Возможно построить ракету на воде?

Я на даче провел эксперимент - взлял полдюймовую трубку длиной 3см с резьбой. С обеих концов закрутил заглушки, в одной заглушке просверлил отверстие 1мм. В сосуд залил обычную воду, в отверстие засунул кусок дерева. Начал нагревать на газовой горелке. После двух минут нагрева пробку выбило и сосуд пролетел 3 метра и врезался в стенку, оставив приличную вмятину. Какое было давление внутри не знаю, думаю что большое, так как пар начал просачиваться сквозь волокна деревяшки. Температуру тоже не знаю.
Вопрос - можно ли использовать воду в ракетном двигателе? По-моему где-то при 300С пар достигает давления 100атм, можно же нагреть и до 600С-800С, взять большой сосуд? Подкупает простотой - воды много, газ не дорогой. Делал ли кто-нибудь такой двигатель? Какого предела здесь можно достич - высота полета, время работы двигателя?

alexsh> Вопрос - можно ли использовать воду в ракетном двигателе? Делал ли кто-нибудь такой двигатель?

Если нет непрерывного подвода тепла, т.е. двигатель буквально представляет из себя "бочку с водой", подогреваемую извне, время работы будет ограничего временем выхода всего пара из камеры. При том что всё рабочее тело находится в камере в рабочем состоянии и подвода рабочего тела нет, пар выйдет довольно быстро. Давление при этом (в отсутствие жидкой фазы) будет, имхо, постоянно падать, а вместе с ним и тяга.
Но вместе с тягой будет падать масса ракеты, так что график перегрузки будет несколько спрямляться...

Простота, конечно, простая. Только вот проблемой будет определение давления в камере и "спуск" ракеты ("выколючение" заглушки).

Впечетляет. Интересно, какую полезную нагрузку такая ракета может нести и на какую высоту может поднимать? Они там пишут про давление 50-130 атм, а что будет при больших давлениях при 200-400 атм, будет ли импульс больше? Если в воду добавить металлическую пыль (масса рабочего теле стала больше), будет ли импульс больше?

_B1_> Если нет непрерывного подвода тепла, т.е. двигатель буквально представляет из себя "бочку с водой", подогреваемую извне, время работы будет ограничего временем выхода всего пара из камеры. При том что всё рабочее тело находится в камере в рабочем состоянии и подвода рабочего тела нет, пар выйдет довольно быстро. Давление при этом (в отсутствие жидкой фазы) будет, имхо, постоянно падать, а вместе с ним и тяга.
_B1_> Но вместе с тягой будет падать масса ракеты, так что график перегрузки будет несколько спрямляться...
_B1_> Простота, конечно, простая. Только вот проблемой будет определение давления в камере и "спуск" ракеты ("выколючение" заглушки).

Все зависит от скорости нагрева рабочего тела. Если рабочее тело 1 литр можно нагревать за 5-10 секунд до 300С, то можно было бы заставить работать двигатель скачками. Тепло можно брать из газа+кислород. Давление не надо мерить, достаточно одной температуры, есть таблица давления пара при различных температурах; нужно выставить спуск на определенную температуру. Спуск и заправку можно делать при помощи двух различных клапанов - один сверху, другой снизу. Все зависит как быстро газ+кислород может нагревать рабочее тело (воду).

alexsh> ..... Если в воду добавить металлическую пыль (масса рабочего теле стала больше), будет ли импульс больше?

Наоборот (кроме лития)станет ниже. Чем МЕНЬШЕ молекулярная масса рабочего тела - тем ВЫШЕ Иу.

Ник

alexsh> Впечетляет. Интересно, какую полезную нагрузку такая ракета может нести и на какую высоту может поднимать?

Если действительно интересно могу завтра спросить у разработчиков
У них вроде бы какие то данные приводились на сайте.

alexsh>Они там пишут про давление 50-130 атм, а что будет при больших давлениях при 200-400 атм, будет ли импульс больше?

УИ сам по себе не есть показатель эффективности системы (как показатель эффективности РТ или топлива еще туда сюда). В том числе в данном случае.
Более высокое давление потянет за собой более толстые стенки сосуда что уменьшит массовое совершенство конструкции.

