Výkon ROS 40-5 a dostup rakety
Výkon raketových motorů hlavně ROS 40-5 a dostup rakety.
Na internetu jsem narazil na debatu, kde základní informace obsahují dva řádky pod tímto textem.
ROS-ka je u nás dosti požívaná, tato problematika není běžně popisovaná a mohla by zaujmout. Takže jsem napsal příspěvek do debaty. Rozšířenou verzi svého příspěvku dávám na web „Rakeťáků“ za účelem vyvolání debaty a dalších postřehů.
Upravená citace z původní debaty:
Uvádíš očekávaný dostup kolem 800 m a raketa bude poháněna čtyřmi motory ROS-40.
A ty přístroje to bude teploměr, větroměr, radiový vysílač, kamera s foťákem.
Zkusím zde uvést nějaké úvahy, zkušenosti a fyzikální souvislosti.
Neber to prosím jako buzeraci, či zpochybňování. Těch 800 m jako „dolet“ je běžně uváděno na webech prodejců, kteří ale nejsou staviteli ROS modelů. :-)
Problém je už ve slovu „dolet“, dolet u raket (ale nejenom u nich) znamená maximální horizontální vzdálenost - v podstatě jde o „dostřel“. Zde by jsme měli hovořit o dostupu rakety – jako o maximální výšce do které je raketa schopná dostoupit – vyletět.
Zjednodušeně lze počítat dolet rakety asi 2x jeho dostup. Při dostupu motorku ROS cca 400 m, můžeme očekávat jeho dolet asi 800 m. Jde o let po balistické křivce pod uhlem kolem 45 stupňů.
V raketovém modelářství je povolen minimální startovní uhel rakety 60 stupňů z bezpečnostních důvodů. Model rakety se v tomto režimu letu a případném selhání výmetu mění na celkem nebezpečný projektil. Model na 1xROS může mít i 500-600 gramů. Vícemotorové modely
májí mnohem více. Například velký model Sojuzu na 20x ROS vážil přes 12 kg!!
Motorky ROS v původní podobě nejdou použít v raketě s aerodynamickou stabilizací - používají stabilizaci rotací, proto mají po obvodě 3x trysky se šikmým a tangenciálním vektorem tahu. Proto je nutné centrální trysku převrtat na průměr min. 5 mm a obvodové trysky zaslepit šroubky M3x10 mm.
ROS jako taková není vhodná pro výškové lety z následujících důvodů:
- má poměrně velký průměr a malou délku motorku - čili při daném průměru spalovací komory bude obsahovat málo paliva (tzv. koeficient plnění motoru - poměr váhy paliva/ váha celého motorku). Je to pouhých cca 25 gramů – celý motor po úpravě i s výmetem váží cca 136 gramů!
- motor je hodně těžký - startovní hmotnost cca 140 gramů a cca 90 gr. po vyhoření. Tuto skutečnost lze dobře sledovat pomocí parametru, měrná hmotnost motoru“ - hmotnost motoru na 1 Ns jeho impulzu.
- má dosti krátkou dobu hoření paliva 1,65-1,7 sec. Čím kratší doba hoření, tím větší jsou ztráty v důsledku vysoké letové rychlosti, která po dohoření motoru už jenom klesá!
- poměrně krátká doba zpoždění je jen 5 sec. , celkem cca 7 sec. od zážehu !! Prodloužení zpoždění je možné ne však jednoduché , takže běžný uživatel ho nemá k dispozici.
Pro dosažení co největší výšky potřebuješ zjednodušeně model s co nejmenším průměrem (průřezem), minimálním aerodynamickým odporem , dále s co nejmenší hmotností - aby získal co největší zrychlení (rychlost).Co nejmenší odpor vzduchu = kvalita povrchu modelu, tvar hlavice , tvar a velikost stabilizátorů ,ale i vodících trubiček, pokud by jsi nepoužil dotekovou rampu. Delší doba tahu zmenšuje aerodynamické ztráty způsobené vysokou rychlostí a krátkým tahem.
Píšeš o raketě na 4x ROS, tedy předpokládám, že bude jednostupňová.
Dvoustupňová raketa by tedy musela mít 3xROS v prvním stupni a 1xROS v druhém stupni.
Dva motory ROS v prvním stupni a dva ve druhém stupni by, model nemluvíce o užitečném zatížení prostě neutáhly. U dvoustupňových modelů je velmi důležitý velký tah motoru v prvním stupni, aby poměrně těžký model získal dostatečnou rychlost a stabilitu a tím dal smysl použití druhého stupně, který potom bude mít vyšší dostup o výkonový zisk daný výškou v okamžiku zážehu 2-ho stupně a také zisk z této přidané počáteční rychlosti 2-ho stupně!
