Zdobycie amatorską rakietą pułapu 10km wydawać się może prostym zadaniem, w końcu taką wysokość osiągają samoloty pasażerskie nie mówiąc o rakietach wojskowych czy kosmicznych. Każdy kto zbudował kiedyś model rakiety wie jednak, że to zadanie niełatwe, ale możliwe do wykonania.
Jedna z amerykańskich udanych prób osiągnięcia pułapu 10km na amatorskim silniku rakietowym pokazuje, że niezbędna ilość paliwa karmelkowego (o składzie KN - azotan potasu czyli utleniacz, plus SU - cukier czyli paliwo i lepiszcze) to około 30 kg. Dodajmy drugie tyle na korpus silnika i jeszcze kilka kilogramów na samą rakietę a otrzymamy bardzo ciężką i wielką konstrukcję która musi pokonać "barierę" dźwięku.
Zjawiska występujące przy przekraczaniu prędkości dźwięku wymagają bardzo mocnej konstrukcji korpusu rakiety. W internecie można znaleźć filmy z lotu amatorskich rakiet którym w takich warunkach odpadły stateczniki i lot zakończył się katastrofą.
Jak więc wykonać model który przy niewielkiej masie, na prędkości poddźwiękowej "wdrapie" się na 10 km ?
Według symulacji tylko lot rakietą dwustopniową jest w stanie ograniczyć ilość niezbędnego paliwa a tym samym masę całej rakiety.
Gdy zadbamy o małą średnicę rakiety (np. 60mm), niską masę korpusu (np. aby korpusy silników stanowiły jednocześnie korpus rakiety) i dobierzemy optymalnie czas zwłoki w zadziałaniu silnika marszowego, możemy zbudować konstrukcję która gotowa do startu nie przekroczy masą całkowitą 10kg.
Największą trudnością jest jednak spełnienie warunku lotu poddźwiękowego - w takim przypadku czas pracy silnika marszowego powinien wynosić ponad 20s a ciąg około 10kG.
Wg tej koncepcji silnik startowy powinien w krótkim czasie (kilka sekund) rozpędzić zestaw rakietowy do prędkości około 1000km/h. Następnie po ustaniu ciągu nastąpi rozdzielenie członów a specjalny układ z timerem zacznie odliczać czas do zapłonu silnika drugiego stopnia. Czas zwłoki dobrany ma być tak aby ciąg silnika marszowego zrównoważył opór powietrza w tym momencie lotu. Ponieważ gęstość powietrza w locie pionowym stale maleje, założony silnik powinien mieć charakterystykę degresywną i powinien zakończyć pracę zanim doszłoby do przekroczenia "bariery" dźwięku.
Zbudowanie amatorskiego silnika marszowego na paliwo stałe o tak długim czasie pracy jest bardzo trudnym zadaniem ze względów technicznych i nie leży w tej chwili w zakresie naszych możliwości.
Na wykresie pokazano symulację z silnikiem marszowym o czasie pracy 12s. W tej sytuacji pod koniec pracy silnika marszowego rakieta poruszałaby się z prędkością 1,4 Ma.
Widać zatem że każda z koncepcji lotu na 10km niesie ze sobą wiele trudności i jest trudna do zrealizowania.
Sinik startowy
W listopadzie 2007 r. eksperymenty z najpopularniejszym amatorskim paliwem rakietowym - karmelkiem, pozwoliły zbudować udany silnik w klasie K. Silnik zawierał 1,2 kg paliwa w składzie 64KN 36SU i spalił się zgodnie z projektem w czasie 1,3 s. Do projektowania silnika użyliśmy znanego pliku SRM.xls autorstwa Richarda Nakki.
Planowany docelowy silnik startowy zawierający 1,5kg lub 1,8kg (masa bloku 300g) karmelka nie powiódł się z powodu trudności z izolacją termiczną i wytrzymałością korpusu aluminiowego. Dalsze testy z paliwem karmelkowym porzuciliśmy na rzecz paliw żywicznych które w odróżnieniu są całkowicie odporne na wilgoć i znacznie efektowniejsze.
