Experimentální řešení vodou poháněné rakety

Podobné dokumenty
6. Mechanika kapalin a plynů

BIOMECHANIKA. Studijní program, obor: Tělesná výchovy a sport Vyučující: PhDr. Martin Škopek, Ph.D.

Hydrodynamika. Archimédův zákon Proudění tekutin Obtékání těles

Mechanika tekutin. Tekutiny = plyny a kapaliny

Přijímací odborná zkouška pro NMgr studium 2015 Letecká a raketová technika Modul Letecká technika

Zadání programu z předmětu Dynamika I pro posluchače kombinovaného studia v Ostravě a Uherském Brodu vyučuje Ing. Zdeněk Poruba, Ph.D.

PŘÍKLADY Z HYDRODYNAMIKY Poznámka: Za gravitační zrychlení je ve všech příkladech dosazována přibližná hodnota 10 m.s -2.

BIOMECHANIKA DYNAMIKA NEWTONOVY POHYBOVÉ ZÁKONY, VNITŘNÍ A VNĚJŠÍ SÍLY ČASOVÝ A DRÁHOVÝ ÚČINEK SÍLY

Mechanika tekutin. Hydrostatika Hydrodynamika

Základy fyziky + opakovaná výuka Fyziky I

Pohyby tuhého tělesa Moment síly vzhledem k ose otáčení Skládání a rozkládání sil Dvojice sil, Těžiště, Rovnovážné polohy tělesa

I N V E S T I C E D O R O Z V O J E V Z D Ě L Á V Á N Í. = (pascal) tlak je skalár!!! F p = =

Hydromechanické procesy Hydrostatika

5b MĚŘENÍ VISKOZITY KAPALIN POMOCÍ PADAJÍCÍ KULIČKY

VY_52_INOVACE_2NOV72. Autor: Mgr. Jakub Novák. Datum: Ročník: 7. a 8.

Tento dokument vznikl v rámci projektu Využití e-learningu k rozvoji klíčových kompetencí reg. č.: CZ.1.07/1.1.38/

ZATÍŽENÍ KŘÍDLA - I. Rozdělení zatížení. Aerodynamické zatížení vztlakových ploch

ČVUT v Praze Fakulta stavební Katedra Technických zařízení budov. Modelování termohydraulických jevů 3.hodina. Hydraulika. Ing. Michal Kabrhel, Ph.D.

Dynamické chyby interpolace. Chyby způsobené pasivními odpory. Princip jejich kompenzace.

34_Mechanické vlastnosti kapalin... 2 Pascalův zákon _Tlak - příklady _Hydraulické stroje _PL: Hydraulické stroje - řešení...

LOGO. Struktura a vlastnosti kapalin

MECHANIKA KAPALIN A PLYNŮ. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Mechanika - 1. ročník

mechanická práce W Studentovo minimum GNB Mechanická práce a energie skalární veličina a) síla rovnoběžná s vektorem posunutí F s

Hydraulické posouzení vzduchospalinové cesty. ustálený a neustálený stav

Koncept tryskového odstředivého hydromotoru

Tlak v kapalinách a plynech Vztlaková síla Prodění kapalin a plynů

Únik plynu plným průřezem potrubí

Mechanika kapalin a plynů

Rovnice rovnováhy: ++ =0 x : =0 y : =0 =0,83

Příklady z hydrostatiky

Příloha-výpočet motoru

Proč funguje Clemův motor

Stanovení účinku vodního paprsku

Příspěvek do konference STČ 2008: Numerické modelování obtékání profilu NACA 0012 dvěma nemísitelnými tekutinami

Experimentální hodnocení bezpečnosti mobilní fotbalové brány

(elektrickým nebo spalovacím) nebo lidskou #9. pro velké tlaky a menší průtoky

Vlastnosti kapalin. Povrchová vrstva kapaliny

1 Tuhé těleso a jeho pohyb

Řešení úloh krajského kola 60. ročníku fyzikální olympiády Kategorie A Autoři úloh: J. Thomas (1, 2, 3), V. Vícha (4)

