Автор каналу Integza відомий тим, що будує маленькі ракетні двигуни буквально з водопровідної арматури — і цього разу вирішив піти нетиповим шляхом. Замість того, щоб спершу все прорахувати, а потім виготовити деталь із фіксованими розмірами, він поставив собі значно цікавіше завдання: створити регульоване сопло, розмір якого можна змінювати на льоту, підбираючи потрібний результат методом проб.
Несподіваний інжектор із запчастини для компресораВідправною точкою проєкту стала звичайна латунна спечена продувка — пористий металевий дифузор, який зазвичай використовують для рівномірного розподілу потоку газу. У побуті ця деталь допомагає позбутися гучного звуку від компресора. Але автор придбав її зовсім не для тиші в майстерні.
Раніше він уже будував крихітний ракетний двигун із латунних водопровідних з’єднань, і той працював навіть краще, ніж очікувалось. Секрет гарного згорання палива, як з’ясувалося після вивчення принципу роботи звичайної кемпінгової горілки, полягає в уповільненні потоку газу — тобто в його дифузії. Для цього автор свердлив безліч крихітних отворів у половинчастій дюймовій заглушці,
щоб газ рівномірно розподілявся по камері згорання.
Зазвичай при проєктуванні ракетного двигуна спочатку розраховується масова витрата газу й повітря, для чого потрібно знати тиск пропану та повітря — і вже на основі цих даних визначаються розміри отворів інжектора.
Проблема в тому, що отвори в готовій латунній продувці вже мікроскопічні за замовчуванням, і виміряти їх реальні параметри практично неможливо. Тож автор вирішив піти від зворотного: використати цю деталь просто як інжектор, знехтувати математичними розрахунками (за його зізнанням, він так робить доволі часто) і натомість зробити регульоване сопло, яке можна підлаштовувати під потрібний результат прямо під час роботи двигуна.
Ірисова діафрагма замість формулЗа основу механізму автор узяв ірисову діафрагму — той самий механізм, що використовується в об’єктивах фотокамер для регулювання розміру отвору. Розібравши стандартний варіант, він побачив просту конструкцію з рухомих трикутних пластинок. Проблема лише в тому, що діапазон регулювання виявився вкрай малим порівняно із загальним розміром механізму.
Довелося кілька годин переробляти геометрію: обрізати кути трикутників і трохи змінити їхній кут нахилу, щоб механізм відкривався ширше. Оскільки звичайний PLA-пластик для 3D-друку недостатньо точний для такого механізму — а деталі мають рухатись впритул одна до одної без жодних зазорів — автор надрукував нову версію на смоляному принтері Form 4, використовуючи спеціальну прецизійну смолу.
Графітове мастило та несподівані проблеми з тертямПісля миття надрукованих деталей у спирті (за відсутності ізопропілового довелося скористатись 96% етанолом — і майстерня одразу запахла горілкою) настав час перших тестів. Механізм відкривався, але не повністю — і причиною виявилось тертя між деталями.
Рішенням стало графітове мастило, яке справді значно покращило плавність руху. Втім, виникла нова проблема: при спробі повністю розкрити механізм чулося клацання — деталі перекошувались і заклинювали. Причина крилась у прямих пазах кришки, що штовхали штифти під незручним кутом на межі ходу. Автор зробив висновок, що в наступній ітерації пази потрібно робити злегка вигнутими.
Графітове сопло, яке не боїться вогнюОскільки графітове мастило показало себе настільки добре, автор вирішив піти далі й виготовити основну частину механізму повністю з графіту. Матеріал витримує температуру до 3000°C, має низький коефіцієнт тертя й легко обробляється механічно — ідеальний варіант для сопла ракетного двигуна.
Втім, у графіту є суттєві недоліки: він крихкий і під час обробки перетворюється на дрібний пил, що потрапляє буквально всюди — на верстат, камери, руки й обличчя. Єдиний спосіб позбутися цього пилу — гідроксид натрію, яким, звичайно, не варто митися.
Реклама, яка виявилась несподіванкою навіть для автораУ відео автор зізнається, що спонсор цього випуску, компанія Anydesk, попросила про дещо незвичне: замість стандартної реклами програмного забезпечення для віддаленого доступу до пристроїв, компанія запропонувала глядачам самим надіслати ідею для наступного амбітного та дорогого проєкту, який автор реалізує за їхній рахунок. За словами автора, це стало першим таким випадком за весь час ведення каналу.