Да....AQUARIUS впечатляет!
Про свою HWR-FS SKYDIVER пишут что при стартовой массе 56 кг ракета достигла высоты 500М.

Как-то видел по тв эксперименты попроще - 5-10л ПЭТ бутылка заполненна наполовину водой и установленна вверх ногами на приделанные ножки. К крышке подключается компрессор. Крышку срывает и бутылка очень эффектно улетает.

Поправте меня, если в чем-то не прав. После некоторых преобразований получил следующую формулу:
v=sqr (p/q), v - скорость истечения воды из сопла, p - давление пара, q - плотность воды (пара).
По закону сохранения импульса получаем следующее выражение:
MV+mv=0, M - масса ракеты без воды, V - скорость ракеты, m - масса рабочего тела, v - скорость истечения пара из сопла.
V=m/M*v=m/M*sqr (p/q)
Теперь посчитаем, пусть m=1кг, M=10кг, p - 100 атм ~10+7Па, q=1000кг/м3
V=1/10*sqr (10+7/10+3)м/с=1/10*10+2м/с=10м/с
По закону сохранения энергии вся кинетическая энергия перейдет в потенциальную:
h=V²/2g=100/20 м=5м
То есть ракета взлетит на 5 метров, если соотношение ракета/рабочее тело 1:10
Если соотношение будет 1:1, то V=100м/с, h=10+4/20м=500м
Если соотношение будет 2:1, то V=200м/с, h=10+4/20м=2000м
Последнее соотношение вполне подходит. Конечно это все в идеале - не учтено куча факторов (сопротивление воздуха, двигатель работает какое-то время и тд). Вода 5кг, ракета без воды - 2.5кг, расчетная высота полета - 1500-2000м.
Есть ли здесь ошибки?

>Еть ли здесь ошибки?
ДА!
1) MV+mv=0 - применимо только если скорость ракеты << скорости истечения рабочего тела (см. Формула Циолковского )
2) Термодинамика не учитывается. Давление уменьшается во время работы

>>Еть ли здесь ошибки?
pdk> ДА!
pdk> 1) MV+mv=0 - применимо только если скорость ракеты << скорости истечения рабочего тела (см. Формула Циолковского )
Может быть. Формула наверное верна, только если пар выйдет мгновенно, то есть в начале не придется толкать ракету с остатками воды в двигателе.
pdk> 2) Термодинамика не учитывается. Давление уменьшается во время работы
Согласен. Надо дифференцировать... Считал грубо и приблизительно. Мне интересно было, вообще можно подняться на высоту больше 1км на воде или больше 5км....

Если кому интересно - поищите, была когда-то детская книжка "Космос у тебя дома", там описывалась как раз конструкция "ракеты на воде", восходящая чуть не к 30-м годам, из каких-то совершенно бросовых материалов, типа старой фотоплёнки и т.п. Вроде должна летать, хотя, конечно, не особо высоко - давления-то явно не 100 атм.

Продифференцировал и вот что получилось:
p(t)=p*e^(-C*t), C=sqr (p/q)*S/V, p - давление пара (100 атм), q - плотность воды, S - площадь сопла, V - объем жидкости.
V(t)=sqr (p*q)*V/M*ln (2/(e^(-C*t)+1))-g*t, M - масса без воды.
Считал, использую закой Бойля-Мариотта. Получилось, что скорость исходящей жидкости не меняется, если температура остается постоянной, меняется давление и плотность пара внутри.
Строил графики с разными параметрами. Наибольшая высота полета достигается если масса ракеты без воды в несколько раз меньше массы воды, то есть m=n*M, n>=2. Например M=200гр, m=1кг, d=4мм (диаметр сопла), высота полета ~5.5км. Например, M=1кг, m=1кг, d=4мм, высота полета 174метра; M=1кг, m=5кг, d=4мм, высота полета 4км.
Основная проблема как сделать очень легкий сосуд для воды на 100 атм. Можно ли сделать емкость массой 200-400 грамм на 1-2 литра на 100 атм? Если научиться делать легкие сосуды, то можно и на высоту 20-40км запустить.
Из какого материала можно сделать сверхлегкий на 100 атм сосуд?

PS. Нигде сопротивление воздуха не учитывал.

