Технология изготовления простых пиротехнических ракет

Ракета – это пиротехническое устройство развлекательного характера, одиночного вида работы (single shot), которое, с помощью реактивной тяги, выводит полезную нагрузку на определённую рассчитанную безопасную высоту, где происходит раскрытие снаряда определённого типа (цилиндр, люсткугель, шатрик, сигнал).

Данное устройство состоит из основных отдельных изделий "Рис.1", "Рис.2":

• Фестивального шара, либо чаще всего, цилиндра.
• Твёрдотопливного двигателя.
• Рейки - стабилизатора.
• Фитиля.

Основные положения

Из школьных уроков физики и химии известно, что космическая ракета приводится в движение за счёт её отталкивания от части своей массы. Эта масса является однокомпонентным или многокомпонентным, жидким или твёрдым топливом, при сгорании которого, высвобождается огромная внутренняя энергия в виде тепла. Эта энергия, в камере сгорания преобразуется в кинетическую, при этом, раскалённые частицы газа, ускоряясь, вылетают из сопла двигателя, совершая работу.

В классических пиротехнических твёрдотопливных двигателях используется топливо на основе окислителя - KNO3 и горючего C, S. При инициации горения топлива с глубины канала, начинается химическое термодинамическое превращение твёрдотопливной смеси в газообразные продукты, такие как: CO, CO2, N2, O2, и твёрдые мелкодисперсные частицы: K2O, K2CO3, K2S, K2SO4, С. Благодаря не сгоревшим частицам древесного угля, вылетающим из сопла ракеты вместе с газами, образуется искристый хвост (шлейф), длина цвет и плотность которого зависят от пропорции и состава топливной смеси. Составы топлив могут отличаться кислородным балансом, наличием металла для искрообразования, катализатора, пассиватора, а так же пластификатора и других дополнительных веществ и соединений, благоприятно влияющих на процесс горения. Таким образом, можно сделать вывод, что между пиротехническими двигателями и твёрдотопливными ускорителями космических ракет не столь уж и большое различие с точки зрения принципа работы и основной компоновки.

Инструменты и реактивы

• Ракетный набор (Унтерзац и набойники различной длинны).
• Пресс с манометром, либо резиновая или деревянная киянка.
• Сита 1мм и 0,2 - 0,1 мм.
• Воронка.
• Мерные ложки.
• Поднос.
• Набор свёрл.
• Навойник (любая гладкая трубка с нужным внешним диаметром).
• Полиэтиленовый пакет с застёжкой.
• Бутылка с распылителем или шприц.
• Герметичные пластиковые ёмкости.
• Электронные или механические весы.
• Картонная гильза определённого диаметра (корпус двигателя)
• Бумага - кравт или картон.
• Обычный клей ПВА или столярный (на водной основе).
• Рейка - стабилизатор определённой длинны.
• Калий азотнокислый (KNO3).
• Сера (S).
• Древесный уголь сосновый или берёзовый (С).
• Бентонит (смесь глин высшего сорта), либо кошачий наполнитель (глиняный)
• Квик - матч.
• Виско - замедлитель.

Изготовление ракетного топлива

Измельчение реактивов

Предупреждение! Процесс довольно пыльный и огнеопасный, не забудьте защитить органы зрения и дыхания с помощью защитных очков и респиратора!

Основными реактивами смесевого ракетного топлива являются: азотнокислый калий, сера и древесный уголь. Все три компонента должны иметь необходимую чистоту и дисперсию, иначе примеси в этих веществах скажутся на работе двигателя. Так же, по мимо чистоты, они должны быть абсолютно сухими. Для начала, рассмотрим таблицы и определимся с выбором пропорции ракетного топлива.