Перші тести з пропаном: не так просто,
як здавалосьНастав час перевірити механізм у бойових умовах — із реальним горінням пропану. Влітку не було потреби додатково підігрівати балон для підвищення тиску: спека впоралася з цим сама. Графітове сопло витримало перший тест без жодної подряпини, але виникла інша проблема — запалити двигун із повністю відкритим соплом виявилось простіше, тому автор спробував трохи прикрити отвір.
З’ясувалось, що при відкритті балона для тестування газ декомпресується та охолоджується, через що падає тиск. Довелося все ж вдатися до підігріву балона, після чого тиск вдалося відновити до потрібних чотирьох атмосфер.
Головний експеримент: регулювання сопла на льотуНаступний тест показав, що обраний діаметр вже занадто малий для цього двигуна — і це попри те, що зменшення здавалось незначним. Річ у тім, що для сопла важлива не сама величина діаметра, а площа отвору, яка масштабується квадратично: зменшення діаметра вдвічі скорочує площу вчетверо.
Але саме заради цього й будувалась уся конструкція. Автор встановив сопло на максимальний розмір, запустив двигун, а потім почав регулювати діаметр отвору просто під час роботи — і механізм чудово впорався із завданням.
При повністю відкритому соплі двигун працював плавно, але не на повну потужність. У міру закриття вихлоп ставав різкішим і гучнішим. А якщо закрити занадто сильно, двигун починав пульсувати різкими викидами — тиск у камері згорання перевищував тиск у паливних лініях, штовхаючи пропелент назад у зворотному напрямку.
Цей ефект автор назвав небезпечним і таким, що потребує уваги в майбутніх ітераціях конструкції.
Проблема форми: шестикутник замість колаОтвір механізму мав форму не круга, а шестикутника — виглядало це доволі цікаво, але для аеродинаміки геометрія вкрай невдала. До того ж справжнє сопло має складатися не просто з отвору, а зі звужувального конуса та наступної розширювальної секції.
Натхненний конструкцією форсажних камер реактивних двигунів, де використовуються рухомі лопатки для зміни розміру конуса, автор вирішив спростити механізм. Ідея полягала в поєднанні різьбового з’єднувача та гайки для вертикального переміщення, у парі зі слайдером та зрізаним конусом, до якого кріпляться лопатки, здатні рухатись вгору-вниз.
Плоскі лопатки, розташовані внахлест на кшталт риб’ячої луски,
все одно давали шестикутну форму. Перехід на вигнуті лопатки покращив взаємне зчеплення деталей, але ідеального круга досягти все одно не вдавалося.
Тонка сталь замість пластикуНайкращим рішенням виявився лист сталі товщиною лише 0,1 мм — настільки тонкий, що матеріал легко гнеться й здатний самостійно набувати потрібної форми. Вирізати лопатки з цього матеріалу вдалось на гравіювальному верстаті, хоча інструмент після такої роботи, ймовірно, довелося замінити — верстат зазвичай не розрахований на різання нічого твердішого за латунь.
Результат порадував автора — механізм рухався напрочуд плавно, а форма отвору всередині нарешті наблизилась до справжнього круга, хоча зовні лопатки все ще утворювали шестикутний контур.
Фінальна збірка та вогневий тестОскільки внутрішня частина механізму спершу була виготовлена зі смоли — матеріалу вкрай горючого — автор переробив цю деталь у металі. Після фінального нагріву та тестування готове сопло показало приголомшливий результат: тонкі металеві лопатки товщиною лише 0,1 мм витримали тиск та високу температуру, лише трохи окислившись після кількох випробувань.
Автор зазначає, що надалі цілком може використовувати цей механізм як інструмент для проєктування невеликих ракетних сопел без складних розрахунків — не тому, що має щось проти математики, а тому, що експериментувати просто цікавіше.
Наступний крок: аероспайк замість подвійного механізмуНаостанок автор поділився ідеєю для майбутнього проєкту — повністю змінної геометрії сопла. Замість складної подвійної конструкції він планує спробувати конструкцію аероспайк, де переміщення центрального шипа вперед і назад дозволяло б керувати всією геометрією сопла одночасно — звужувальною частиною, горловиною та розширювальною секцією.
Втім, за власним зізнанням автора, ця ідея потребує ще певного часу на обдумування, перш ніж втілитися в металі.
Запис Регульоване сопло для ракетного двигуна: як інженер-аматор створив його без розрахунків спершу з'явиться на ProstoMob.