Takže přejdeme k jednostupňovému řešení.
1.) Jednostupňovka:
Průměr modelu pro 4xROS bude cca 100 mm, tedy 6,24 krát větší průřez trupu!
Použití 4xROS . zde přinese pouze zvětšení užitečného zatížení při startu!! Nikoliv dostupu.
Pro bezpečný start a let musí být tah motorku cca 5x větší než startovní hmotnost modelu.
Min. použitelná hodnota je 3,5x. Předpokládá velmi dobře vyvážený model spíše s delší dobou chodu motorku.
Model fí 100 mm, délka cca 1300 mm bude vážit tak 1,5 - 1,8 kg i více (o to užitečné zatížení), případně i použitého materiálu.
ROS má celkový impulz 40 Ns. Z toho vychází průměrný tah cca 2,5 Kp po dobu 1,6 sec.
cca 5,5 G. Po 1,6 sec. dohoří motory a raketa bude ve výšce cca 70 m, s rychlostí 88 m/s.
To vše bez odporu vzduchu a jiných ztrát!! Dále již letí jen setrvačností!! To znamená, že
každou vteřinu se její rychlost zmenší 0 10 m/s v důsledku gravitace!!
Dalším faktorem je rozdílný čas zážehu motorů ( i při použití profesionálních el. palníků jde o náročnou práci, kde se chybičky a nepřesnosti výrazně projeví) , a z toho vyplývající nesymetrický tah.
Pouhou zápalnicí či stopinou ( či stopinou v komunikační trubici) nelze spolehlivě zažehnout
více motorků ROS!! I ta stopina v komunikační trubici má rychlost hoření cca 5-6 m/sec.!!
Dalším omezením je doba hoření zpožďovače - to 5 sec po dohoření motoru.
Pro lehký model s 1x ROS, kde u soutěžního modelu bývá startovní hmotnost cca 250-270 gr i s
motorem - je to krátká doba, model má ještě slušnou zbytkovou rychlost!! Proto se u motorů v těchto modelech používá zpoždění o 2-3 sec. Delší!
Pro těžký model naopak to může již být dlouho - model už může začít sestupovat z apogea.
Takže potom vychází dostup modelu reálně tak 260-280 metrů (spíše ještě méně).
Na výškových soutěžích raket na jednu ROS dosahují vítězné modely výšku cca 600 m.
A to jde o špičkové konstrukce z tenkostěnných laminátů, či kompozitních materiálů s dokonalou povrchovou úpravou. Měření výšky pomocí dvojice vojenských optických přístrojů TZK.
Já jsem udělal vloni několik letů modelů na 1xROS s měřením výšky pomocí neseného digitálního
barometrického výškoměru s LCD displejem ( váha 6,5 gramu ). Moje běžné modely na 1x ROS s
trupem o průměru 44 až 53 mm, délkou 810 - 890 mm , váha 380 - 460 gr. dosahovali od 320 m
do 370 m výšky - co dobře odpovídalo zjednodušenému výpočtu.
2.) Dvoustupňovka
Je technologicky podstatně náročnější takže to prozatím nechám tak, nebo
na jindy.
Přes tyto nedostatky je ROS-ka báječný motorek se kterým se dá krásně polétat!
A o to přeci jde. Přeji Ti hodně úspěchů a bezpečné polétání.
Diskutujte o totmto článku ve fórech (2 odpovědí).
Obávám se, že ono to je asi jinak.
Zatím nikdo z nás neví jaká tryska je pro ROS se zaslepenými bočními tryskami správná či optimální z hlediska výkonu motoru!!
Vnitřní balistika motoru byla konstruktéry dělaná pro neupravený motor a i zde se musela udělat úprava pro to aby tak malé zrno diglykolového prachu vůbec nějak rozumně hořelo!! Každé palivo má svoje požadavky na geometrii spalovacího prostoru a jeho velikost! Zkus udělat kanálkový sorbitolový motor o průměru komory třeba 8 mm aby Ti létal.
Takže jsme se zameřili spíše na určení velikosti trysky pro upravenou ROS, aby motor co nejméně "bouchal". S věkem motorů a jejich materiálu nic neuděláme.
Prakticky se používali ROS-ky s centrální tryskou od 4,5 mm do 6 mm průměru.
Většina uživatelů vrtá jednoduchou válcovou trysku daného průměru.
Ny výkon ROS-ky má vliv více faktorů!
- Zážeh
- Tryska , její velikost , tvar a kvalita povrchu ..
1.) kvalita zážehu motoru. Dobrý zážeh napomáhá správnému rozběhu motoru i rovnoměrnosti a opakovatelnosti (do nějaké míry) jeho tahového diagramu. Zážeh má rycle proběhnout na opačném konci kanálku paliva ROS a zažehnou zážehovou a udržovací tabletu na tomto konci motoru! Jinak vznikají odchylky a nepravidelnosti chodu!
V podstatě máme dvě možnosti:
a.) zápalnicí
b.) el. palníkem
a.)Zápalnice - na trhu jsou nejběžnější zelené Visco zápalnice s průměry od 1,8 mm do 3 mm.
Použití prskajících či krekujících zápalnic pro zážeh ROS je úplně nevhodné!!
Malé průměry zápalnic mají i nízký tepelný výkon pro žážeh! Takže spíše průměr 2,5-3 mm.
Použití pouze samotné zápalnice také není vhodné (plamen a jiskry kolem povrchu zápalnice.
Proto je vhodné zápalnici pro zážeh ROS upravit - namočením konce zápalnice do kašičky (černý prach a zředěný nitrolak) z pomaleji hořícího prachu v délce do cca 8 mm.
Dále ovinutím zápalnice v délce cca 45-50 mm pod takto upraveným (zesíleným) koncem zápalnice.
b.) Elektrické palníky - pro spolehlivý a kvalitní zážeh ROS-ky a hlavně víceROs-kových svazků motorů je nutné použít el. palník.
Opět je zde větší množství různých typů a provedení. Pro nás jsou nejvhodnější SO a NO palníky
například klasické "121B" nobo z produkce Meta-pyro:
www.meta-pyro.cz/cz/kategorie/technicke-informace.aspx
I tyto palníky je potřebné dále upravit pro zážeh ROS. Jednou z možností je použití jiskřiště , nebo
jiné podobné úpravy ( použití smršťovácí bužírky a kousků stopiny).
- Tryska
Velikost (průměr trysky)
Ná základě praktických zkušeností z různých neměřených pokusů s různými průměry trysek je vhodné prakticky používat průměr trysky ROS od 5 mm do cca 5,5 mm!!
- Tvar
Já osobně používám úpravu trysky s rozšiřující se výstupní částí trysky ( ne kuželovitě, ale zvonovitě - ogivální tvar vrtáku). Teoreticky by to také mělo přispět k vyšší výtokové rychlosti plynů a tím i k vyššímu výkonu motoru.
Zatím není k dispozici dostatek tahových diagramů ROS s různými průměry trysky, se zážehem
zápalnicí , el. palníkem , s válcovou a ogivální tryskou. Pro každé měření min. 2 ks motorů pro stanovení střední hodnoty.
Tahové diagramy ROS-ek a jejich průběh jsou dosti odlišné jednak vliv již zmiňovaných faktorů ( průměr trysky, typ zážehu , tvat trysky a pod.) ale také přirozeným rozptylem samotného procesu hoření motoru obecně.
Nedávno jsem dostal od kolegy 7 tahových diagramů ROS pro trysky o průměru 5,0 mm, 5,2 mm, 5,5 mm a 6 mm. Dokonce i velmi zajímavý tahový diagram svazku 12-ti ROS!!
Můžu zde oprávněně předpokládat válcový tvar trysky, mám průměr trysky , ale nepoznám spolehlivě způsob zážehu těchto motorů.
Je zde vidět dosti rozdílné hodnoty max. tahu , počtu i velikosti pulzací tahu , době hoření motoru,
ale i dosaženém impulzu a z toho vyplývajícího Isp(specifického impulzu paliva).
Například max. tah se pohyboval od 85 N do 250 N !!
Doba hoření od 1,6 až do 2,12 sec , někde se vyskytovali jěště dodatečné 2-3 pulzy mezi 2 a 3-tí vtěřinou hoření s velikostí cca 6,5 N !!
Specifický impulz od 117s až do 152,6 s.
Dále naměřené hodnoty závisí od charakteristik měřícího zařízení - citlivost, setrvačnost systému a další.
Podařilo se mi dohodnout v dohledné budoucnosti sérii nových měření souborů ROS-ek s různými průměry trysek a el. zážehem, tvar výst. části trysky - zvonovitý. Pokuď to bude možné chtěl bych změřit i ROS-ky se zážehem zápalnicí , či válcovou tryskou.
Zatím toho stále ješte víme dosti málo pro nějaké slušnější porovnání a závěry ....
V příloze pár diagramů pro ukážku.
Mirek