Таблица параметров 20 мм ракет

Пропорция топлива выбирается в зависимости от калибра двигателя, длинны топливного канала, наличия сопла или его отсутствия, максимально допустимой полезной нагрузки. После выбора основных параметров, начинается стадия изготовления. Перво - наперво, нужно взвешиваются и измельчаются реактивы до определённых размеров частиц, примерно от 100 до 200 микрон. Измельчается первым окислитель - нитрат калия и отдельно горючее - смесь серы с древесным углём. Измельчение проводится в специальном устройстве в шаровой мельнице, либо в промышленной или бытовой кофемолке. После измельчения желательно чистить ёмкость от остатков измельчаемых реактивов. Нельзя чтобы окислители смешивались и измельчались с горючим, так как это может привести к самовоспламенению! Чем выше дисперсия смеси окислителя и горючего, тем более чувствительна смесь к трению и удару! Измельчение кофемолкой производится так, как и написано в инструкции. В основном это 30 рабочих секунд. То есть, рассчитанная для кофемолки порция реактива измельчается периодично 4 - 5 раз с промежуточным отдыхом в 5 - 7 минут. Это нужно для предотвращения перегрева кофемолки, а так же для предотвращения её самовоспламенения.

Смешивание, увлажнение, сушка

Предупреждение! Процесс довольно пыльный, не забудьте защитить органы дыхания с помощью респиратора!

После того как все необходимые компоненты были достаточно измельчены, их нужно просеять (избавиться от инородных примесей и комков) и тщательно перемешать. Смешивание проводится в полиэтиленовом пакете с застёжкой. Засыпается в пакет через сито окислитель, горючее и плотно закупоривается застёжкой. Топливная смесь перемешивается примерно 3 - 4 минуты. После этого высыпается всё в удобную округлую пластиковую тару или фарфоровую ступку, где будет производиться увлажнение топливной смеси.

Увлажнение смеси нужно для того, чтобы растворимый в воде KNO3 при высыхании кристализовался и обволакивал не растворимые частици топлива. Это увеличивает процент прореагировавшей массы, что ощутимо сказывается на скорости горения, давлении и соответственно тяге двигателя. Увлажнять лучше всего шприцем, так как дозировать количество влаги им намного точнее и не так пыльно, чем распылителем. Перед началом надиваются резиновые перчатки, отмеривается 3 - 5% воды или 25% раствора этилового спирта от массы топлива. Смесь увлажняется и комкается пару минут руками. По консистенции она должна напоминать пластилин. Далее, сминается небольшой кусок и протирается через 1 мм сито на подстелённый лист бумаги, на подносе. Слой гранул должен быть равномерным и не слишком плотным. На 4 листах формата А4 как раз достаточно для размещения 100 г топлива ровным слоем.

Листы относятся в специальный сушильный шкаф, либо на открытый воздух под солнце, желательно в безветренную погоду, в противном случае высохшие частицы топлива будет разносить. Сушка при температуре 35 - 40 градусов и влажности воздуха 50 - 60% длится примерно 2 - 3 часа, а при комнатной температуре около суток. Время от времени топливо перемешивается. По истечению процесса сушки, лёгким надавливанием и истиранием слегка разрушаются гранулы для экономии места в таре. Смесь станет более плотной и равномерной. После проделанных манипуляций, ракетное топливо готово!

Если нужен бессопловой двигатель, то необходимо пропитать топливо минеральным маслом. Это улучшает прессование, увеличивает плотность топлива, и что более важно, стабилизирует горение топлива с положительным кислородным балансом. Для пропитки топлива нужен растворитель. Для этого хорошо подходит бензин - галоша или обезжириватель. Эти растворители наименее пахучи и обладают достаточной летучестью. Для того чтобы пропитать 100 грамм топлива, приготовляется масляный раствор, для этого к 15 - 20 мл растворителя прильём 2-3 мл минерального масла и перемешаем раствор. Далее, в округлую ёмкость засыпается 100 г топлива, выливается весь р-р и тщательно перемешивается, а после этого снова протирается через 1 мм сито и высыпается уже не на листы бумаги а на целлофан, чтобы бумага не впитывала всё масло в себя. Выветривание растворителя производится на открытом воздухе не под прямыми лучами солнца.

Сборка ракетного соплового и бессоплового двигателя

Предупреждение! Процесс довольно пыльный, огне и взрывоопасный, не забудьте защитить органы зрения, дыхания и слуха, а так же и руки, с помощью защитных очков, респиратора и противошумных наушников и огнеупорных перчаток! При забивке топлива, стойте сбоку от двигателя. Не подставляйте голову под направление вектора вылета набойника! При неправильном прессовании и следовательно воспламенении топлива, вылетающий набойник может вас покалечить!

