které se umístí přímo do rakety a zaznamenává letovou výšku. Posléze je možno zjištovat výškový profil letu, rychlost a jiné veličiny, které byly dosaženy.
Tuto kapitolu stránek LK berte jako inspiraci pro případ, že už děláte spolehlivé raketové motory a nevíte, co s nimi dál. Chcete-li trochu sofistikovanější zařízení, které vám řekne, co vaše motory vlastně dokáží, pak vítejte.
S dalšími "raketovými" kolegy se často přeme, co je pro zvětšení výkonu motorů dobré a co ne. Výkon, jaký motor poskytuje, je samozřejmě možné měřit pomocí tzv. statických testů (což také občas děláme), ale je s tím dost práce a hlavně se tím připravíte o požitek z letu. Proto nyní představuji zařízení,
které se umístí přímo do rakety a zaznamenává letovou výšku. Posléze je možno zjištovat výškový profil letu, rychlost a jiné veličiny, které byly dosaženy.
Nápad umístit do rakety výškoměr jsem dostal ve chvíli, kdy jsem narazil na www stránky Radka Václavíka. Radek tam prezentoval výškoměr pro letecké modeláře. Taková věcička ukládá informace o výšce letu do paměti. Nakonec se to celé připojí k počítači a po chvíli máte záznam výšky.
Toto zařízení by se nám, raketovým modelářům, velmi hodilo, protože zjištění dostupu rakety, rychlosti atd. je dost problematické.
Poslal jsem tedy Radkovi mail s dotazem, zda by nebylo možno toto zařízení upravit pro naši potřebu. Po výměně několika dopisů se začínala rýsovat podoba výškoměru. Za nějaký čas jsem měl v mailboxu fotku, která hovořila za vše. Zařízení je na světě a k tomu všemu vypadá velmi zdařile.
Po pár týdnech jsem měl v ruce první prototyp. Princip měření výšky je jednoduchý. Jak víme, tak s rostoucí nadmořskou výškou klesá tlak vzduchu. No a právě na tlak je výškoměr citlivý. Data o okolní změně tlaku ukládá do paměti. Vzhledem k vysoké rychlosti stoupání, která je u raket typická, ukládá zařízení hodnoty s periodou po 0,1 s. Vysoká ukládací frekvence znamená hodně dat. I přesto se do paměti vejde 13,5 minuty záznamu. Je tedy možné uložit i více záznamů najednou.
Tak výškomer jsem už popsal. Jen dodávám, že podrobnosti o jeho funkci a vůbec o tom, jak si ho opatřit, jsou zde.
Teď pár slov k raketě, do které jsem altimetr umístil. Zde ji můžete vidět v reálu na startovací dotykové rampě. Na další fotce je k vidění rozložená na Lubošově felicii.
Raketa měla průměr 31 mm a délku 70 cm. Špička je dlouhá 90 mm. Ve třetině je raketa rozdělěna. To proto, aby byla citlivá elektronika oddělena od části s padákem, který je ven vymeten výbuchem. Stabilizátory jsem dělal z uhlíkového kompozitu a plášť rakety navinul kamarád ze skelného laminátu. (Díky, Romane) Ostatní části byly z tvrdého dubového dřeva prolakovaného epoxidem. Na posuvně uložené části se dřevo ukázalo jako nevhodné, protože i přes silnou vrstvu laku mírně pracuje. Takže vyrobíte-li nějakou součást tak, že se lehce zasouvá do trupu, pak při zvýšení vzdušné vlhkosti půjde posouvat hůře nebo v krajním případě zcela "zatvrdne".
Raketa je znázorněna na obrázku. Hned pod špičkou a molitanovým kolečkem (na obr. naznačeno zeleně) je modře zakreslen modul výškoměru. Dále následuje: molitan, baterie (fialově), zase molitan a vše je zakončeno zátkou se spínačem. Provedení zátky je podrobněji vyobrazeno vpravo nahoře. Zátka je v horní části zalepena, ale pouze menším množstvím chemoprénu, takže, je-li potřeba, lze ji větší silou vyndat. V dolní části rakety se stabilizátory je
zátka zasunuta volněji a jejím vystřelením se provádí výmet. V zátce je umístěn spínač napájení výškoměru.
