مقدمه راکت مدل با قابلیت کنترل بردار رانش TVC

راکت مدل _ Model Rocket

راکت مدل یا به انگلیسی Model rocket به راکت های کوچک و دارای وزن پایینی گفته می شود که برای رسیدن به ارتفاع خیلی پایین طراحی شده اند. در هر کشور راکت های مدل قوانین مربوط به همان کشور را دارند اما در مجموع میتوان به راکت هایی که با پلاستیک یا چوب و یا کاغذ ساخته میشوند همگی زیر مجموعه ی راکت های مدل هستند. راکت های مدل را امروزه با پیشرفت تکنولوژی میتوان به راکت مدل با قابلیت کنترل بردار رانش ارتقا داد.

انواع راکت های مدل به اختصار

• راکت های مدل با بالک های ثابت و بدون سیستم هدایت پیشران

• راکت های مدل با قابلیت کنترل بردار رانش ( TVC ) _ Thrust vector control

• راکت های مدل با قابلیت نشست و برخاست عمودی ( VTVL ) _ Vertical Take off Vertical Landing

قسمت های مختلف یک راکت مدل با قابلیت کنترل بردار رانش

به سیستم راکت های مدل که قابلیت کنترل بردار رانش دارند سیستم تی وی سی (TVC) یا Thrust vector control میگویند.

• دماغه راکت
• بدنه راکت
• موتور راکت
• سیستم هدایت راکت
• بالک ها
• چتر نجات (برای استفاده دوباره از راکت)

دماغه راکت

آیا تا به حال به طراحی پره های هلی کوپتر نگاه کرده اید؟یا به طراحی بال های هواپیما یا یه تفاوت دماغه هواپیمای مسافربری و تفاوت آن با دماغه هواپیمای جنگی؟

دماغه ی راکت یکی از اجزای اصلی راکت مدل است. یک راکت در هنگام حرکت به مولکول های گاز برخورد میکند. این برخورد که بین جسم و مولکول های هوا صورت میگیرد در شاخه ای از علم ایرودینامیک بررسی میشود.

محدوده ی سرعت Subsonic یا زیر صوت

• سرعت کمتر از ۰/۸ ماخ

اگر سرعت راکت بسیار کمتر از سرعت صوت باشد در این صورت چگالی گاز ها(مولکول های هوا) در هنگام برخورد به راکت تقریبا ثابت است( از این رو میتوان آن را یک ذره در نظر گرفت) پس میتوانیم آن را با قانون بقای اندازه ی حرکت(مومنتوم یا تکانه)خطی تحلیل کنیم.

طراحی ایرفویل های ساب سونیک در هواپیماهای پروانه ای و هلی کوپتر ها(محدوده ی زیر صوت)

در شکل زیر مولکول های گاز به لبه ی منحنی ایرفویل برخورد میکنند و پس از گذر از سطح بالا و پایین ایرفویل در انتهای ایرفویل به یکدیگر میپیوندند

محدوده سرعت Transonic

• سرعت بین ۰/۸ و ۱/۲ ماخ (ترنسونیک به محدوده ای گفته میشود که هم جریان زیر صوت و هم بالای صوت را در برمیگیرد.)

اگر سرعت راکت نزدیک به سرعت صوت باشد در این صورت پس از برخورد گازها(مولکول های هوا)به دماغه ی راکت مولکول های هوا متراکم خواهند شد و با فشرده شدن مولکول های گازها فشار گاز در آن نواحی بالا میرود. با بالا رفتن فشار چگالی و دمای گازها نیز بیشتر خواهد شد در نتیجه ما باید نگران ابعاد و طراحی دماغه ی راکت باشیم.

وقتی سرعت برخورد راکت با گازها از سرعت صوت بالاتر میرود در این صورت فشار گاز در محل برخورد به راکت بسیار بالا خواهد رفت و دما و چگالی به شدت و یکباره زیاد خواهد شد و یک لایه ی بسیار نازک) به اندازه ی ابعاد مولکولی در حد آنگستروم ایجاد میشود. همین لایه ی نازک پر فشار که بین راکت و مولکول های هوایی که چگالی معمولی دارند قرار دارد امواج شوک نامیده میشود. تمامی محاسبات طراحی دماغه ی راکت برای همین لایه ی بسیار نازک انجام میشود.

