Инновационные проекты, исследовательская деятельность техническое моделирование
Ростовский областной центр технического творчества учащихся

Пусковые установки для воздушно-гидравлических ракет

Имеется множество различных конструкций, технических решений и тому подобного. Но, несмотря на это, разные пусковые установки имеют общие компоненты, выполняющие одинаковые функции. В этой статье описываются эти компоненты с приведением примеров различных конструкций.
Конструируя пусковую установку, помните об основном условии – безопасность превыше всего! Необходимо, чтобы все компоненты установки выдерживали стартовое давление. И помните, что всегда лучше перебдеть чем недобдеть.)))

На нижеприведенной схеме даны основные составляющие пусковой установки.

Содержание

Составные части

Источник давления
       Ручной/ножной насос
       Компрессор
       Баллон со сжатым воздухом
Манометр
Шланг подачи воздуха
Подключение шланга подачи воздуха
Обратный клапан
Основание
Пусковое устройство
       Пробка
       Кабельные хомуты (нейлоновые стяжки)
       Шланговый соединитель Гардена
       Поворотный болт
       Вытяжная чека
       Внутренний стопор
       Пузырьковое
Уплотнения и кольцевые уплотнители
Клапан аварийного сброса давления
Спусковой механизм
       Спусковой шнур
       Гидро/пневмо привод
       Электромагнитный привод (соленоид)
       Сервопривод
Разгонная трубка
Направляющие
       Направляющий рельс
       Направляющий стержень
       Внешние опоры
       Разгонная трубка в качестве направляющей

Прочие условия                                                

Устойчивость
Мобильность
Материалы
Охлаждение воздуха
Испытания
Заправка водой
Советы по использованию
Примеры

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Источник давления

Так как наши ракеты летают, используя энергию сжатого воздуха, то естественно, необходим его источник. Конструируя пусковую установку целесообразно предусмотреть возможность подключения различных вариантов источников давления. Они могут быть разными, но можно выделить три основных группы.

  Ручной/ножной насос – Самый простой и недорогой вариант. Для подключения шланг подачи воздуха должен быть снабжен соответствующим клапаном. Подобные насосы могут обеспечить давление в 6-8 атм.
 air compressor   Компрессор – требует наличие источника электропитания. Может подать давление 10-15 атм. Могут перегреваться от долгой работы (смотрите инструкцию по эксплуатации). Из личного опыта: хорошо себя зарекомендовали автокомпрессоры серии «Беркут» модели R17 и R20. Вообще совет: при использовании автокомпрессора выбирайте модель не со штекером для подключения прикуривателя, а с зажимными контактами типа «крокодил» для подключения напрямую к аккумулятору.
 scuba tank   Баллон со сжатым воздухом – самый дорогой вариант, но единственный, позволяющий использовать другие газы помимо атмосферного воздуха. Кроме того, подобные баллоны могут подавать большее давление по сравнению с насосами и компрессорами. В зависимости от объема ракеты и баллона можно произвести от 10 до 100 стартов. Могут использоваться баллоны аквалангов, ёмкости для хранения азота и углекислого газа.
Особое внимание:
- использовать только сертифицированные баллоны, прошедшие проверку;
- соблюдать осторожность при хранении и транспортировке, т.к. давление в баллоне достигает 200 атм.;
- НИКОГДА НЕ ИСПОЛЬЗОВАТЬ при заправке ракеты горючие газы по соображениям безопасности.

 Манометр

manometr

Для контроля за внутренним давлением в ракете необходим манометр, подключенный к линии подачи воздуха. Кроме того, этот прибор полезен при проверке ракеты и составляющих пусковой на герметичность. При выборе места установки манометра лучше всего располагать его вдали от пусковой ближе к источнику подачи давления. Таким образом, вы сможете контролировать состояние ракеты, не приближаясь к ней, когда она под давлением. Соответственно, диапазон давления, измеряемого манометром должен охватывать необходимые для запуска ракеты. Как правило, достаточным диапазоном будет 0 – 14 атм.

Зачастую, манометром комплектуются насосы, компрессоры, редукторы баллонов и нет необходимости в установке дополнительного манометра.

 Шланг подачи воздуха
air hose

Шланг и разъемы должны быть рассчитаны на давление запуска. Кроме того, длина шланга должна быть достаточной для нахождения от стартовой на безопасном расстоянии (для давления в 8-9 атм. минимум 10 метров). Чем меньше внутренний диаметр шланга, тем лучше, так как не расходуется энергия на создание давления в большем объеме шланга.

Если вы проводите старты на давлениях в 7 атм., то подойдет обычный садовый шланг.