Červené šipky ukazují místa, kde jsou vyvrtány dva otvory pro odebírání okolního tlaku. Průměr otvorů je 1 mm - větší nemá smysl. Důležité je umístit otvory dál pod špičku, alespoň o tři průměry. V místě hned pod špičkou totiž vzniká při letu podtlak a výsledky by byly zkresleny. V mém případě jsou dva otvory 190 mm pod začátkem špičky. Díry jsou naproti sobě, čímž se eliminuje případný boční vítr.
Jako baterii jsem použil klasikou 9-ti voltovku, ale lze použít například i 4 knoflíkové baterie, protože výškoměr pracuje už od 4,4 V s odběrem pouze 10-20 mA. Umístit relativně těžkou baterii pod výškoměr se ukázalo krajně neprozíravé..... Proč? O tom se dozvíte za chvíli.
Oba díly rakety jsou spojeny silonovým provázkem, který je uprostřed nahrazen asi 30 cm dlouhou silnější modelářskou gumou. To je důležité, protože razantní výmet padáku má jinak za následek přetržení provázku. Celá spojka je asi 1 m dlouhá a je na ní umístěn padák. S velikostí padáku se to nesmí přehnat, jinak raketa může při větru přistát i o několik kilometrů dál. U tohoto modelu měl padák průměr 40 cm a to je až až. Padák ušila moje přítelkyně (díky) a jako materiál bylo použito hedvábí.
Na obrázku je dále znázorněno uchycení motoru. Motor je pomocí kuželu vystředěn a po zaražení v raketě pevně drží.
Plná startovní hmotnost rakety (s motorem, elektronikou, prostě se vším) je 321 g. Z toho motor váží přesně 110 g. Zpoždění na výmet padáku bylo 8 vteřin, což je těsně před dosažením vrcholu. Možná příště zpoždění prodloužím tak na 12 s. Padák se pak otevře až při sestupu a raketa nedopadne tak daleko od místa startu.
Konstrukce motoru s uvedením důležitých rozměrů je znázorněna na obrázku. Jako palivo bylo použito 64 g směsi SX-81 (zakresleno červeně), jejíž příprava i složení jsou popsány na stránkách LK. Plášť byl z PVC trubky o průměru 22/26 mm a délky 150 mm. Tryska je z pálené keramiky, což se velmi osvědčilo. Zahrazení začíná na 62 a postupně se zvyšuje na 150 ke konci hoření motoru.
Průběh tahu motoru byl měřen na improvizovaném, ale překvapivě funkčním zařízení (o jeho konstrukci až příště). Záznam měření je zachycen na nasledujícím grafu.
Jen dodávám, že integrací byl zjištěn celkový impulz motoru 63 Ns a specifický impulz paliva je v tomto případě 101 s.
Takže teď již je vše popsáno a můžu se pustit do povídání o vlastním létání.
První let rakety se vydařil na 1+. Motor zabral a raketa v mžiku zmizela v obloze. Výmet padáku nebyl díky značnému dostupu viditelný ani slyšitelný. Zraky mé i ostatních přihlížejících marmě pátraly po obloze, až po chvíli jeden z kolegů vykřikl: "Tam." Na obloze, kam ukazoval, se opravdu houpala raketa na padáku.
Raketu jsem nakonec našel v rozoraném poli asi 400 m od místa startu. Bláto jsem měl všude, ale díky značné koncentraci adrenalinu jsem to nevnímal. Když jsem vzápětí připojoval konektor k laptopu, tak se mě nedočkavostí mírně klepaly ruce. Podaří se dostat data z rakety? A když, tak budou dávat smysl? Podobné otázky jsem si pokládal stále dokola. Celá příhoda byla o to napínavější, že díky jasně svítícímu slunci nebylo na málo kontrastní laptopobrazovce nic moc vidět. Situace je zachycena na fotce. Já jsem u laptopa a pracuji - ostatní koukají a dávají rady....
Už nebudu napínat, po chvilce vztekání se na obrazovce objevil graf, který přikládám.
Dostatečnou satisfakcí za (nejen) moje úsilí je zvláště vzestupná část letu. Původně jsem čekal, že tato část křivky nebude vůbec použitelná, v lepším případě bude velmi kostrbatá. Tlak okolo rakety (ze kterého je určována výška) při větších rychlostech dělá všelicos a už vůbec nemluvím o vibracích od motoru. I přesto se záznam vzestupu výborně povedl.