به تصویر زیر نگاه کنید سرعت جریان هوا در نقاط مختلف پس از برخورد به ایرفویل متفاوت است تحلیل این بخش نیاز به آشنایی با علم ایرودینامیک دارد اما چند مورد را به خاطر بسپارید

1. ارتعاشات در جسم با سرعت صوت منتقل میشوند پس اگر جریان هوا با سرعتی بیشتر از سرعت صوت به جسم برخورد کند از وجود آن آگاه نمیشود این آگاهی توسط امواج شوک صورت میگیرد.
2. شوک ها را میتوان به وسیله ی طراحی یک لبه عمود بر جریان هوا ایجاد کرد که به آن شوک قائم میگویند همچنین بعدا به معرفی شوک مایل و شوک قوس دار یا کمانی شکل نیز میپردازیم.
3. جریان هوا بر روی نقاط مختلف ایرفویل ها سرعت های متفاوتی دارد اما به یاد داشته باشید که در یک نقطه نمیتوان دو جریان با شرایط متفاوت داشت زیرا ک جریان پیوسته است ؛ پس در شکل زیر در سرعت بالای یک ماخ انتهای ایرفویل با استفاده ایجاد دو شوک مایل(شبیه به دم ماهی) طراحی شده تا جریان هایی که از انتهای ایرفویل خارج میشود را به همان شرایطی ک در هنگام ورود داشته برگرداند.

محدوده ی سرعت Supersonic

وقتی سرعت برخورد راکت با مولکول های هوا به چندین برابر سرعت صوت و در محدوده ی سوپر سونیک میرسد امواج شوک بسیار قویتر از زمان قبل است زیرا که مومنتوم(اندازه ی حرکت یا تکانه) با توان دو سرعت رابطه ی مستقیم دارد. در این نوع طراحی باید توجه داشت که جریان هوا پس از برخورد به دماغه ی راکت موازی با سطح جسم به مسیر ادامه دهد. در دماغه ها و یا بال های هواپیما و همچنین دیگر نقاطی که هواپیما به یکباره از وجود جریان مولکول های هوا با سرعت سوپرسونیک آگاه میشود نیز این نوع طراحی بکار میرود.

به تصویر زیر نگاه کنید بعد از برخورد جریان هوا به دماغه راکت امواج شوک مایل ایجاد شده است هر چه سرعت بیشتر میشود امواج شوک به بدنه ی موشک نزدیک تر میشوند

محدوده ی سرعت ابرصوت _ Hypersonic

اما وقتی سرعت حرکت راکت بسیار بالا تر از سرعت صوت باشد در _محدوده ی ابر صوت یا هایپرسونیک_ مثلا بیشتر از ۵ ماخ(۵ برابر سرعت صوت) نوک دماغه ی موشک ها به صورت نوک تیز ساخته نمیشود و معمولا نوک آن حالت کروی شکل دارد(مخروطی ک نوک آن کروی است) هر چقدر که سرعت جریان از سوپر سونیک بالاتر رود و به ابرصوت نزدیک شود جریان به بدنه ی موشک نزدیکتر میشود به همین دلیل باید نوک موشک را نه نوک تیز بلکه با زاویه ای عمودتر نسبت به جریان هوا و کروی تر طراحی کرد زیرا باید تا حد امکان شوک ایجاد شده را از بدنه ی موشک دور نگاه دارد.در هنگام برگشت سفینه های فضایی مانند مدول آپولو و یا شاتل ها سرعت برخورد جسم به جریان هوا ۳۰ تا ۴۰ برابر سرعت صوت است!

طراحی قسمتی از مدول که مولکول های هوا به آن برخورد میکنند برخلاف تمامی موارد قبلی به صورت کاملا صاف میباشد و در این طراحی جریان پرفشار و امواج شوک به بدنه ی جسم برخورد میکنند و دمای سطح بسیار افزایش پیدا خواهد کرد و فشار بسیار بیشتر از موارد قبل بالا میرود این فشار و دمای بالا باعث یونیزه شدن ماده و در نتیجه تغییر شکل آن میشود.

در این نوع طراحی باید تا میتوان با طراحی کاملا صاف و ایجاد شوک عمودی سرعت را کاهش داد تا امواج شوک از بدنه فاصله بگیرند و همچنین باید از یک لایه مواد پلیمری و قیر مانند با نقطه ی ذوب بالا روی دماغه ی موشک بالستیک و یا روی مقطع مدول آپولو یا شاتل و بدنه ی آن استفاده کرد تا ماده ی قیر مانند در دمای بالایی که ناشی از انتقال حرارت به روش لایه مرزی بین مولکول های هوا و بدنه ی جسم است تبخیر شود و از انتقال حرارت مستقیم به بدنه ی اصلی موشک یا سفینه ی فضایی که باعث تغییر شکل و از بین رفتن بدنه میشود جلوگیری کند.

در هنگام برگشت به سطح زمین مقطع صاف موشک یا سفینه باعث کم شدن سرعت آن میشود در نتیجه امواج شوک از بدنه فاصله میگیرند در مرحله ی بازگشت به جو ما برخلاف مرحله ی خروج از جو نیازی به افزایش سرعت نداریم بلکه کم کردن سرعت امری مهم تلقی میشود.

در سفینه های فضایی سرعت باید تا جایی پایین بیاید که شاتل ها بتوانند سالم بر روی زمین فرود آیند. در موشک های بالستیک پایین آوردن سرعت برای افزایش دقت آنها امری بسیار مهم تلقی میشود اما در موشک های بالستیک قاره پیما معمولا دقت اولویت اصلی نیست و خطای اصابت آنها چندکیلومتری است اما این خطای چند کیلومتری با در نظر گرفتن حمل چندین کلاهک هسته ای بسیار ناچیز است.

معمولا سرعت سفینه های فضایی و موشک های بالستیک قاره پیما در مرحله ی بازگشت به جو در محدوده ی سرعت ۲۵ ماخ تا ۴۰ ماخ است اما سرعت سفینه های فضایی در هنگام فرود تقریبا به سرعت هواپیماهای جنگنده در لحظه ی فرود میرسد(مثلا در شاتل به جز طراحی آیرودینامیکی از چتر نجات و موتور های مخصوص برای فرود بر روی باند استفاده میشود). موشک های بالستیک قاره پیما نیز بعد از ورود دوباره به جو زمین مقدار بسیار زیادی از انرژی جنبشی و سرعت خود را از دست میدهند.

مطالب فوق جهت آشنایی مختصر با دماغه ی راکت ها بود اما در راکت های مدل به دلیل سرعت کم راکت نیاز چندانی به طراحی پیچیده و محاسبات خاص وجود ندارد و با مواد بسیار ساده نیز میتوان دماغه ی راکت را تولید کرد.

بدنه ی راکت

همانطور که از نام آن پیداست بدنه ی راکت یکی از اجزای اصلی راکت مدل است که تمامی قطعات اصلی بر روی آن یا داخل آن قرار میگیرند. در راکت های مدل میتوان از چوب ، پلاستیک و قطعات در دسترس استفاده نمود.

در راکت های پیشرفته جنس بدنه مقاومت سازه در برار تنش ها دما و بسیاری موارد دیگر مطرح است همینطور طراحی و محاسبات آیرودینامیک نیز برای طراحی بدنه در نظر گرفته میشود اما در راکت های مدل میتوان از یک لوله ی پلاستیکی نیز برای این امر استفاده نمود.

موتور راکت

طبق قوانین اکثر کشور ها ساخت موتور راکت مدل توسط سازنده های آماتور ممنوع است اما موتور آماده ی آن به فروش میرسد و سازنده های راکت آماتور میتوانند هر نوع موتوری ک میخواهند برای راکت خود تهیه کنند.