Fakir> из каких-то совершенно бросовых материалов, типа старой фотоплёнки и т.п. Вроде должна летать, хотя, конечно, не особо высоко - давления-то явно не 100 атм.

На старой фотопленке летать было легко Она была нитроцелюлозная (целлулоид насколько я понимаю).

alexsh> Основная проблема как сделать очень легкий сосуд для воды на 100 атм. Можно ли сделать емкость массой 200-400 грамм на 1-2 литра на 100 атм? Если научиться делать легкие сосуды, то можно и на высоту 20-40км запустить.
alexsh> Из какого материала можно сделать сверхлегкий на 100 атм сосуд?

Сферический баллон из углепластика. Но технология не для чайников, на коленке не намотаешь. Станочек для намотки нужен, станок для пропитки волокна, формы, мероприятия по удалению избытков смолы, отверждение под давлением и т.д.

Проще цилиндрический баллон с полусферическими днищами из стеклокомпозита. Но тоже и оборудование, и знания, и опыта вагон нужен.

Возможно вместо нагрева воды использовать баллоны с сжатым СО2 для выталкивания воды под давлением? Продаются в магазине маленькие баллончики 12гр со сжатым СО2 по цене 6р. Там вроде давление 80атм, хотя объем небольшой, и резьба есть для прикручивания к сосуду с водой.

CO2 - плохой вариант т.к. пропускать его сквозь воду (для подогрева) нельзя (очень хорошо растворяется), а значит прийдётся делать сложный теплообменник или вдувать сверху холодный газ, защитив поверхность воды слоем масла.

С горячей водой ситуация несколько сложнее - при снижении давления начинается парообразование, которое это снижение частично компенсирует
Да и на выходе аналогично будет - т.е. имеет смысл сопло ставить.

pdk> CO2 - плохой вариант т.к. пропускать его сквозь воду (для подогрева) нельзя (очень хорошо растворяется), а значит прийдётся делать сложный теплообменник или вдувать сверху холодный газ, защитив поверхность воды слоем масла.


Сверху крепится баллончик с СО2

Модель ракеты Р 1 (школьное наглядное пособие в 60-70 гг) с 50 г воды и двумя атмосферами (велонасос) летала на 60-70 м (пускали с племянником). В 90 гг, как коммерческая игрушка: "Ракета водяная" летала на 25-30 м (пускали с сыном). Всё уже было. Но можно и изменить задачу. Вместо энергии теплового нагревателя или насоса использовать запасённую энергию сжатого (и сжиженного) газа. Только инжектировать газ не в жидкость, а в полость над поршнем. Принцип газового оружия.

Если кто-то возьмётся реализовать ракету с жидким рабочим телом (спирт, а не вода) на баллончиках N2O (8 г) или CO2 (12 г), помогу с системой декапсулирования (использована в микрогибриде на капсуле N2O). У холодного N2O УИ = 60. Давление внутри капсулы - 48 Атм.
Конструкция двигателя-ракеты мне видится следующей: капсула с пироустройством декапсуляции помещается в средней части фюзеляжа ракеты. Соединяется с герметичным обьёмом бака над поршнем. Внутри бака под поршнем -рабочее тело. Критика сопла закрывается клапаном или барст диафрагмой. В нижей части стенки бака вертикальный канал для стравливания газов. Весь дизайн можно сделать в дюрале. Часть газов используется для выталкивания парашюта через клапан в верхней части бака. На самом деле аналог такой ракеты (Valkiria на фреоне 22) выпускался в USA в 70 гг. Потом фреоны запретили и прекрасная модель была забыта.

a_centaurus:
1) N2O - это что за вещество ? Не встечал его раньше (и не химик я).
2) Почему спирт вместо воды ? Из-за меньшей вязкости ?
2) Если рабочее тело - жидкость, ИМХО поршень не нужен. Верхняя поверхность жидкости и есть поршень. Ведь запуск в любом случае - вверх.
3) Канал для стравливания газов не нужен - пускай газ через сопло выходит, добавляя импульс после выхода жидкости.
4) Событие, по которому должен срабатывать выпуск парашута (запуск второй ступени) - это сброс давления газа до атмосферного, фиксируется простейшим датчиком.
5) Мне представляется, что шагом в развитии "классических водяных" ракет будет конструкция легкого баллона-корпуса на давление хотя бы 2 мПа, с двойным запасом прочности, разумеется.
Руки чешутся разорвать несколько пивных банок.
6) Вся прелесть "классических водяных" ракет - в отсутствии расходных материалов, в том числе баллончиков со сжатыми газами. Чтобы не потеть с насосом - баллон аквалангиста с редуктором.