Zhruba v desáté sekundě můžete na grafu vidět jeden osamocený bod odpovídající výšce cca 850 m. To je zaznamenán výmet padáku. Takže to je další neplánovaná vlastnost výškoměru: Zaznamená přesně místo výbuchu výmetné slože. Podobně je zaznamenán i otřes při dopadu, ale tentokrát hodnota ulétla dolů.
Na sestupné části letu, v půlkilometrové výšce a 20 vtreřin po startu, můžete vidět jistý zlom a zpomalení klesání. To se rozbalil padák.
Po zderivování dostupu podle času dostaneme další zajímavý graf. Je na něm vidět průběh letové rychlosti. Pro úplnost dodávám, že bylo nutno křivku poněkud matematicky učesat, aby nebyla příliš kostrbatá. Matematika není můj koníček, takže máte-li někdo nějaké vhodné "česací" metody, tak dejte vědět.
Rychlost rakety - tato veličina si zaslouží komentář. Jak jsem již zmínil, tak se vzrůstající rychlostí dělá měření statického tlaku problémy. I laik si dovede představit, jaké turbulence se tvoří okolo rakety letící rychlostí 500 Km/h. Z tohoto důvodu si netroufám odhadnout, jak moc se křivka blíží při maximální rychlosti realitě. Luboš dělal počítačovou
simulaci
letu a maximální rychlost mu vyšla asi o 25 % vyšší (tedy 200 m/s či 720 km/h). Dostup rakety se se simulací velmi dobře shoduje v řádu jednotek procent. Musím poznamenat, že Luboš udělal svůj simulační program dříve, než byla k dispozici zde prezentovaná data. Takže to nebylo tak, že by vytvořil simulaci k obrazu měření. Ta shoda v dostupu, který je změřen patrně velmi přesně, je úctyhodná. Nikdy bych nevěřil, že je to možné takhle přesně spočítat.
Nyní zpět ke grafu. Okolo první sekundy po startu je na rychlostní křivce jistá anomálie. Čas v tomto místě přibližně odpovídá konci chodu motoru, ale raketa potom ještě chvíli zrychluje. Celá událost je patrna ze zvětšeného výřezu grafu. Stoprocentní vysvětlení pro tento jev nemám. Jediné co mě napadá je, že elektronika s baterií vážící 60 g se mohla během přetížení mírně pohybovat. V této chvíli již raketa neobsahuje palivo a tak oněch 60 g je již 23 % z celkové hmotnosti. Baterie byla uložena v upěchovaném molitanu a při zrychlení se do něj mohla zabořit. Potom dohoří motor (asi 0,8 s po startu) a raketa začne zpomalovat. Baterie s elektronikou se začnou pohybovat směrem k hlavici, až narazí a předají tím kinetickou energii raketě a ta zrychlí. Vzhledem k tomu, že narážejí do pružného molitanu tak je předání energie postupné a raketa postupně zrychluje. Komu tento efekt není jasný, nebo v něj nevěří, ať si to vyzkouší. Stačí vzít válcovou lahev, naplnit ji z poloviny vodou a po uzavření jí rozkutálet po podlaze. Oscilace rychlosti je z počátku jasně patrná. Onu pohyblivou hmotnou část zde představuje voda narážející do stěn.
Do jaké míry je moje teorie pravdivá to nevím, žádné jiné vysvětlení anomálie mě ale nenapadá.
Možná by tento efekt šel použít k rozložení tahu motoru na delší časový úsek. Do rakety by se podélně napnula silnější guma a na ni by se umístilo nějaké závaží. Raketa by pak neletěla tak rychle, ale byla by střídavě urychlována delší dobu. Aerodynamické ztráty by byly menší. Díky závaží by se sice zvětšily ztráty gravitační, ale ty jsou u těchto rychlých raket menší než aerodynamické.
Graf závislosti rychlosti na výšce vypadá na na první pohled stejně jako závislost rychlost-čas. Uvádím ho zde proto, že je z něj patrno, do jakého místa je raketa poháněna. Po dosažení výšky pouze 160 m už letí raketa jen setvačností. Setrvačný let je tedy čtyřikrát delší, než let s pohonem. Zajímavé.