انواع مختلف موتور راکت

به طور کلی موتور های راکت به دو نوع سوخت مایع و سوخت جامد تقسیم میشوند. طبق قانون سوم نیوتون اگر جسمی به جسم دیگر نیرو وارد کند جسم دوم نیروی به همان اندازه و در خلاف جهت به جسم اول وارد خواهد کرد.

هنگامی که موتور یک راکت(سوخت مایع و جامد) روشن میشود یک ماده ی سوختنی(سوخت)به همراه یک ماده ی اکسید کننده ترکیب میشوند ترکیب حاصل موجب احتراق(سوختن سریع) میشود در این ترکیب مقدار زیادی گاز و حرارت تولید میشود(سوختن گرماده یا گرمازا است) و حجم قابل توجهی گاز در مدت زمان بسیار کم از محفظه ی موتور خارج میشود. خروج گاز های داغ از موتور باعث‌ میشود که راکت به سمت جلو حرکت کند.(در حقیقت راکت گازهای داخل موتور را به بیرون پرتاب میکند و عکس العمل این نیرو راکت را با سرعت به سمت جلو پرتاب میکند) برای درک بهتر این موضوع میتوان پارو زدن در هنگام قایق سواری را تصور کرد ما با پارو زدن به آب نیرو وارد میکنیم و آب به ما و قایق در خلاف جهت.

راکت سوخت مایع

به راکتی گفته می‌شود که به وسیله گازهای گرم حاصل از ترکیب سوخت با یک مایع اکسید کننده به جلو رانده می‌شود. طراحی و ساختمان این موشک‌ها پیچیده‌تر از موشک سوخت جامد است.

راکت سوخت جامد

راکتی است که نیروی محرکه آن از خروج گازهای داغ ناشی از سوختن یک ماده جامد تأمین می‌شود. ساختمان موشک‌های با سوخت جامد ساده و نگهداری آنها آسان بوده و از این رو کاربردهای گسترده‌ای در عرصه‌های نظامی و غیرنظامی دارند. اولین موشک‌های ساخته شده در جهان موشک‌هایی با سوخت جامد و از نوع باروت بودند؛ این موشک‌ها توسط چینی‌ها ، هندی‌ها، مغول‌ها و ایرانی‌ها از سده ۱۳ میلادی در جنگ‌ها استفاده می‌شدند

سوخت موتور ها

برای تولید سوخت مورد نیاز برای موتورهای راکت مدل در شرایط کارگاهی پیش نیازهایی از قبیل مطالعه ی بخش هایی از شیمی پایه، فرمولاسیون، استوکیومتری و دانش ابتدایی کار با ابزار آزمایشگاه شیمی کفایت میکند.

ساختن سوخت موتورها خود نیاز به مقاله ای تخصصی و جداگانه دارد اما یکی از سوخت هایی که معمولا راکت سازان آماتور در خانه تولید میکنند(از انجام این کارها در خانه پرهیز کنید) سوخت آبنباتی نام دارد.

سوخت آبنباتی همانطور که از نامش پیداست از مواد شیرین و قندی مثل شکر به عنوان ماده ی سوختنی و مواد دیگر به عنوان اکسید کننده ساخته شده است.

یکی از انواع سوخت های آبنباتی از ترکیب شکر(C12H22O11) به عنوان ماده ی سوختنی و ترکیب پتاسیم نیترات(KNO3) به عنوان اکسید کننده به دست می اید.(ترکیب پتاسیم نیترات در کود های شیمیایی استفاده ی زیادی دارد)

همانطور که میدانید سوختن نوعی از اکسایش است. بدن انسان را در نظر بگیرید. پس از خوردن ماده ی قندی مانند گلوکز در بدن ما واکنش شیمیایی ای صورت میگیرد و طی آن گلوکز با اکسیژن ترکیب میشود و به بخار آب و کربن دی اکسید و همینطور گرما و انرژی تبدیل میشود.

حال تصور کنید سوختن با سرعتی بسیار زیاد انجام شود. در این صورت مقدار زیادی گرما نور و حرارت در مدت زمان کمی تولید میشود که به آن احتراق میگویند.