Univerzita obrany K-204. Laboratorní cvičení z předmětu AERODYNAMIKA. Měření rozložení součinitele tlaku c p na povrchu profilu Gö 398

Druhy a charakteristika základních pasivních odporů Určeno pro první ročník strojírenství M/01 Vytvořeno listopad 2012

Diferenciální rovnice kolem nás

FYZIKA DIDAKTICKÝ TEST

Vznik vztlaku a Aerodynamika rotoru větrné elektrárny

Výpočtová dokumentace pro montážní přípravek oběžného kola Peltonovy turbíny

KAPALINY. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Sekunda

Měření tíhového zrychlení matematickým a reverzním kyvadlem

ULL 1 AERODYNAMIKA A MECHANIKA LETU. Leoš Liška

Dynamika. Dynamis = řecké slovo síla

5. Duté zrcadlo má ohniskovou vzdálenost 25 cm. Jaký je jeho poloměr křivosti? 1) 0,5 m 2) 0,75 m 3) Žádná odpověď není správná 4) 0,25 m

KATEGORIE RCVN - TERMICKÉ VĚTRONĚ STARTUJÍCÍ POMOCÍ ELEKTRONAVIJÁKU - PŘEDBĚŽNÁ PRAVIDLA Všeobecná část

1/6. 2. Stavová rovnice, plynová konstanta, Avogadrův zákon, kilomol plynu

7. MECHANIKA TEKUTIN - statika

FYZIKA I cvičení, FMT 2. POHYB LÁTKY

Síla, vzájemné silové působení těles

Spalovací vzduch a větrání pro plynové spotřebiče typu B

CVIČENÍ č. 7 BERNOULLIHO ROVNICE

Rozumíme dobře Archimedovu zákonu?

Přijímací odborná zkouška pro MgN studium AR 2016/2017 Letecká a raketová technika Modul Letecká technika

1141 HYA (Hydraulika)

Digitální učební materiál. III/2 Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT Příjemce podpory Gymnázium, Jevíčko, A. K.

Ing. Hana Ilkivová Hotelová škola, Obchodní akademie a Střední průmyslová škola, Benešovo náměstí 1., příspěvková organizace

Měření momentu setrvačnosti

Obnovitelné zdroje energie

MĚŘENÍ MOMENTU SETRVAČNOSTI Z DOBY KYVU

PRÁCE, VÝKON, ENERGIE. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - 1. ročník - Mechanika

PŘESTAVITELNÁ VÝUSŤ EMCO TYPU VLD/VLV 484

Název zpracovaného celku: Spojky

REOLOGICKÉ VLASTNOSTI ROPNÝCH FRAKCÍ

Univerzita obrany. Měření součinitele tření potrubí K-216. Laboratorní cvičení z předmětu HYDROMECHANIKA. Protokol obsahuje 14 listů

TNL-130AL. CNC soustruh

MECHANIKA TUHÉHO TĚLESA

V případě, že je rychlost letadla větší jak 400 km/h je třeba provést korekci na stlačenost vzduchu a změnu hustoty vzduchu.

Výroba závitů procesem tepelného tváření

Západočeská univerzita v Plzni Fakulta strojní. Semestrální práce z Matematického Modelování

Reaktivní turbína a zákon zachování energie

Fyzikální vzdělávání. 1. ročník. Učební obor: Kuchař číšník Kadeřník. Implementace ICT do výuky č. CZ.1.07/1.1.02/ GG OP VK

MECHANIKA HYDROSTATIKA A AEROSTATIKA Implementace ŠVP

4. Kolmou tlakovou sílu působící v kapalině na libovolně orientovanou plochu S vyjádříme jako

STRUKTURA A VLASTNOSTI KAPALIN

Experimentální realizace Buquoyovy úlohy

Precont MT. Převodník tlaku Měření absolutního a relativního tlaku v plynech, parách, kapalinách a prachu. Hlavní vlastnosti

