< Serge77 - Моя ракетная мастерская >

Ракетная школа

Урок 7: расчёт, изготовление и крепление стабилизаторов

Стабилизаторы нужны ракете, чтобы лететь прямолинейно. Если стабилизаторы расчитаны неправильно, ракета оказывается аэродинамически нестабильной и кувыркается в воздухе. Существует единственное правило, гарантирующее стабильность ракеты - Центр Тяжести (ЦТ) должен быть выше (ближе к голове), чем Центр Давления (ЦД). Это правило действует для всех неуправляемых ракет, включая и те, у которых двигатель расположен в голове ракеты, например пиротехнические ракеты на рейке. Существует миф, согласно которому двигатель, расположенный в голове ракеты, "тянет" её, поэтому ракета будет стабильна и без стабилизаторов. Это миф, он неверен.

Определения Центра Тяжести ракеты

ЦТ определяется простым уравновешиванием ракеты на пальце. При этом ракета должна быть полностью собрана в таком виде, как она уйдёт в полёт, т.е. со снаряженным двигателем, парашютом, стабилизаторами и т.д. Вместо двигателя или других частей можно использовать точные масово-габаритные модели. Поскольку размер стабилизаторов на этот момент ещё не посчитан, мы не можем точно задать их массу и точно определить ЦТ ракеты. Нужно использовать грузы, примерно равные по весу будущим стабилизаторам, найти ЦТ, использовать его в дальнейших расчётах стабилизаторов, по результатам расчётов скорректировать вес этих грузов и ещё раз проверить правильность расположения ЦТ и ЦД (об этом ниже).

Определение Центра Давления

Простой, хотя и не очень точный метод - метод боковой проекции (центр аэродинамической проекции, ЦАП). Нужно вырезать из картона профиль ракеты и найти его Центр Тяжести, это и покажет, где находится Центр Давления ракеты. Этот метод использовался в докомпьютерную эру в детских кружках.

Гораздо белее точный метод расчёта ЦД - метод Барроумана (Центр Давления Барроумана, ЦДБ). Здесь довольно сложные формулы, поэтому лучше использовать не калькулятор, а подходящую программу. Например Rocki-design, которую можно взять здесь.

В программе нужно задать размеры ракеты и полученное вами положение Центра Тяжести. Затем подбирать размер и форму стабилизаторов, чтобы расстояние между ЦТ и ЦДБ было в пределах 1-2 диаметров ракеты (это расстояние, выраженное в калибрах ракеты, называется запасом стабильности). При этом нужно следить, чтобы ЦАП тоже был хоть на сколько-то ниже ЦТ. Результат расчёта выглядит так:

Казалось бы, чем больше запас стабильности, тем лучше, однако это не так. Чем больше запас, тем сильнее ветер отклоняет ракету от вертикальной траектории, ведь ракета ведёт себя как флюгер и поворачивается носом навстречу ветра.

Форма, изготовление и крепление стабилизаторов.

Теоретически, чем дальше от носа ракеты находятся стабилизаторы, чем ниже они вытянуты (номер 1 на рисунке), тем сильнее они опускают Центр Давления вниз. А значит для оптимального запаса стабильности потребуются стабилизаторы меньшей площади, они будут давать меньшее аэродинамическое сопротивление и меньше весить. Но такие стабилизаторы сломаются в первом же полёте, когда ракета, весящая несколько килограммов, ударится ими о землю со скростью 10 м/с. Поэтому такую форму можно встретить только на маленьких лёгких модельных ракетах, спускающихся очень медленно.

Форма 2 также неудачна, потому что большой размах уменьшает жёсткость стабилизаторов и они легко могут поймать флаттер. Кроме того, маленькая длина прилегания к корпусу ракеты уменьшает прочность крепления стабилизатора.

Стабилизаторы 3 и 4 достаточно жёсткие и прочно держатся за корпус, но могут сломаться при ударе о землю, хотя вероятность этого ниже, чем у 1 или 2.

Оптимальной я считаю форму 5, где нижний край стабилизатора отодвинут от кормы ракеты на 10-15 мм, а нижнее ребро уходит немного вверх. При такой конфигурации ракета приземляется на корму или на двигатель, выступающий из кормы, а стабилизаторы выведены из-под удара.

Хорошим материалом для изготовления стабилизаторов является фанера. Листовые пластики тоже подходят, особенно вспененный ПВХ, но они более хрупкие, чем фанера и чаще ломаются.

Крепить стабилизаторы проще всего на уголках. Это не лучший вариант с точки зрения аэродинамики, но для простых ракет, летающих на относительно небольших скоростях (100-200 м\с), это почти не влияет на высоту полёта. Уголков может быть больше, чем 2, они могут быть по обе стороны стабилизатора.

Другой вариант - приклеивание. Например фанеру к полипропиленовой трубе можно достаточно прочно приклеить термоклеем, но нужно соблюдать некоторые тонкости, как описано для ракеты Инспектор.

Все рекомендации на этой странице относятся только к ракетам, летающим на относительно небольших скоростях, 100-200 м/с. Для сверхзвуковых ракет Центр Давления нужно расчитывать по-другому, изготавливать стабилизаторы из других материалов и крепить совсем по-другому.

29.06.2018 Serge77