W styczniu 2008 r. w tym samym korpusie aluminiowym (średnica zew. 60mm, grubość ścianki 2mm, stop PA38) udało się skonstruować silnik z paliwem żywicznym ZPP. Silnik zawierał 1,2 kg paliwa w składzie 68KN 16Mg 16Żywica epoksydowa. Ponieważ ten rodzaj paliwa posiada kilkukrotnie dłuższy czas spalania od karmelka (przy nieco większym impulsie właściwym) - podczas pracy silnika nie mamy do czynienia ze zbyt dużymi ciśnieniami. Z tego względu zaizolowany termicznie tekturową tubą do dokumentów korpus aluminiowy spisywał się świetnie. Niestety okazało się, że dysze stalowe ulegają erozji i charakterystyka pracy jest niezadowalająca. Testowaliśmy kilka materiałów do zabezpieczania przekroju krytycznego, takich jak: stal szybkotnąca, stal nierdzewna, porcelana, grafit, jednak w każdym przypadku następowała jeszcze większa erozja niż w przypadku litej dyszy stalowej. Pierwotnie sądziliśmy, że niszczenie dysz następuje z powodu "gruboziarnistości" używanego jako paliwo magnezu i wysokiej temperatury gazów wylotowych. Jak się później okazało winny okazał się zbyt wysoki bilans tlenowy paliwa.
Niezbyt udane okazały się także próby z paliwem żywicznym typu KNOSAL w którym zamiast magnezu stosuje się aluminium z dodatkiem siarki. Zastąpiliśmy więc gruboziarnisty magnez, aluminiowym pyłem malarskim. Z powodu 7% zawartości siarki w składzie, paliwo okazało się bardzo wrażliwe na zmiany ciśnienia i po kilku CATO małych silników testowych nie próbowaliśmy nawet budować większej jednostki. Większy silnik w klasie J (na zdjęciu) udało się zbudować w marcu 2008 r. gdy zastąpiliśmy pył grubszym proszkiem aluminiowym, a zawartość siarki zmniejszyliśmy do 3%. Niestety dla paliwa w składzie 68KN 12AL 3S 2C 15Żywica epoksydowa powrócił efekt niszczenia dyszy stalowej a narowisty charakter paliwa nie zmienił się. Dlatego uważamy że paliwo KNOSAL nie nadaje się do budowania dużych silników.
W kwietniu 2008 r. sięgnęliśmy po paliwo wysokoenergetyczne. Podobnie jak przy poprzednich paliwach wykonaliśmy kilkanaście prób z różnymi składami i zaciskami. Efektem tych prac był udany silnik w klasie K z paliwem opartym na azotanie amonu, a właściwie na saletrze amonowej czyli najtańszym nawozie sztucznym. Paliwo naszej kompozycji nazwaliśmy ANAPAL od jego głównych składników czyli AN - azotan amonu, AP - nadchloran amonu, Al - aluminium. Paliwo jest obiecujące, w dużym zakresie ciśnień zachowuje się stabilnie, posiada wysoki impuls właściwy, na wolnym powietrzu jest trudno zapalne, a po ewentualnym CATO silnika natychmiast gaśnie. Mimo olbrzymiej higroskopijności głównego utleniacza, po jego wysuszeniu i zbindowaniu lepiszczem poliuretanowym gotowe bloki paliwa są znacznie bardziej odporne na wilgoć. Zgodnie z symulacją na początku artykułu, mamy zamiar wykonać silnik w klasie L (1,8 kg paliwa) dla stopnia startowego rakiety i silnik w klasie K (1,2 kg paliwa) dla stopnia marszowego. Przy utrzymaniu podanych średnic korpusów rakiety, osiągniecie pułapu 10km jest możliwe na 3 kg paliwa ANAPAL.
Dopiero w grudniu 2008 r. po kolejnych kilkunastu próbach z paliwem ANAPAL, dzięki zastosowaniu pomiaru ciśnienia w komorze silnika, zdołaliśmy skonstruować silnik w klasie K zawierający 1 kg paliwa. Wprawdzie wystąpił drobny defekt uszczelnienia przy zatyczce, jednak udało się zmierzyć ciśnienie, które oscylowało w okolicy 4 MPa. Przebieg ciśnienia był zdecydowanie płaski co zachęciło nas do wypróbowania silnika w locie. W ostatnim dniu 2008 r. ulepszony silnik identycznej konstrukcji wyniósł rakietę Strieła8 na wysokość przekraczającą 2 km! Obszerny materiał zdjęciowy z tej próby znajduje się w GALERII.