Теперь подошёл самый ответственный момент в сборке ракет. В зависимости от того, какой вид двигателя нужен, технология сборки будет слегка меняться. Начнём с сопловиков, т.к. они наиболее часто собираемые пиротехниками - ракетчиками. В начале на унтерзац насаживается гильза так, чтобы шпилька была строго по центру трубки. Отмеряется оптимальное количество бентонита для формирования сопла, 1 - 1,5 грамм мерной ложкой, не больше, в противном случае будет неравномерная плотность топлива и перекос гильзы, что может привести к разрыву двигателя или прострелу заглушки во время старта. Прессование производится прессом с показателем усилия (манометром). Прессование так же допустимо без пресса спомощью деревянной или резиновой киянки, но таким методом двигатели с внутренним диаметром от 25 мм запрессовать не представляется возможным.

Перед запрессовкой топлива приготовливается гильза и отмечаются на ней рисками границы между секциями: отступами, заглушками, топливом с каналом и без канала. На набойнике так же могут отмечаться риски уровня запрессовки. Кстати, наглухо запрессованный промежуток топлива так и называется - глухой состав, выполняющий функцию трассера и замедлителя. Сверху гильзы вставляется воронка и засыпается первая порцию бентонита. После засыпки, выбирается самый длинный набойник. Его слегка приподнимают и опускают на дно несколько раз, чтобы равномерно распределилась глина или топливо, в зависимости от стадии запрессовки. Далее, всё ставится под пресс и создаётся с его помощью усилие в 1 - 1.3 тонны, не более 1.5 тонн, так как приобретённые в нашем магазине 20 мм картонные гильзы выдерживают усилие в 1.5 тонны. Если используется резиновая или деревянная киянка для прессования, то одна рука должна придерживать гильзу с набойником, а другой сделается 15 - 20 ударов средней силы резиновой или деревянной киянкой, ровно по центру набойника. Со всей силы по набойнику колотить ненужно! После, фиксируется большим пальцем угол между набойником и гильзой (если нет пометок на набойнике), и вынимается вращательными движениями. Далее, подставляестя набойник к гильзе, а большой палец упирается в конец гильзы и сравнивается запрессованный уровень с рисками на корпусе гильзы. Если набойник слегка забит глиной или топливом, можно слегка постучать по нему не металлическим предметом над ёмкостью для горючих отходов. Процедура повторяется N - количество раз. При каждой последующей забивке порции глины или топлива, нужно сверять готовый уровень с рисками и что более важно - вовремя менять набойник на более короткий. Это необходимо для избежания возникновения трения и удара металла об металл на минимальной площади прикосновения "Рис.3". После окончания прессования, необходимо аккуратно снять двигатель со шпильки унтерзаца, не повредив топливный канал. Для более лёгкого снятия движка со шпильки, перед забивкой, её смазывают минеральным маслом. После извлечения шпильки, с помощью фонарика, осмотривается топливный канал двигателя на наличие повреждений. При лёгком постукивании ладонью по движку из канала не должно сыпаться топливо, а глиняное сопло должно с трудом ковыряться ногтём. Если из канала значительно высыпается топливо, то этот двигатель можно смело считать браком, так как при запуске его просто разорвёт. Хранить ракетные двигатели нужно в герметичной, антистатической таре, с заклеенными малярной лентой торцами.

Формирование канала методом сверления

Предупреждение! Процесс довольно огне и взрывоопасный, не забудьте защитить органы зрения, слуха, а так же и руки, с помощью защитных очков, противошумных наушников и огнеупорных перчаток! При забивке топлива, стойте сбоку от двигателя. Не подставляйте голову под вектор вылета набойника! Не допускайте перегрева сверла при сверлении канала!

Данный метод схож с вышеупомянутым и годиться для производства двигателя, если отсутствует ракетный набор. Найти набойник нужного диаметра не так уж и сложно, по сравнению с вытачиванием целого набора. Преимущество данного метода в том, что можно не ограничиваться стандартизированными наборами, а разработать собственный не стандартный двигатель. Но так же есть и подводные камни. Прежде чем вы разработаете свой вариант с уникальными пропорциями топлива и параметрами двигателя, будет потрачена куча ресурсов и произведено много неудачных экспериментальных запусков. Однако, если не заморачиваться с изобретением "велосипеда", то всё встаёт на свои места.