در ترکیب پتاسیم نیترات(که در ترکیب باروت سیاه نیز استفاده میشود) و شکر مقدار زیادی انرژی و حرارت و گاز های داغ تولید میشود.

KNO3+C12H22O11 = N2 + Co2 + H2O +k2CO3

توجه داشته باشید که ساختن این سوخت ها نیاز به دقت زیادی دارد. بسیاری از سازندگان این سوخت ها بدون در نظر گرفتن بسیاری از پارامترها شروع به ساخت این سوخت میکنند و سوخت آنها ناقص میسوزد و یا با سرعتی بسیار آهسته.

توجه داشته باشید همین سوخت های آبنباتی در صورت ترکیب درست و استفاده از مواد اولیه ی خالص و رعایت تمامی جوانب میتوانند موتوری با تراستی بسیار قدرتمند تولید کنند اگرچه از این نوع سوخت برای پرتاب راکت های پیشرفته استفاده نمیکنند اما اگر همین سوخت نیز درست ساخته شود راکت مدلی وجود ندارد که نتوان با این نوع سوخت آن را به ارتفاع مناسب رساند.

مطالب فوق از این جهت اهمیت دارد که بدانیم هر نوع سوخت با هر نوع اسم و ترکیبات باید با دانش شیمی ساخته شود اگر کسی نتواند سوخت آبنباتی را با تراست بالا بسازد ،با ساخت سوخت های پیچیده تر فقط هزینه ی زیادتری را صرف میکند و نتیجه ی مطلوبی نخواهد گرفت.

سیستم هدایت راکت

همانطور که از نامش پیداست وظیفه ی هدایت راکت را بر عهده دارد. این سیستم میتواند با استفاده از سنسورهای مختلف راکت را هدایت کند. این سیستم معمولا بالک ها و یا جهت بردار رانش موتور و یا هر دو با هم را کنترل میکند. در مقاله های بعدی به شرح الکترونیک هوانوردی(Avionics) به صورت تخصصی برای شما عزیزان خواهیم پرداخت.

سیستم کنترل بردار رانش

Thrust vector control یا به اختصار TVC یک توانایی برای کنترل بردار رانش یا پیشران موتورهای هواپیما یا راکت ها است که میتواند ارتفاع و جهت زاویه ی موتور و در نتیجه هدایت راکت را برعهده بگیرد.

امروزه راکت مدل پیشرفت زیادی داشته است از راکت های ساده به راکت هایی با قابلیت کنترل بردار رانش TVC و حتی راکت هایی با قابلیت نشست و برخاست یا به اختصار VTVL تبدیل شده اند.

بعضی از قطعاتی که در پروژه های آردوینوی راکت مدل برای شما عزیزان در آینده ای نزدیکدر نظر گرفته خواهد شد و توضیحات مرتبط با آنها به شرح زیر است:

ژیروسکوپ: ژیروسکوپ برای اندازه گیری و یا حفظ جهت بکار میرود. ژیروسکوپ یک وسیله ی مکانیکی بود. یک چرخ دوار که در داخل یک گیمبال متشکل از دو دایره بود و وزن این گیمبال خود بر روی دایره ای بیرونی قرار داشت. رفتار ژیروسکوپ مبتنی بر پایستگی ویژگی‌های تکانهٔ زاویه‌ای است.

بیان روشن تر برای تمام سنین:

فرض کنید یک قطب نما در دست دارید کار یک قطب نما نشان دادن جهت شمال است حال آیا اگر شما به جهت های مختلف بچرخید جهت عقربه ای ک شمال را نشان میدهد با چرخ شما تغییر خواهد کرد؟ خیر جهت عقربه همیشه رو به شمال خواهد بود حال تصور کنید یک ژیروسکوپ دارید به وسیله ی ژیروسکوپ میتوانید تمامی جهت ها یعنی محورx محور y و محور z را تشخیص دهید حال با چپ و راست رفتن چرخیدن و خم شدن این سه جهت تغییر نخواهد کرد. بنابراین راکت شما با چرخ های دورانی و حرکت های طولی و عرضی همواره جهت اولیه(ثابت)را تشخیص خواهد داد.

