2040B型航模加力火箭

使用火箭来推进航模是一件激动人心的事情。

发动机的选择

常规的业余火箭发动机大多偏向于大推力、短工作时间,从OpenRocket软件的数据库可以窥得一番。但是对于具有机翼的航模来说,太大的过载很容易导致机体被破坏;阻力系数远大于同重量的模型火箭,过高的空速会让飞机的阻力以级数增加,飞行效果不佳。
做一个简单的仿真可以证明。如下建模一个简单的飞行器,不含发动机重量约150g。
使用相同总冲的两款发动机,垂直点火发射,上面的发动机为长工时发动机,有效推力时间为7s,下面的是短工时发动机,工作时间约2s。
结果对比如下:
可以看到,以上两款发动机总冲都是38Ns左右,其中长工时的发动机可以把飞机送到更高的高度,因此必须结合实际情况来设计一个性能合适的火箭发动机。

尺寸与制作

我根据手头的管材尺寸,制作了一款浅内孔燃烧的固体火箭发动机,PPR管内径20mm,药柱长度为两倍直径,整体装药约24g,喷管直径3mm,使用了常规喷管水泥内嵌陶瓷管的方式来避免冲刷扩孔,喷管和堵头都使用了从的发动机壳体上拧进的自攻螺丝来加强紧固避免喷出。由于喷燃比较小,发动机工作压强较低,通过几次对比测试后,为了保证一定的燃烧速度,在这里使用的是添加3%铁红的KNSB推进剂。

性能测试

药柱燃烧分为两个阶段:第一个阶段是从中心孔点燃开始到侧壁燃料燃烧殆尽结束,第二个阶段是剩下的无中心孔药柱的端面燃烧。发动机的工作效率主要在第一个阶段体现,第二个阶段由于喷燃比急剧下降,发动机压力明显降低,工作效率也明显下降,只能说勉强输出一定的推力而已,也拉低了整个发动机的比冲。
推力测试结果如下图,第一阶段推力迅速上升,在1.2s达到最大推力9N,随后过渡到第二阶段,推力下滑到3N左右并保持到燃烧结束。总体工作时间为4.5s。

小结

从测试数据上看,该发动机基本符合设计目的。由于推力小、推力尖峰出现晚,不适合安装在航模进行垂直发射,更适合用作水平飞行时的加力火箭使用。