Чтобы сделать ракетный двигатель без набора, достаточно будет хотя бы одного не полого набойника и металлического плоского основания - "блина". Удерживать гильзу при запрессовке на таком основании слегка сложнее, но вполне реализуемо. Прессовка каждой порции глины или топлива производится так же, как и написано выше, разница лишь в том, что топливо запрессовывается полностью наглухо и при формировании нижней заглушки, глина засыпается на само основание. После запрессовки, берётся сверло нужного диаметра, делается отметка - стопор сверла, то есть наматывается на него несколько слоёв малярной ленты. После этого, в буквальном смысле, сверлится "пальцами" топливный канал. Сверление производится в несколько заходов, чтобы освобождать канал от лишнего топлива. Можно сверлить канал микродрелью, но это если калибр двигателя очень мал. Микродрель относительно лёгкая и маломощная, поэтому нагрев сверла будет не столь сильным.

Предупреждение! Сверлить шуруповёртом или дрелью нельзя! Во-первых, это не удобно, не получится ровно просверлить канал, а во-вторых, моментально произойдёт перегрев и воспламенение, переходящее во взрыв!

Сборка ракеты

После того, как все необходимые части ракеты были сделаны, их нужно собрать вместе. Цилиндры и сферы прикрепляются несколькими способами. Первым самым и самым простым, это при помощи термоклея. На торец двигателя наносится термоклей, затем просовываются стопины в отверстие верхней заглушки двигателя, далее оба изделия центруются и прижимаются на несколько секунд, пока клей не остынет. Для второго способа крепления нужно намотать с проклейкой 2-3 слоя картона или 4-5 слоёв кравта, так, чтобы намотанные слои выходили за верхний торец двигателя на 1-1,5 мм. После этого, выходящая часть нарезается канцелярским ножом на лепестки. Лепестки проклеиваются и шар или цилиндр приклеивается к ним. Затем нужно обернуть с проклейкой шар или цилиндр так, чтобы лепестки были полностью накрыты слоями кравта или лентами малярного скотча. Это обеспечит надёжное крепление и во время перегрузок в полёте, что не даст головной части отвалиться.

Шатрик крепится совершенно по другому, вернее он собирается на самом двигателе ракеты, поэтому его сборка будет описана в другой статье.

Теперь, приготавливается отрезок квикматча так, чтобы из него торчали стопины на 20 - 30 мм. Огалёнными стопинами квик опускается на глубину топливного канала. В квик вставляется виско - замедлитель и у торца сопла, вместе с квиком, оборачивается в пару слоёв небольшим отрезком кравта, а затем привязывается толстой хб ниткой. Далее прикрепляется рейка - стабилизатор. Примерно 5-7 см на конце рейки намазывается столярным клеем и прижимается к нижней части двигателя, после чего фиксируется малярной лентой. Стабилизатор не должен болтаться и съезжать, в противном случае ракета может полететь куда угодно, либо рыскать в полёте, что неприемлимо. Для удобства и надёжности середина виско фитиля приклеивается малярной лентой к стабилизатору. Так же нужно на конец фитиля надеть маленький бумажный колпачёк, для защиты от фальшстарта.

Запуск

Запуск ракет производится всегда не вертикально вверх, а под небольшим наклоном в 30 градусов от зрителей. Это нужно как для безопасности, чтобы отработанный двигатель внезапно не упал никому на голову, так и для чёткого ракурса при раскрытии цилиндра. Ракета вставляется стабилизатором в сугроб и вращательными движениями слегка расширяется углубление, для того, чтобы на старте ракету ничего не держало. Категорически нельзя втыкать ракету в сыпучие породы, иначе она не взлетит! Так же нельзя запускать данное изделие с рук! "Рис.4" Для запуска ракет обычно используют специальные стенды с одним или несколькими местами для установки ракет "Рис.5". В зависимости от калибра сферы или цилиндра будет варьироваться и радиус безопасной зоны.

Удачи и успеха на запусках!