 Подключение шланга подачи воздуха
air connect

Позволяет отсоединить шланг от стартового стола и источника подачи давления. Это удобно для транспортировки пусковой установки. Очень удобно использовать быстроразъемные соединения типа «рапид», а также байонеты. Продаются в магазинах компрессорного оборудования либо интернет-магазинах.

 

 

 

 Обратный клапан
Необходим для предотвращения вытекания воды из ракеты в шланг подачи воздуха. В магистрали подачи воздуха располагается как можно ближе к ракете.
Если в пусковой установке используется разгонная трубка, срез которой выше уровня воды в ракете, то можно обойтись без обратного клапана.

 Основание (стартовый стол)
Является основой для присоединения всех компонентов пусковой установки. Конструируется с таким расчетом чтобы обеспечить устойчивость комплекса во время порывов ветра, использования спускового шнура.
Примеры конструкций стартового стола:

из сантехнических труб ПВХ

PVC launcher mini

из фанеры

plywood launch mini

 Пусковое устройство
Наиболее важная часть пусковой установки, отвечающая за удержание ракеты в стартовом положении при подаче давления до его доведения до расчётного значения. Можно выделить следующие конструкции:

 Пробка

Изготавливается из пробкового дерева или резины. Туго вставляется в сопло (горлышко бутылки). Ракета удерживается на старте за счет силы трения между пробкой и соплом. Как только сила давления превышает силу трения происходит старт ракеты. Устройство просто в изготовлении. Минусы конструкции: трудно определить момент запуска. Пригодны только на небольших давлениях. Может использоваться в комбинации с другими пусковыми устройствами, такими как кабельные стяжки, поворотный болт, вытяжная чека.
Ссылки на примеры:

- Изготовление пусковой из резиновой пробки: http://users.hubwest.com/gordo/schoolrockets.html

- Пусковая из пробки в комбинации с боковым удержанием: http://www.h2o-rockets.com/OtherLaunchers-v02.html

 

cork mini 

 

 

 Кабельные хомуты (нейлоновые стяжки)

Очень популярны среди водоракетчиков. Принцип работы: кольцо-фиксатор удерживает венчик из стяжек, которые, в свою очередь удерживают бутылку за выступ на горлышке. После сдергивания кольца вниз, венчик раскрывается и разблокирует горлышко бутылки.
На австралийском сайте есть мнение, что идея использования этих стяжек принадлежит австралийцу Яну Кларку (Ian Clark) и подобная конструкция названа его именем – пусковая Кларка.
В Сети доступно большое количество примеров использования подобной конструкции:

- http://cullytechnologies.com/demo/h2orockets/launcher_clarkcable.php

- http://polyplex.org/rockets/launcher/cable2.htm

- http://www.et.byu.edu/~wheeler/benchtop/clark.php

- http://users.hubwest.com/gordo/waterrocket.html

- http://homepage.ntlworld.com/telescope/Rocketweb/Launcher.htm

 

clarks mini
 Шланговый соединитель Гардена

Еще одна наиболее популярная у водоракетчиков конструкция – садовый быстроразъемный коннектор Гардена. Одновременно используется в качестве сопла и в качестве пускового устройства. Изготавливается из пластика. Но есть и металлические (латунные), они более дорогие, но и более надёжные. Типовые размеры сопла – 9 и 15 мм.

Примеры использования конструкции:

- http://fuseao.wordpress.com/bricolage-les-explications/la-base-de-lancement/

- http://www.aircommandrockets.com/construction_4.htm

- http://users.skynet.be/willaert/WR/gardena/gardena.htm

- http://www.mb-water-rockets.bplaced.de/launchpad.htm

- http://www.mikesheppard.net/rocket/

 

gardena mini

 Поворотный болт

Устанавливается на основу вертикально с таким расчетом, чтобы головка болта удерживала бутылку за выступ горлышка. Часть головки болта удалена. При повороте болта сточенная часть головки освобождает выступ горлышка.

