Водяная ракета
— Водяная ракета это тип модели ракеты, используется вода в которой в качестве реакционной массы . Вода вытесняется сжатым газом, обычно сжатым воздухом . Как и все ракетные двигатели , он действует по принципу третьего закона движения Ньютона . Любители водяных ракет обычно используют одну или несколько пластиковых бутылок из-под безалкогольных напитков в качестве сосуда под давлением для ракеты. Возможны различные конструкции, включая многоступенчатые ракеты. Водяные ракеты также изготавливаются по индивидуальному заказу из композитных материалов для достижения мировых рекордов высоты.
Операция
1) Добавляется пузырь сжатого воздуха, который создает давление в содержимом бутылки.
2) Бутылка освобождается от насоса.
3) Вода выталкивается через сопло сжатым воздухом.
4) Бутылка отрывается от воды, потому что это подчиняется третьему закону Ньютона.
Бутылка частично заполнена водой и запечатана. Затем в бутылку нагнетается газ, обычно воздух, сжатый велосипедным насосом , воздушным компрессором или баллоном до 125 фунтов на квадратный дюйм, но иногда CO 2 или азот используется из баллона.
Вода и газ используются в сочетании: газ обеспечивает средство для хранения энергии, поскольку он сжимаем, а вода увеличивает массовую долю топлива и обеспечивает большую силу при выбросе из сопла ракеты. Иногда добавки добавляют в воду для улучшения производительности различными способами. Например: соль может быть добавлена для увеличения плотности реакционной массы, что приведет к более высокому значению delta-v . Мыло также иногда используют для создания в ракете густой пены, которая снижает плотность выбрасываемой реакционной массы, но увеличивает продолжительность тяги.
Затем уплотнение на сопле ракеты освобождается, и происходит быстрый выброс воды на высоких скоростях до тех пор, пока топливо не будет израсходовано и давление воздуха внутри ракеты не упадет до атмосферного давления. На ракете создается чистая сила в соответствии с третьим законом Ньютона . Таким образом, выброс воды может привести к тому, что ракета подпрыгнет на значительное расстояние в воздух.
Помимо аэродинамических соображений, высота и продолжительность полета зависят от объема воды, начального давления, размера сопла ракеты и незагруженного веса ракеты. Взаимосвязь между этими факторами сложна, и для изучения этих и других факторов было написано несколько симуляторов. [1] [2]
Часто сосуд под давлением изготавливают из одной или нескольких использованных пластиковых бутылок из-под безалкогольных напитков, но также используются крышки люминесцентных трубок из поликарбоната, пластиковые трубы и другие легкие, устойчивые к давлению цилиндрические сосуды.
- Последовательность изображений из высокоскоростного видео, показывающего взлет
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Элементы
Бутылка
одна из полиэтилентерефталата (ПЭТ) бутылка для газированных безалкогольных напитков Обычно в качестве сосуда под давлением служит . Ракеты из нескольких бутылок создаются путем соединения двух или более бутылок любым из нескольких способов; бутылки можно соединить через насадки, разрезав их и надвигая секции друг на друга, или соединив их отверстием вниз, образуя цепочку для увеличения объема . Это добавляет сложности, а увеличенный объем приводит к увеличению веса – но это должно компенсироваться увеличением продолжительности тяги ракеты .
Многоступенчатые ракеты гораздо сложнее. Они включают в себя две или более ракеты, поставленные друг на друга и предназначенные для запуска в воздухе, подобно многоступенчатым ракетам , которые используются для отправки полезных грузов в космос.
Газ
Используется несколько методов создания давления в водяной ракете, в том числе:
- Стандартный насос для шин велосипеда/автомобиля, способный развивать давление не менее 75 фунтов на квадратный дюйм (520 кПа).
- Давление воды выталкивает весь воздух из пустого водяного шланга в ракету. Давление такое же, как и в водопроводе.
- Воздушный компрессор, подобный тем, которые используются в мастерских для питания пневматического оборудования и инструментов. Модификация компрессора высокого давления (более 15 бар / 1500 кПа / 200 фунтов на квадратный дюйм) для работы в качестве источника энергии водяной ракеты может быть опасной, как и использование газов под высоким давлением из баллонов.