Teorie měření a regulace

SÍLY A JEJICH VLASTNOSTI. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Sekunda

TECHNICKÁ ZAŘÍZENÍ BUDOV

Integrovaná střední škola, Sokolnice 496

1. Změřte momenty setrvačnosti kvádru vzhledem k hlavním osám setrvačnosti.

KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE. 123TVVM transport vodní páry

TNL-160AL. CNC soustruh

4 STANOVENÍ KINEMATICKÉ A DYNAMICKÉ VISKOZITY OVOCNÉHO DŽUSU

I N V E S T I C E D O R O Z V O J E V Z D Ě L Á V Á N Í

TERMOMECHANIKA 15. Základy přenosu tepla

DOPRAVNÍ A ZDVIHACÍ STROJE

13/sv. 1 (70/387/EHS)

PROUDĚNÍ KAPALIN A PLYNŮ, BERNOULLIHO ROVNICE, REÁLNÁ TEKUTINA

Flexibilní otočné stoly

Témata pro zkoušky profilové části maturitní zkoušky. Strojírenství, varianta vzdělávání konstruování s podporou počítače

Připravil: Roman Pavlačka, Markéta Sekaninová Dynamika, Newtonovy zákony

12. Hydraulické pohony

UTAHOVACÍ POSTUP PRO PŘÍRUBOVÉ SPOJE

Transkript:

České vysoké učení technické v Praze Fakulta strojní Ústav mechaniky tekutin a energetiky Experimentální řešení vodou poháněné rakety Jakub Gurecký Příspěvek na Konferenci STČ Praha, duben 2008 1

Anotace Cílem projektu je navrhnout komplexní řešení experimentu ověřujícího tak zvanou vodní raketu. Projekt tedy zahrnuje návrh, konstrukci a výrobu rakety. Startovací zařízení a a startovací postupy, které startu předcházejí se všemi bezpečnostními ohledy, jsou popsány a uvedeny. Hlavní motivací je však seznámení se z různými moderními technologiemi a jejich praktickými aplikacemi. 1.Popis systému Raketa je poháněná velmi jednoduchým systémem. Těleso rakety je ve své podstatě částečně vodou naplněná tlaková nádoba, v níž se akumuluje potenciální energie ve formě stlačeného vzduchu. V okamžiku otevření výtokové trysky je voda vytlačována tryskou, a tím vzniká reakční síla, která, jak vyplývá ze 3. Newtonova pohybového zákona o akci a reakci, působí na raketu opačným směrem a uděluje jí zrychlení. Velikost tahové síly F t je dána hmotnostním tokem a hustotou vytékající kapaliny F t = m&.ρ (1) 2

Hmotnostní tok lze regulovat pomocí průměru d e výstupní trysky a tlakem P 1, který je v tlakové nádobě. Rychlost, kterou proudí kapalina tryskou, je vyjádřena vztahem (2) ce 2 P1 Pa 2 ρ 1 Ae A = 2 1 (2) Tahová síla se spolu s výstupní rychlostí mění v závislosti na změně objemu kapaliny v tlakové nádobě. Spodní hranici totiž tvoří hladina vody, která při výtoku klesá a tím se zvětšuje objem plynu obsaženéh v tlakové nádobě. Cílem je, aby raketa doletěla co možná nejvýše. Doba letu tedy závisí na tlaku P 1, na množství vody v tlakové nádobě a dále na průměru výstupní trysky. Je nutné optimalizovat tyto veličiny s ohledem na požadovaný cíl. Maximální hodnota tlaku P 1 je dána konstrukcí tlakové nádoby. V tomto případě se jedná o karbonovou tlakovou nádobu, jež je dimenzována na 20 MPa. Množství vody je třeba zvolit tak, aby konečný rozdíl objemů nebyl příliš velký a nedošlo k vyrovnání tlaku P 1 s atmosférickým tlakem P a dříve, než je veškerá kapalina vytlačena. Nebo dokonce, aby nedošlo k vytvoření podtlaku vlivem setrvačných sil kapaliny a zamezení jejího výtoku. Množství kapaliny je dále třeba optimalizovat s ohledem na počáteční hmotnost rakety při startu. Vzhledem k hustotě vody tvoří kapalina podstatnou část hmotnosti rakety před startem. Máme-li základní hodnoty tlaku P 1 a množství vody, je třeba dále optimalizovat průměr výstupní trysky d e. Cílem je co nejdéle trvající tah. Toho dosáhneme minimalizací průměru výstupní trysky d e. Tato minimální hodnota je ovšem omezena požadavkem na tah motoru větší než je hmotnost rakety při startu. Jinak by samozřejmě nedošlo ke startu do doby, než by síla tahu byla větší než hmotnost rakety při vyprazdňování. Je žádoucí, aby byl tah motoru při startu alespoň tak velký, aby udělil raketě na vzdálenosti x dostatečně velké zrychlení, respektive rychlost, při které již fungují stabilizační plochy. Vzdálenost x je výška startovacího zařízení tedy délka vedení rakety. 3

