Разработка модели ракеты из современных и перспективных материалов

DEVELOPMENT OF A ROCKET MODEL WITH MODERN AND ADVANCED MATERIALS

Maxim Arevkov

Assistant, Amur State University, Russia, Blagoveshchensk.

Valeriya Berezovskaya

Student, Amur State University, Russia, Blagoveshchensk.

Diana Dubra

Student, Amur State University, Russia, Blagoveshchensk.

Sergey Stupnikov

Student, Amur State University, Russia, Blagoveshchensk.

Sergey Chiryasov

Student, Amur State University, Russia, Blagoveshchensk.

Аннотация. Ракетное моделирование приобретает все большую популярность, как у школьников, так и у студентов. Выбор материалов для изготовления модели ракеты играет немаловажную роль. Необходимо знать и правильно оценивать поведение материалов в условиях эксплуатации. Правильно выбирать материал и технологию его обработки с целью получения заданной структуры и свойств, обеспечивающих высокую надежность и долговечность изделий.

Abstract. Rocket modeling is becoming increasingly popular, both among schoolchildren and students. The choice of materials for making a rocket model plays an important role. It is necessary to know and correctly evaluate the behavior of materials under operating conditions. Choose the right material and processing technology in order to obtain the desired structure and properties that ensure high reliability and durability of products.

Ключевые слова: модель ракеты; пластик, стеклопластик, эпоксидная смола, композитный материал.

Keywords: model of the rocket; plastics, fiberglass, epoxy resin, composite material.
 

В данной работе была разработана ракета из современных и перспективных материалов, целью которой является выведение полезной нагрузки на максимальную высоту. Для отделения и спасения полезной нагрузки и ракеты было установлено оборудование с электронной бортовой системой.

Для расчетов параметров ракета была построена в программном обеспечении «OpenRocket».

С целью уменьшения массы ракета спроектирована с переменным диаметром с последующим соединением муфтой.

Ракета – носитель состоит из следующих элементов: головной обтекатель, отсек для полезной нагрузки, поршень, муфта, электронная система разделения, стопорное кольцо двигателя, труба для двигателя, двух направляющих, корпусная труба, оперение.

Рисунок 1. Модель ракеты

Стеклопластик – это композиционный материал, состоящий из стекловолокнистого наполнителя и связующего вещества. Стекловолокно позволяет материалу сопротивляться разрушению под действием напряжений. В качестве матрицы, обеспечивающей скрепление стекловолокон, выступают связующие смолы, чаще всего эпоксидные. Соотношение стекловолокна и связующих смол составляет 8:2.

Стеклопластик имеет относительно не большую плотность — около 2 г/см³, а предел прочности на растяжение достигает 100 кг/мм² и более. Материал обладает такими свойствами, как немагнитность; хорошие тепло-, звуко- и электро- изоляции; высокая коррозионная и химическая стойкость к растворителям и другим агрессивным средам. Подобные качества стеклопластиков позволяют им успешно конкурировать с традиционными конструкционными материалами — сталями и высокопрочными сплавами.

При изготовлении ракеты следует учитывать, что на ее конструкцию в разных направлениях действуют различные по величине нагрузки и усилия.

Так как металлические корпуса ракет имею равную прочность во всех направлениях, использовать их неэффективно. Стеклопластики же позволяют изготовить такие конструкции,  которые в различных направлениях имеют различную прочность пропорционально действующим нагрузкам. Исходя из этого было решено изготавливать корпусную трубу, трубку отсека двигателя и корпус для полезной нагрузки из композитного материала, состоящего из стекловолокна и смолы, методом накатки. Компоненты модели ракеты из композитных материалов получились легкие и прочные. Широкое применение 3D печати нашло место и в ракетной отрасли. Создание физического объекта послойно на базе его трехмерной модели, позволяет воспроизводить детали и элементы любой сложности, без необходимости применения ручного труда.  Преимуществами 3D печати являются: быстрый производственный цикл, технологичность и, что немаловажно - сравнительно низкая стоимость.

Одним из самых перспективных и нетоксичных пластиков является полилактид (ПЛА, PLA) - биоразлагаемый полимер. Он обладает хорошими антифрикционными свойствами, а также высокой жесткостью, что делает его подходящим для 3D-печати деталей и элементов ракет. В обычном состоянии PLA пластик выдерживает температуру в пределах 50-60 °С, после чего начинает переходить в аморфное состояние. Чтобы повысить  свойства данного  пластика применяется отжиг. Нагрев способствует снятию остаточного напряжения и вызывает рекристаллизацию, как следствие увеличивается температура тепловой деформации. Для отжига деталь следует нагреть до 110 °С и выдержать в течение 30 минут. Затем необходимо оставить остывать до комнатной температуры. После охлаждения пластик будет размягчаться при температуре от 120 °С и выше. При этом прочностные характеристики возрастут. В процессе проектирования изделия, которое будет подвержено термической обработке, необходимо учесть величину усадки линейных размеров.

Такие элементы, как головной обтекатель, поршень, муфта, корпус электронного разделения, стопорное кольцо двигателя, направляющие были напечатаны на 3D принтере PLA – пластиком с применением отжига. Оперение ракеты-носителя было изготовлено из ПВХ пластика.

В итоге была спроектирована модель ракеты и проведено два запуска. В ходе запусков все системы отработали в штатном режиме, подтвердив качество и надежность их сборки, правильность использованных инженерных решений, математических вычислений и материалов.

Рисунок 2. Готовая модель ракеты