- Сжатые газы в баллонах, такие как углекислый газ (CO 2 ), воздух и газообразный азот (N 2 ). Примеры включают CO 2 в баллонах для пейнтбола и воздух в промышленных баллонах и баллонах для подводного плавания. С газами в баллонах необходимо соблюдать осторожность: по мере расширения сжатый газ охлаждается (см. газовые законы ), а вместе с ним охлаждаются и компоненты ракеты. Некоторые материалы, такие как ПВХ и АБС , при сильном охлаждении могут стать хрупкими и слабыми. Длинные воздушные шланги используются для поддержания безопасного расстояния, а манометры (известные как манометры ) и предохранительные клапаны обычно используются на пусковых установках, чтобы избежать чрезмерного повышения давления в ракетах и их взрыва до того, как их можно будет запустить. Газы под высоким давлением, например, находящиеся в водолазных баллонах или сосудах от поставщиков промышленных газов, должны использоваться только обученными операторами, а газ должен подаваться в ракету через регулирующее устройство (например, первую ступень подводного плавания). Все баллоны со сжатым газом подчиняются местным, государственным и национальным законам большинства стран и должны периодически проверяться на безопасность в сертифицированном испытательном центре.
- Сублимация углекислого газа из сухого льда. Сухой лед при сублимации увеличивается в объеме в 800 раз. Резиновую пробку №3 с силой вставляют в горлышко двухлитровой пластиковой бутылки, частично наполненной водой. Давление нарастает настолько, что пробка выдвигается.
- Возгорание смеси взрывоопасных газов над водой в бутылке; взрыв создает давление для запуска ракеты в воздух. [3]
Насадки
Сопла водяных ракет отличаются от обычных сопел ракет внутреннего сгорания тем, что они не имеют расширяющейся секции, как в сопле Де Лаваля . Поскольку вода по существу несжимаема, расширяющаяся секция не способствует повышению эффективности и фактически может ухудшить производительность.
Существует два основных класса сопел водяных ракет:
- Открытое отверстие, также иногда называемое «стандартным» или «полнопроходным», имеет внутренний диаметр ~ 22 мм, что соответствует стандартному отверстию горлышка бутылки с газировкой.
- Ограниченный , который меньше «стандартного». Популярная насадка ограниченного размера имеет внутренний диаметр 9 мм и известна как «насадка для сада», названная в честь обычного быстроразъемного разъема для садового шланга, из которого она изготовлена.
Размер сопла влияет на тягу ракеты. Сопла большего диаметра обеспечивают более быстрое ускорение с более короткой фазой тяги, а сопла меньшего диаметра обеспечивают более низкое ускорение с более длинной фазой тяги.
до
Когда уровень топлива в ракете снижается, центр масс сначала перемещается вниз, а затем, наконец, снова перемещается вверх, поскольку топливо израсходовано. Это начальное движение снижает устойчивость и может привести к тому, что водные ракеты начнут кувыркаться, что значительно снижает максимальную скорость и, следовательно, продолжительность планирования (время, в течение которого ракета летит под собственной инерцией).
Чтобы понизить центр давления и повысить устойчивость, можно добавить плавники или другие стабилизаторы , которые всегда смещают центр сопротивления назад, значительно позади центра масс. Стабилизаторы любого типа обычно размещаются рядом с задней частью бутылки, где находится центр массы. Увеличение устойчивости, которое дают хорошо спроектированные плавники, стоит дополнительного сопротивления и помогает максимально увеличить высоту, на которую поднимется ракета. [4]
Системы посадки
Стабилизирующие плавники заставляют ракету лететь носом вперед, что дает значительно более высокую скорость, но они также заставляют ее падать со значительно более высокой скоростью, чем если бы она упала на землю, и это может повредить ракету или кого-либо или что-то еще. он поражает при приземлении.