Пример:

- http://pagesperso-orange.fr/alain.juge/English/launcher.htm

tw bolt mini

 Вытяжная чека

Принцип действия похож на поворотный болт, но бутылка удерживается с двух сторон (или с одной стороны) чекой из прочной проволоки (гвоздя). Чтобы запустить ракету достаточно выдернуть чеку.
Примеры конструкций:

- http://www.martinet.nl/articles/20050101

pull wire mini

 Внутренний стопор

Не распространенная конструкция. В качестве стопоров используются шарики от подшипника, фиксируемые пистоном. Подробно на описании этой конструкции останавливаться не будем. Приводим её только как один из вариантов.

internal grip mini

 Пузырьковое

Эта пусковая установка разработана группой исследователей из Канады AntiGravity Research Corporation, которые помимо исследований реализуют свою продукцию (различные модели водяных ракет).
Описание пусковой в документе .pdf
Механизм пусковой очень простой: на конце шланга подачи воздуха установлена пипетка из прочного эластичного материала с маленьким отверстием. Пипетка вставляется в сопло ракеты и при подаче давления раздувается. Получившийся воздушный шарик (пузырь) удерживает ракету на старте. После прекращения подачи воздуха, давление в шланге и в ракете выравнивается, пузырь сдувается и ракета взлетает. Подобная система подходит для ракет небольшого размера, так как сопло маленькое. После начала подачи давления отмена запуска невозможна.

 

bulb mini

 Уплотнения и кольцевые уплотнители
Используются для предотвращения утечки воды и воздуха из ракеты при подаче давления. Достаточно широкий выбор в магазинах сантехники.

 Клапан аварийного сброса давления
Добавление этого элемента в конструкцию пусковой установки не является обязательным, но в ряде случаев может помочь безопасно прервать запуск в то время когда ракета уже находится под давлением. Располагается между обратным клапаном и ракетой. Конструкция должна позволять сбросить давление, не приближаясь к ракете.
Примеры:
●    http://www.aircommandrockets.com/construction_4.htm#AbortValve
●    http://www.mb-water-rockets.bplaced.de/launchpad.htm

 Спусковой механизм
Это механизм, работа которого позволяет фактически начать запуск ракеты. Спусковой механизм соединен с пусковым устройством и освобождает узел блокировки ракеты на старте.

pull string  Спусковой шнур
Самый распространенный, простой и дешевый способ. Если для освобождения узла блокировки требуется значительное усилие, то целесообразно использовать систему рычагов, чтобы не опрокинуть стартовый стол.
pneumatic  Гидро/пневмо привод
Усилие гидро или пневмо поршня можно использовать для разблокировки механизма удержания ракеты. Системы не распространены из-за сложности и дополнительных затрат.
solenoid  Электромагнитный привод (соленоид)
То же что у предыдущего привода, только вместо гидро/пневмо поршня используется электромагнитный привод. Также не имеют широкого распространения из-за необходимости отдельного источника питания. При конструировании подобных механизмов используйте только низкие напряжения и хорошо продумывайте влагозащищенность механизмов и источника питания.
servo  Сервопривод
По сравнению с электромагнитным приводом имеют то преимущество, что не требуют достаточно емких источников питания. Крое того, при подключении сервопривода к приемнику радиосигнала можно управлять его работой по радиоканалу с помощью пульта дистанционного управления (от радиоуправляемых моделей).

 Разгонная трубка
Использование разгонной трубки увеличивает высоту подъема ракеты. Длина трубки должна быть максимальной насколько позволяет размер ракеты. Диаметр – чуть меньше диаметра сопла. Это сведет к минимуму потери воды до схода ракеты с разгонной трубки. Целесообразно делать разгонные трубки съемными, различной длины и диаметра. Это позволить проводить старты ракет разных размеров.

 Направляющие
Играют важную роль в направлении полета ракеты, особенно, на начальной фазе полета до набора необходимой скорости. Существуют различные типы:

guide rail mini  Направляющий рельс
Подходит для больших ракет. На корпусе ракеты монтируются кнопки, которые скользят в пазах направляющей.
Пример:
●    http://www.aircommandrockets.com/images/day56/Guide_rail_detail.png
guide rod mini  Направляющий стержень
Как правило, это круглый стальной стержень, прочно укрепленный на стартовом столе. На корпусе ракеты крепятся направляющие кольца (трубки). Такие направляющие широко распространены в ракетомоделизме. Подходят для ракет небольших размеров.
tower mini  Внешние опоры
Состоит из 3-4 внешних направляющих, равномерно располагающихся вокруг ракеты. В этом случае на корпусе ракеты никаких дополнительных направляющих не монтируется, что снижает вес и уменьшает лобовое сопротивление. При выборе такой конструкции продумайте вариант изменения расстояний между направляющими чтобы была возможность запускать ракеты разного диаметра.
Примеры:
●    http://www.aircommandrockets.com/images/day24/Day24_01_s.JPG
●    http://www.towerlauncher.com/
●    http://waterrocket.rubenlaan.nl/page12/page12.html
guide tube mini  Разгонная трубка в качестве направляющей
Для некоторых ракет разгонная трубка может использоваться в качестве направляющей. Необходимо учитывать, что при наличии большой ракеты на стартовом столе без дополнительных внешних направляющих сильный ветер может повредить разгонную трубку.
Примеры:
●    http://www.aircommandrockets.com/images/day71/Day71_14_s.jpg
●    http://www.aircommandrockets.com/images/day71/Day71_12_s.jpg