شتاب سنج: شتاب سنج به شما این امکان را میدهد که بتوانید تغییرات سرعت در واحد زمان را در جهت عمودی تشخیص دهید.

در سیستم های TVC معمولا از سنسور PMU6050 برای سنجش جهت و شتاب استفاده میکنیم.

سنسور فشار: از این سنسور برای سنجش ارتفاع راکت استفاده میکنیم. BMP280 معمولا سنسور مورد استفاده است.

سروو موتور:از سروو موتورها برای چرخش موتور در محور های مختلف استفاده میکنیم.

گیمبال: از گیمبال برای کنترل جهت حرکت موتور پیشران و اتصال موتور به بدنه استفاده میکنیم.

بالک ها

مبحث مربوط به بالکها و پایدار سازی راکت و نیز محاسبات مربوط به نقطه ی ثقل در راکت ها و طراحی های مرتبط با بالک ها و برآیند و جهات نیروهای وارد بر راکت خود مبحثی بسیار طولانیست که نیاز به ماه ها مطالعه دارد و از گفتن آنها به دلیل کوتاه بودن این مقاله خودداری میکنیم.

به طوری کلی بالک های ثابت در راکت ها وظیفه ی پایدارسازی راکت را برعهده دارند و طول و اندازه و محل قرار گیری آنها نیاز به محاسبات دارد اما بالک های انتهایی در راکت ها معمولا این وظیفه را در راکت های مدل به عهده میگیرند.

همچنین بالک ها وظیفه ی تعیین جهت راکت و هدایت آن را نیز بر عهده دارند و با سیستم هدایت راکت در ارتباط هستند.بالک ها در راکت ها به سه بخش زیر تقسیم میشوند.

بالک های انتهایی(tail Fins) بالک های میانی(wings) بالک های جلویی(canards).

با یک نگاه ساده میتوان دریافت که در هواپیماها نیز میتوان این سه نوع بال را مشاهده کرد.

اندازه و محل قرارگیری انها و فاصله ی انها با یکدیگر نیاز به محاسبات تخصصی دارد اما در مقالات بعدی ما به شما نحوه ی محاسبه ی تعدادی از آنها و همچنین مرکز ثقل و نحوه ی محاسبه ی برآیند نیروها را به شما خواهیم گفت

چتر نجات

چتر نجات نیز یکی از سیستم های مورد نیاز برای پروژه ی راکت های مدل است. ما با این چتر میتوانیم از یک راکت بارها و بارها استفاده کنیم و اطلاعات و دیتاهای به دست آمده از آن را اندازه گیری و تصحیح کنیم.

این نوع چتر ها در هواپیماهای کوچک نیز برای نجات سرنشین ها و هواپیما استفاده میشود.

مسابقات راکت های مدل

چندین دهه است که هر ساله در کشورهای پیشرفته راکت سازان آماتور در مسابقات ساخت راکت با یکدیگر به رقابت میپردازند.

امید است ما نیز شاهد پیشرفت روزافزون سازندگان راکت مدل در کشور عزیزمان ایران باشیم.

لطفا نظرات پیشنهادات و انتقادات و تجربیات خود را در بخش سوالات با ما در میان بگذارید.

• آیا علاقه مند به یادگیری و ساخت راکت های مدل هستید؟
• آیا تجربه ی ساخت راکت های مدل را دارید؟
• به کدام یک از انواع راکت های مدل علاقه ی بیشتری دارید؟
• سازندگان راکت های مدل اگر میخواهند در بخش راکت های TVC و VTVL فعالیت کنند باید تجربه و دانش زیادی در بخش رباتیک و برنامه نویسی داشته باشند. سطح دانش خود را چگونه ارزیابی میکنید؟

برای یادگیری ساخت راکت های مدل با صنایع آموزشی چالیک همراه باشید.

همچنین میتواتید سوال های مورد نظر خود را در بخش زیر مطرح کنید