2.Konstrukce rakety Raketa se skládá z těchto častí: A Výměnná tryska B Tlaková nádoba C Stabilizační křidélka D Středový prstenec E Elektronika F Padák G Špička H Spojovací lanko G,F D,E B C A 4

A Výměnná tryska Jak již bylo zmíněno, výstupní tryska je jedena z optimalizovaných částí rakety. Z toho důvodu je konstruována jako výměnná. Je teoreticky navržena a její různé průměry umožní experimentálně ověřit její optimální průměr pro daný tlak i množství vody. Tryska je zajištěna proti vyšroubování pojistným tmelem. B Tlaková nádoba Tlaková nádoba je vyráběna firmou Compotech, která disponuje technologií umožňující navíjení karbonových vláken na trn. Díky přesně definované struktuře vláken je možné předejít nedostatkům v homogenitě vznikajícím při ruční laminaci. Vlastnosti takto vyrobené tlakové nádoby se s dostatečnou přesností blíží výpočtu. Ten je dílem Ing. Robina Poula z firmy Compotech. Byl k němu využit unikátní softwear, jenž byl vyvinut ve spolupráci s ČVUT. 5

C Stabilizační křidélka Systém stabilizace je nezbytnou součastí rakety. Stabilizační křidélka plní dvě funkce zároveň. První je samotná stabilizace. Při dosažení jisté rychlosti letu vznikají aerodynamické síly, které raketu održují ve stabilitě při výchylce rakety vychýlit z předurčené trajektorie. Princip stabilizace spočívá v tom, že pootočí-li se raketa v ose kolmé na let, změní se úhel náběhu na příslušném stabilizačním křidélku a tím dojde ke vzniku aerodynamických sil, které jsou popsány vzorcem 2 v F = c ρ S, (3) 2 kde c je součinitel vztlaku vycházející z příslušné poláry profilu křidélka stabilizátoru. Druhou funkcí stabilizačních křidélek je udělení rotace raketě v ose rovnoběžné s letem rakety. Rotace vytváří gyroskopický moment, jenž raketu stabilizuje. Je zřejmé že obě formy stabilizace zvyšují odpor rakety a tím spotřebovávají výkon. Z tohoto důvodu je rychlost rotace navržena malá. Pro stabilizační křidélka se nabízí řešení pomoci nesymetrického profilu, jenž by kladl jen minimální odpor. Takto navržená křídla by musela být vyrobena z laminátu, ten je však nevhodný, protože je křehký a snadno by se při návratu rakety na zem poškodil. Dá se totiž předpokládat, že vzhledem k umístění stabilizačních křidélek budou tyto časti rakety první, jež narazí na zem. Vzhledem k tomu, že úhel náběhu křidélek se bude pohybovat okolo nuly, může být profil velmi tenký. Proto je zvolen jako konstrukční materiál duralový plech. Jeho snadné zpracování dovolí výrobu několika sad. A při poškození se snadno vymění. Také vzhledem k různému množství vody při startu rakety je třeba mít možnost změnit velikost křidélek. Pro stabilitu letu je totiž nezbytné, aby centrum tlakových sil C P bylo za centrem hmotnosti (těžištěm rakety) C G. CP CG 6

