмотря на относительную его безопасность, по сравнению с другими составами, карамельное топливо требует таких же мер предосторожности при использовании, как и любое другое ракетное топливо, так как является высокоэнергетическим составом.

Исходное топливо малотоксично, но продукты его горения могут раздражать слизистые и органы дыхания, так как карбонат калия, выделяющийся в сильно диспергированной форме, и имеющий щелочную реакцию, может вызвать химический ожог даже после остывания до комнатной температуры. Температура горения базового состава примерно 1400 градусов Цельсия, этого достаточно для размягчения стального корпуса РДТТ при воздействии на него без теплозащиты.

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.

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.

См. также

dal.academic.ru