 Устойчивость
Установка должна иметь прочную основу, надежно установленную на земле. Иначе возможно ее падение при порыве ветра или натяжении спускового шнура. Устойчивость достигается либо использованием широкого и достаточно тяжелого основания либо путем закрепления к земле. А лучше – и то и другое…

 Мобильность (портативность)
Установка должна быть легко транспортируемой. Лучше всего – легко разборной и сборной.

 Материалы
Основное требование – влагостойкость основных элементов пусковой. Как общий совет – используйте материалы, которые могут выдержать типичные уличные условия.

 Охлаждение воздуха
Данный вопрос актуален при использовании насосов и компрессоров так как воздух при сжатии достаточно сильно нагревается. В свою очередь горячий воздух нагревает корпус ракеты, изготовленный из ПЭТ пластика. Это может привести к разрушению корпуса даже при относительно небольших давлениях в 7-8 атм. Особенно это характерно для жарких регионов и в теплые дни. В качестве охладителя можно использовать обычную воду с погруженным в неё контуром охлаждения. Такого недостатка лишены баллоны со сжатым воздухом.

 Испытания
Тестируйте пусковую установку также как и ракеты. Новую установку обязательно проверьте на герметичность и устраните все утечки.

watersupply mini

 Заправка водой

В пусковой комплекс может быть включена система заправки ракеты водой. То есть «сухая» ракета устанавливается на стартовый стол, затем заполняется водой из резервуара и затем – подается рабочее давление.

Примеры практической реализации этой идеи:
●    http://www.errthum.com/troy/H2Orox/launcher.html
●    http://clayton.isnotcrazy.com/waterrockets/third-launcher

 Советы по использованию
●    При запуске ракеты, грязь может попасть на отдельные элементы пусковой установки и помешать старту. Перед каждым запуском убедитесь, что механизм удержания и спусковой механизм чисты. К примеру, песок на разгонной трубке или направляющем рельсе может стать причиной заклинивания и срыва старта.
●    Используйте силиконовую смазку для трущихся компонентов. Это предотвратит заклинивание и обеспечивает более плавную работу. Кроме того, смазывайте уплотнения жирной смазкой для предотвращения защемления при установке ракеты на пусковую установку.
●    Некоторые материалы разрушаются под воздействием солнечного света. Если вы используете эти материалы в постройке пусковой, то обеспечьте должное хранение.
●    Как вы много используете пусковую установку, то повторяющиеся циклы повышения давления могут вызвать «усталость» некоторых компонентов и привести к их разрушению. Поэтому после каждого запуска проводите осмотр пусковой на предмет возможных повреждений.
●    При проектировании примите во внимание, как вы будете размещать ракеты на пусковой установке. Будет ли легко поместить ракету с водой на направляющей?
●    Если вы используете спусковой шнур для запуска ракет, убедитесь, что он достаточно прочный. Лучше всего использовать нейлоновые шнуры.
●    Не используйте МДФ или ДСП для изготовления основы, так как эти материалы очень сильно поглощают воду и деформируются. Используйте водоустойчивые материалы либо проводите соответствующую обработку.
●   Тип механизма удержания будет зависеть от дизайна вашей ракеты и выбранных типов сопла. Если вы планируете запуски различных ракет с различными типами сопла, вы можете рассмотреть возможность сменного механизма удержания.

 Примеры:
Конструкций пусковых установок почти столько же, сколько самих водоракетчиков. Все перечислить невозможно. Вот лишь некоторые примеры:
●    Автор Mike Passerotti http://www.waterrocketpop.com/down_rev.htm
●    Автор профессор Дин http://www.et.byu.edu/~wheeler/benchtop/poppy.php
●    Поэтапное изготовление пусковой Кларка с сайта научных игрушек (с видеопримерами) http://www.sciencetoymaker.org/waterRocket/buildWaterRocketLauncher.htm
●    http://waterrocketlaunchers.com/
●    Пусковая «Rebel» Dennis-a http://rebelrockets.wordpress.com/launchers/the-rebel-launcher/
●    Конструкция воздушного коллектора для систем «залпового» старта http://wwong.homestead.com/files/LaunchTable.pdf

 

по материалам www.waterrocket.ru и Air Command Water Rocket ( http://www.aircommandrockets.com )