1. N2O - это что за вещество ?
Это закись азота. Nitrous oхidе. NОх. При комнатной температуре и давлении ок. 700 psi (48 Атм) - криогенная жидкость. Используется в ракетной технике, как окислитель. В кулинарном производстве, как источник холода. В медицине, как средство анестезии. В газообразной форме присутствует в верхних слоях атмосферы. В Eхperimental Rocketry используется, в основном, как жидкий компонент топлива в ГРД. Если интересно, посмотри соответствующие топики (ГРД и ЖРД на N2О) на Форуме.
2. Почему спирт вместо воды ? Из-за меньшей вязкости ?
Поскольку я думал о сжиженных газах, а именно о NOх, то в первую очередь представил влияние температуры. Низкой температуры (ок -30º) закиси при выходе из капсулы. Поэтому спирт будет логичнее. А без поршня и спирт в шугу превратится. Это о твоём ИМХО.
3. Канал для стравливания газов не нужен - пускай газ через сопло выходит, добавляя импульс после выхода жидкости.
См. п.2. И посмотри, какое рабочее давление в капсуле.
4. Событие, по которому должен срабатывать выпуск парашута (запуск второй ступени) - это сброс давления газа до атмосферного, фиксируется простейшим датчиком.
При этом скорость ракеты - максимальная. Парашюту оторвёт голову, а твою ракету разнесёт в клочья. И я писал не о регистрации события, а о использовании части рабочего тела в качестве активатора парашюта.
5. Мне представляется, что шагом в развитии "классических водяных" ракет будет конструкция легкого баллона-корпуса на давление хотя бы 2 мПа, с двойным запасом прочности, разумеется.
Таких конструкций миллион. Они давно реализованы в гаррафах ("бутылках") н.р. для "paint ball" или для коммерческих ГРД (AeroTec). Дюралевый корпус диам 1.5" толщиной 2.5 мм держит до 10 МПа. Такие, н.р. баки для NОх у моих мини ГРД. Обычный баллончик для пропана (заправка) держит до 5 Атм. ПВЦ трубы (особенно армированные) также пригодны для этих целей. Даже не надо думать о фюзеляже. Весь дизайн идёт по линии клапанов: заправки и выпуска.
6. Руки чешутся разорвать несколько пивных банок.
А вот это лучше не делать. Во-первых, ты это сделаешь, выпив содержимое, а оно с консервантами. Пей лучше бутылочное. Во-вторых, прочность стенок дефолтно недостаточна, а конструкция плохо подходит для адаптации клапана или фиттинга. Поищи по Инету: "Bottle rocket handbook" by L.Singleton. Это очень грамотная и прикладная книга. Если не найдёшь, я тебе её выложу. Там превосходно описаны все аспекты конструкции водяных ракет на принципе: воздух под давлением+вода, на базе бутылей из пластика.
7. Вся прелесть "классических водяных" ракет - в отсутствии расходных материалов, в том числе баллончиков со сжатыми газами. Чтобы не потеть с насосом - баллон аквалангиста с редуктором.
Кому нравится попадья, а кому - попова дочка... Просто у нас с тобой разный опыт. Как в жизни, так и в ЭР. Успехов,
a_centaurus

"Bottle rocket handbook" by L.Singleton

Эта книга выложена здесь, на авиабазе, спасибо.

Опыт наш действительно разный, и задачи/планы/возможности несопоставимые.
Есть и такая пословица: "Молодец среди овец, а на молодца - ..." ну, ты ее знаешь.

Работу вибрационных акселерометров с рулевой машинкой
я буду отрабатывать именно на "классических водяных" ракетах.
По многим обстоятельствам - САУ и другое БРЭО сначала проще пробовать на "бутылках",
времени активного полета порядка 10 секунд достаточно.