Strieła miała średnicę 102 mm. Gdyby silnik ten napędzał rakietę o tej samej masie startowej lecz o średnicy 60 mm - przekroczylibyśmy barierę dźwięku i wysokość 4km!
Dla zwiększenia osiągów, planujemy skonstruować silnik pracujący przy ciśnieniu około 10 MPa. Pozwoli to prawdopodobnie uzyskać ponad 190 s impulsu właściwego paliwa.
W lutym 2009 r. powstał silnik startowy zawierający 1,3 kg paliwa ANAPAL11. W silniku zmodyfikowano dyszę, mocowanie dyszy oraz izolację termiczną. Dzięki wprowadzonym zmianom uzyskaliśmy doskonałość konstrukcyjną 58 / 42. Z powodu nadmiernego zawężenia dyszy nagarem zacisk silnika z początkowych 400 zwiększył się do 520 co poskutkowało wzrostem ciśnienia w korpusie do 250 atm. Jest to praktycznie kres możliwości korpusu tego silnika. W takich warunkach uzyskany impuls właściwy paliwa przekracza 200 s jednak charakterystyka pracy jest mocno progresywna.
W marcu 2009 przedstawiony silnik po drobnych modyfikacjach napędził rakietę RTP1, która uzyskała pułap 2800m i rozpędziła się do 320m/s. Pomimo zmniejszenia zacisku początkowego do 280 charakter pracy silnika nie zmienił się. Dalsze prace nad paliwem ANAPAL polegały na próbach "uspokojenia" spalania i obniżeniu ciśnienia w komorze silnika do około 60 atm tak, aby dało się je stosować w silnikach aluminiowych.
W czerwcu 2009 r. udało się opanować 2,1 kg paliwa ANAPAL. Zmniejszono uziarnienie składników oraz zwiększono udział lepiszcza poliuretanowego. Dzięki tym zabiegom ciśnienie przy zacisku 320 nie przekroczyło 50 atm. W takich warunkach pracy przy stopniu rozprężania dyszy wynoszącym zaledwie 4, impuls właściwy paliwa wyniósł 180s a silnik z impulsem całkowitym 3740 Ns wkroczył w klasę L. Gotowy pusty silnik wykonany ze stali nierdzewnej czekał od roku na swoją kolej. Średnica silnika to 65 mm a grubość ścianki 1,5 mm. Nie udało się uzyskać doskonałości konstrukcyjnej 50/50, choć niewiele zabrakło.
We wrześniu 2009 odtworzony silnik napędził rakietę RTP2, która po osiągnięciu prędkości 343m/s rozpadła się próbując przebić "barierę dźwięku". Pomiary przyspieszenia w osi rakiety pokazały że silnik pracował zgodnie z założeniami.
Ponieważ nie udało się wyeliminować efektu obrastania dysz nagarem podczas pracy z paliwem ANAPAL prace nad tą kompozycją przestały być kontynuowane. Obecnie testowane są paliwa wysokoenergetyczne na bazie magnezu i azotanu amonu (WICKMAN) a także z dodatkiem nadchloranu amonu (APAN).
Trwają prace konstrukcyjne nad silnikami z rur aluminiowych. Powstaje bardzo lekki uniwersalny silnik w klasie J do napędu dużych rakiet modelarskich (korpus 60 x 1,2 mm) mogący pomieścić 700g paliwa. Powstaje także silnik w klasie L z wbudowanymi statecznikami do napędu rakiety naddźwiękowej (korpus 60 x 2 mm) który pomieści 1,5kg paliwa HP. Ostatnim projektem w toku jest silnik w klasie M do rakiety jednostopniowej mogącej uzyskać pułap 10km (korpus 75 x 2 mm) który pomieści ponad 5kg paliwa HP.
Sinik marszowy
Korpus rakiety
Głowica rakiety
Stateczniki
Układy odzysku
Układy namierzania
Rejestrator parametrów lotu
Kamera pokładowa
Rocket Team Poland | Design by robercik !