D Středový prstenec Tato součástka plní několik funkcí najednou. Primárně jde o vrchní dno tlakové nádoby. Tato duralová součástka je zalepena konstrukčním lepidlem do koncové časti karbonového dílu. Poskytuje ochranu elektronice a mechanizmu spouštějícího návratový systém. A nakonec tvoří vedení špičky rakety. E Elektronika Jedná se především o přijímač a servomotorek, které spouštějí návratový systém. Jde o jednoduchý a spolehlivý způsob, jak bezpečně otevřít padák ve správnou chvíli. Další součástí je mikrokamera se záznamovým zařízením, které poskytnou důležitá data o průběhu letu. F Padák Padák je hlavní součástí návratového systému. Jeho velikost se odvíjí od požadované sestupové rychlosti a hmotnost rakety při návratu, která se bude přibližně dva kilogramy. Konstrukce je velice prostá jedná se o 8 dílů přibližně trojúhelníkového tvaru vyrobených ze skytexu, jenž po sešití vytvoří vrchlík koule. Důležitým aerodynamickým prvkem je otvor ve vrchní časti padáku, jenž zaručí stabilitu. Při jeho absenci by vlivem střídavě se tvořících vírů došlo k rozhoupaní padáku a poté k jeho zborcení. G Špička Jedná se o díl vyrobený firmou La composite. Tento karbonový díl je vyroben zajímavou laminovací technologii. Používá se k ní předem pryskyřicí nasycená tkanina. Ta se umístí do formy a pod tlakem se precizně přimáčkne k formě. Poté se v autoklávu vystaví teplotě, při níž se zaktivuje tvrdidlo v pryskyřici. Teplotní křivka není lineární. Jsou zde různé úrovně. Jedna z prvních je teplota, při níž začne být pryskyřice tekutá. To umožní pomocí podtlaku odsát přebytečnou pryskyřici mimo výrobek. Špička plní především funkci aerodynamického krytu padáku a elektroniky. Je nasazena na středový prstenec. Zde je zaaretována zámky, které jsou ovládány servomotorem. Mezi padák a špičku je umístěna lehká pružina. Ta zajistí spolehlivější a rychlejší otevření padáku. H Spojovací lanko 7

Jeho funkcí je udržet oddělenou špičku u rakety a tím zamezit její ztrátě a poškození. 3.Startovací zařízení Funkce, které startovací zařízení plní jsou především dvě. A to aretaci rakety při plnění vzduchem až do doby, kdy se dosáhne požadovaného tlaku. V okamžiku startu se aretace uvolní a systém pohonu začne vytvářet tah. Druhou funkcí startovacího zařízení je vedení rakety, než dosáhne rychlosti, při níž začne fungovat aerodynamická stabilizace letu. Vedení rakety je uskutečněno pomocí 3 vodících tyčí. Výhodou tohoto řešení je, že se dá snadno měnit úhel startu. Na těleso rakety nemusí být připevněna žádná vodící pouzdra zvětšující třecí odpor. 4.Závěr Vodou poháněná raketa má jistě mnoho omezení a nikdy nedosáhne výkonů raket na pevná či kapalná paliva. Její výhodou je však možnost snadno a levně opakovat start bez potřeby jakéhokoliv paliva. Ekologické důsledky provozu rakety jsou zřejmé. Tím, že se nepoužívá spalovací proces, má raketa bezpečnostní výhody. Její uplatnění se dá hledat především u modelářů a firem vyrábějících modely. Byl proveden úspěšný ověřovací experiment funkce vodou poháněné rakety s užitím PET lahve a amatérský videozáznam letu bude předveden. 8