Некоторые водные ракеты имеют парашют или другую систему восстановления, помогающую предотвратить проблемы. Однако эти системы могут страдать от сбоев. Это часто учитывают при проектировании ракет. Резиновые бамперы , зоны деформации и методы безопасного запуска можно использовать, чтобы свести к минимуму ущерб или травмы, вызванные падающей ракетой.
Другая возможная система восстановления включает в себя простое использование плавников ракеты для замедления ее спуска и иногда называется скольжением назад . За счет увеличения размера плавника создается большее сопротивление. Если центр масс окажется впереди килей, ракета упадет на нос. В случае ракет Super-Roc или ракет с обратным планированием ракета спроектирована таким образом, что соотношение между центром тяжести и центром давления пустой ракеты приводит к противодействию вызванной оперением тенденции ракеты опрокинуть нос вниз. из-за сопротивления воздуха длинного тела, которое заставило бы его упасть хвостом вниз, в результате чего ракета медленно упала вбок. [5]
Пусковые трубы
В некоторых установках для запуска водных ракет используются пусковые трубы. Пусковая труба помещается внутри сопла ракеты и простирается вверх к носу. Пусковая труба прикреплена к земле. Когда ракета начинает ускоряться вверх, пусковая труба блокирует сопло, и до тех пор, пока ракета не покинет пусковую трубу, выбрасывается очень мало воды. Это позволяет практически идеально эффективно преобразовывать потенциальную энергию сжатого воздуха в кинетическую энергию и потенциальную гравитационную энергию ракеты и воды. Высокая эффективность на начальном этапе запуска важна, поскольку ракетные двигатели наименее эффективны на малых скоростях. Таким образом, пусковая труба значительно увеличивает скорость и высоту, достигаемую ракетой. Пусковые трубы наиболее эффективны при использовании с длинными ракетами, на которых можно разместить длинные пусковые трубы.
Соревнования
Ассоциация мировых рекордов достижений в области водных ракет [6] - это всемирная ассоциация, которая проводит соревнования по установлению рекордов высоты с использованием одноступенчатых и многоступенчатых водяных ракет, соревнования по продолжительности полета, а также соревнования по скорости или дистанции для автомобилей с водными ракетными двигателями.
Проводится множество местных соревнований различного рода, в том числе:
- В Шотландии Оскар Свигельхоффер Трофи - это соревнование по водным реактивным двигателям (водяным ракетам), проводимое в рамках ежегодной Международной недели ракет. [7] в Ларгсе или неподалеку от Пейсли , организованный STAAR Research. [8] через Джона Бонсора. Соревнования начались в середине 1980-х годов и были организованы командой Paisley Rocketeers, которая занимается любительской ракетной техникой с 1930-х годов. Трофей назван в честь покойного основателя ASTRA. [9] Оскар Свиглехоффер, который также был личным другом и учеником Германа Оберта , одного из отцов-основателей ракетной техники. В соревнованиях участвуют командные дальние полеты водных ракет под согласованным давлением и углом полета. Каждая команда состоит из шести ракет, которые запускаются в два полета. Записывается большее расстояние для каждой ракеты за два полета, и окончательные командные расстояния сопоставляются, при этом команда-победитель имеет наибольшее расстояние. Победителем 2007 года стала компания ASTRA.
- В Соединенном Королевстве крупнейшим соревнованием по водяным ракетам в настоящее время является Национальной физической лабораторией . ежегодный конкурс Water Rocket Challenge, проводимый [10] [11] Соревнование было впервые открыто для публики в 2001 году и в нем принимают участие около 60 команд. В нем есть школы и открытые категории, в нем принимают участие разнообразные «работы» и частные команды, некоторые из которых приезжают из-за границы. Правила и цели конкурса из года в год меняются.
- В Германии старейшими и самыми популярными соревнованиями по водным ракетам являются соревнования по фристайлу и физике. [12] ( [13] ) Соревнования являются частью большей части студенческих соревнований по физике, где учащимся предлагается сконструировать различные машины и принять участие в конкурсных соревнованиях.
- В Соединенных Штатах на научной олимпиаде также проводятся соревнования по водным ракетам для участников младшего школьного возраста. [14]
- (SITT) проводятся соревнования по водным ракетам В Пакистане каждый год в рамках Всемирной недели космоса Институтом технической подготовки Супарко , в которых принимают участие различные школы со всего Пакистана. [15]
- В Украине прошли соревнования по водным ракетам [16] проводится ежегодно в Центре инновационных технологий в образовании [17] (ЦИТИРОВАТЬ). и принимают участие школы со всей Украины. Конструкция ракет стандартизирована. [18] Конкурс пропагандирует селективный сбор твердых сухих отходов в школах. [19]
- В России Водяная Ракета. [20]
Мировые рекорды
по Мировой рекорд Гиннеса запуску большинства водяных ракет принадлежит Королевскому колледжу Коломбо , когда 10 ноября 2017 года они запустили 1950 из них одновременно. [21]
Рекорд Книги Гиннеса по самой большой водной ракете высотой 7,72 метра (25,3 фута) и диаметром 72,5 сантиметра (28,5 дюйма) принадлежит НПО Сёва Гакуэн (Япония). Он был представлен, измерен и запущен 2 июня 2022 года в Тайки, Хоккайдо , Япония. [22] Предыдущим рекордсменом была Национальная физическая лаборатория (Великобритания) с водяной ракетой высотой 3,40 метра (11,2 фута) и диаметром 40 сантиметров (16 дюймов). Он был представлен, измерен и запущен 15 июня 2011 года. [23] [10]
Текущий рекорд наибольшей высоты, достигнутой ракетой с водным и воздушным двигателем, составляет 2723 фута (830 метров). [24] проводимый Университетом Кейптауна , [25] достигнут 26 августа 2015 года, превысив предыдущий рекорд 2007 года в 2044 фута (623 метра), установленный компанией US Water Rockets. [26] Ракета также несла в качестве полезной нагрузки видеокамеру в рамках проверки, требуемой правилами соревнований. [27]
Ракеты с горячей водой
Паровая ракета , или «ракета с горячей водой», представляет собой ракету, в которой используется вода, находящаяся в сосуде под давлением при высокой температуре, и которая создает тягу за счет того, что она высвобождается в виде пара через сопло ракеты. [28]
См. также
Библиография
- Д. Каган, Л. Бухгольц, Л. Кляйн, Ракеты с водой из бутылок с газировкой, Учитель физики 33, 150-157 (1995)
- Си Джей Гоммес, Более тщательный анализ водяных ракет: влажные адиабаты, переходные потоки и силы инерции в бутылке из-под газировки , American Journal of Physics 78, 236 (2010).
- А.Романелли, И.Бове, Ф.Гонсалес, Расширение воздуха в водной ракете , Американский журнал физики 81, 762 (2013)
Ссылки
- ^ «Компьютерная модель водяной ракеты» . НАСА.gov . НАСА . Архивировано из оригинала 7 февраля 2006 г.
- ↑ Sim Water Rocket. Архивировано 28 июля 2013 г. в Wayback Machine со стола Дина.
- ^ «Стол Дина: водная ракета с водородным двигателем» . Эт.бю.еду. 07.09.2000. Архивировано из оригинала 25 июня 2014 г. Проверено 08 апреля 2019 г.
- ^ «Ракетная стабильность» . explore.grc.nasa.gov . Архивировано из оригинала 12 мая 2006 года . Проверено 14 января 2022 г.
- ^ "Super Roc Rocket Gliders". Архивировано 10 марта 2016 г. в Wayback Machine , 2002, LUNAR.org.
- ^ «Ассоциация мировых рекордов достижений в области водных ракет» . Wra2.org. Архивировано из оригинала 28 апреля 2019 г. Проверено 08 апреля 2019 г.
- ^ «Ежегодная международная ракетная неделя» . Irw.rocketry.org.uk. Архивировано из оригинала 01 апреля 2019 г. Проверено 08 апреля 2019 г.
- ^ «СТААР Исследования» . gbnet.net . Архивировано из оригинала 6 июня 2007 г. Проверено 14 июня 2007 г.
- ^ «АСТРА» . АСТРА. Архивировано из оригинала 05.11.2018 . Проверено 08 апреля 2019 г.
- ^ Jump up to: а б «Водяные ракеты» . Сайт НПЛ . Архивировано из оригинала 17 января 2021 г. Проверено 30 января 2023 г.
- ^ «Плейлист» . YouTube.com. 16 июня 2008 г. Проверено 08 апреля 2019 г. [ мертвая ссылка на YouTube ]
- ^ «Соревнования по фристайлу и физике на водных ракетах» . Fkpme246a.uni-duisburg.de. Архивировано из оригинала 4 марта 2016 г. Проверено 08 апреля 2019 г.
- ^ «Ранглисте Вассерракетен» . Fkpme246a.uni-duisburg.de. 21 июня 2011 г. Архивировано из оригинала 31 июля 2017 г. Проверено 08 апреля 2019 г.
- ^ «Образец мероприятий K-6 | Научная олимпиада» . Soinc.org. Архивировано из оригинала 02 августа 2016 г. Проверено 08 апреля 2019 г.
- ^ «Ютуб» . Ютуб . Проверено 08 апреля 2019 г. [ мертвая ссылка на YouTube ]
- ^ Олександр, Загоруико. "Фестиваль "Эко-техно-Патрио" E" . ueeu.in.ua. Archived из original на 2015-10-03 . Retrieved 2015-09-21 .
- ^ Александр, Загоруйко. "Центр инновационных технологий образования" . ueeu.in.ua. Archived from the original on 2014-09-26 . Retrieved 2015-09-20 .
- ^ Александр, Загоруйко. "Делаем ракеты, вооруженного робота и лес Эко-деревьев" . ueeu.in.ua. Archived from the original on 2016-09-26 . Retrieved 2015-09-21 .
- ^ Александр, Загоруйко. "Программа "ТЕРРИТОРИЯ ИННОВАЦИЙ" " . ueeu.in.ua. Archived из original на 2015-11-26 . Retrieved 2015-09-21 .
- ^ [1] Archived 2016-03-09 at the Wayback Machine >Юные техники
- ^ «Большинство водных ракет запускались одновременно» . Книги рекордов Гиннесса. Архивировано из оригинала 6 июня 2014 г. Проверено 1 июня 2014 г.
- ^ «Самая большая водная ракета» . Книги рекордов Гиннесса .
- ^ «Это ракетостроение, поскольку в соревновании НПЛ по водным ракетам принимают участие 600 команд» . Производитель . Проверено 26 июня 2024 г.
- ^ «Официально утвержденные мировые рекорды водяных ракет» . Ассоциация мировых рекордов достижений в области водных ракет. Архивировано из оригинала 12 июня 2017 г. Проверено 31 июля 2017 г.
- ^ «Команда UCT побила мировой ракетный рекорд» . Технический центр. 9 октября 2015 года. Архивировано из оригинала 11 октября 2015 года . Проверено 9 октября 2015 г.
- ^ «US Water Rockets становится первой командой, преодолевшей рубежи в 2000 футов и 600 метров и установившей при этом новый мировой рекорд высоты» . Водяные ракеты США. 14 июня 2007 г. Архивировано из оригинала 1 августа 2017 г. . Проверено 31 июля 2017 г.
- ^ «Правила соревнований класса А (один этап)» . Ассоциация мировых рекордов достижений в области водных ракет. Архивировано из оригинала 7 января 2014 г. Проверено 28 февраля 2011 г.
- ^ Хуан Мануэль Лосано Гальегос. «паровые ракеты» . текаромекс. Архивировано из оригинала 24 ноября 2019 г. Проверено 08 апреля 2019 г.
Внешние ссылки
- Ассоциация мировых рекордов водных ракет - международная ассоциация, занимающаяся строительством и безопасной эксплуатацией водяных ракет, а также руководящий орган для всех мировых рекордов водных ракет.
- Сверхзамедленное видео старта водной ракеты
- WHOOSH — программа для расчета характеристик водяных ракет, разработанная Ричардом Накка.