Druhý let skončil mírně tragicky. Raketa opět zmizela se značným řevem motoru v obloze. Jen bílá stopa kouře naznačovala směr. Ale na rozdíl od prvního letu selhal výmet padáku. Za 25 vteřin po startu se ozvala rána doprovázející dopad. Asi 150 m od rampy nás čekal pohled zachycený na fotce. Můžete vidět i video (2.2M). Špička byla asi 0,5 m hluboko. Po chvíli kopání se podařilo raketu vytáhnout.
Kupodivu to celkem přežila. Stabilizátory byly mírně delaminovány a špička špičky (fuj) byla lehce pochroumána. Také přední část rakety z laminátu to trochu odnesla. Všechny věci jsou relativně lehce opravitelné.
Co nepřežilo byla elektronika. Nyní se dostáváme k tomu, proč není dobré dávat baterii nebo jiné těžké předměty hned pod výškoměr. Hloubavější z vás patrně napadlo, že při pádu se raketa překlopí a to co bylo "pod" je pak "nad". Takže baterie měla během dopadu funci kladiva, které si s elektronikou lehce poradilo, viz foto. Vlevo je deska, ze které se vlivem přetížení strhaly některé vodivé dráhy. Vpravo pak můžete vidět srdce výškoměru - tlakové čidlo, které se též utrhlo.
Přes tyto hrozně vypadající záběry se po připojení podařilo dostat naměřená data bez problémů do počítače. I to svědčí o kvalitě altimetru. Zde předkládám záznam letu.
Vzhledem k tomu, že tento experiment
nehodlám opakovat (tedy alespoň ne úmyslně), tak jsou data docela cenná. Ukazují totiž let balistické střely a dají se lépe srovnávat s Lubošovou letovou
simulací.
Dostup i čas dopadu se liší pouze o 5% !
Tři body pod křivkou okolo osmé vteřiny po startu jsou reakcí na nezdařený výmet padáku. Raketa se tentokrát neotevřela, takže v ní vzrostl tlak vlivem výbuchu výmetné slože. Část tlaku pronikl k jinak odizolovanému čidlu, což je zaznamenáno jako zdánlivě nesmyslný výkyv na grafu.
Na rychlostním záznamu lze opět spatřit onu anomálii zhruba jednu sekundu po startu. Protože se vyskytuje na záznamech obou letů a navíc ve stejné době, tak patrně nejde o náhodu jako například srážku s tělesem typu moucha. Z důvodů přehlednosti na grafu není vidět sestupná rychlost. Takže dodávám, že raketa dopadala rychlostí 86,5 m/s. Při brzdící dráze asi 0,5 m si může každý spočítat, jakému přetížení byla raketa vystavena.
Co říci... Pocity mám smíšené, ale radost nad získanými daty převažuje nad bolestnou ztrátou výškoměru a poškozenou raketou. Navíc jsem pro příště obohacen o cenné zkušenosti. Například již vím, že pod altimetr nepatří těžké pohyblivé věci.
Na této adrese by už měla být k dispozici finální verze výškoměru s lépe provedeným tištěným spojem. Myslím, že když by se elektronika fixovala potřením desky epoxidem a celé se to zalilo do nějaké pružné hmoty (třeba lukoprenu), pak by mohla pád do zorané půdy přežít.
Dále by asi bylo vhodné použít špičku z měkčího materiálu, než je dubové dřevo. Třeba balsu. Při dopadu se pak část dopadové energie vybije na drcení špičky a raketa se brzdí na delší dráze. Špička se sice rozbije (ale to pravděpodobně tak jako tak), zato se zvýší pravděpodobnost přežití elektroniky.
Uvažoval jsem, proč selhal výmet padáku, když se zažehla výmetná slož. Nejpravděpodobnější se mi zdá důvod, který jsem už zmínil. Totiž posuvně uložená dřevěná zátka se při dopadu během prvního letu namočila a mírně expandovala. Navíc na ní mohly zůstat zbytky bláta a písku z pole.
Časem by se zde měly objevit ještě nějaké letové fotky, možná videa, popřípadě zážitky s dalších letů, takže v případě zájmu doporučuji tyto stránky občas zkontrolovat.
Good luck a máte-li dotazy, připomínky či nápady, mailujte na: