Ракетные конфеты , или R-Candy , — это тип ракетного топлива для моделей ракет , изготовленный из сахара в качестве топлива и содержащий окислитель . Топливо можно разделить на три группы компонентов: топливо, окислитель и (необязательные) добавки. Раньше в качестве топлива чаще всего использовалась сахароза . В современных рецептурах чаще всего используется сорбит из -за простоты его производства. Наиболее распространенным окислителем является нитрат калия (KNO 3 ). Нитрат калия чаще всего содержится в средствах для удаления пней . Добавками могут быть самые разные вещества, которые либо действуют как катализаторы, либо улучшают эстетику взлета или полета. Традиционный состав сахарного топлива обычно готовится с соотношением окислителя к топливу 65:35 (13:7). [1] Это соотношение может варьироваться от топлива к топливу в зависимости от скорости сгорания, времени и использования.
Существует множество различных методов приготовления ракетного топлива на основе сахара. Сухое сжатие не требует нагрева; требуется только шлифовка компонентов и последующая упаковка их в двигатель. Однако этот метод не рекомендуется для серьезных экспериментов, поскольку сухое сжатие менее насыщено и может быть опасным, если выпадет из ракеты. Сухое нагревание на самом деле не плавит KNO 3 , но плавит сахар, и тогда зерна KNO 3 становятся взвешенными в сахаре. Альтернативно, метод растворения и нагревания предполагает растворение обоих элементов в воде, а затем объединение путем кипячения воды, создавая более качественную смесь. [2]
Удельный импульс, полный импульс и тяга для того же количества топлива обычно ниже, чем у других композитных моделей ракетного топлива, но ракетные конфеты значительно дешевле.
В Соединенных Штатах производство ракетных двигателей разрешено, но их транспортировка без разрешения маловзрывчатых веществ запрещена. [3] [4] Поскольку они считаются любительскими двигателями , они обычно запускаются на санкционированных исследовательских запусках Триполийской ракетной ассоциации , которые требуют от пользователей наличия сертификата высокой мощности уровня 2 Триполийской ракетной ассоциации . Пользователи также могут начать использовать эти двигатели, подав заявку на отказ от полетов FAA .
Ракетные конфеты можно разделить на три основные группы компонентов: топливо , окислители и присадки. Топливо — это вещество, которое горит, выделяя быстро расширяющиеся газы, которые создают тягу при выходе из сопла. Окислитель обеспечивает кислород, необходимый для процесса горения. Добавки могут выступать в роли катализаторов, ускоряющих или повышающих эффективность горения. Однако некоторые добавки более эстетичны и могут добавить искры и пламя при взлете или добавить дым для облегчения следования ракеты в воздухе.
В качестве топлива для ракетных конфет используется множество различных сахаров. Наиболее распространенным топливом обычно является сахароза, однако иногда используются глюкоза и фруктоза . В качестве альтернативы, сорбит , сахарный спирт , обычно используемый в качестве подсластителя в пищевых продуктах, производит топливо с более медленной скоростью горения и менее хрупким при превращении в пороховые зерна . [5] Сахара с двойной связью кислорода, такие как фруктоза и глюкоза, менее термически стабильны и имеют тенденцию к карамелизации при перегреве. [6] Сахара, содержащие спиртовые группы, такие как сорбит, гораздо менее склонны к такому разложению. Некоторые другие часто используемые сахара включают эритрит , ксилит , лактит , мальтит или маннит .
Окислителем, наиболее часто используемым при приготовлении сахарных моторов, является нитрат калия (KNO 3 ). Могут быть использованы и другие окислители, такие как нитраты натрия и кальция , а также смеси нитратов натрия и калия. [7] KNO 3 можно приобрести, купив гранулированное средство для удаления пней в магазинах, торгующих садовыми принадлежностями. Другими редко используемыми окислителями являются перхлорат аммония и калия.
При использовании нитрата калия необходимо решить две основные проблемы в отношении окислителя. Самый важный вопрос – чистота материала. Если приобретенный материал не работает удовлетворительно, может потребоваться перекристаллизация KNO 3 . Вторым важным вопросом, касающимся окислительной части топлива, является размер его частиц. Большинство производителей топлива предпочитают измельченный KNO 3 частицам небольшого размера, например 100 меш (около 150 мкм) или меньше. [2] Это можно сделать с помощью кофемолки. Для измельчения в мелкозернистый хорошо перемешанный порошок также можно использовать каменные барабаны.
В ракетное топливо часто добавляют присадки для изменения его горючих свойств. Такие добавки можно использовать для увеличения или уменьшения скорости горения топлива. Некоторые используются для изменения цвета пламени или дыма. Их также можно использовать для изменения определенных физических свойств самого топлива, например, с помощью пластификаторов или поверхностно-активных веществ для облегчения отливки состава. Существует множество типов экспериментальных добавок; перечисленные здесь наиболее часто используются.
Было обнаружено, что оксиды металлов увеличивают скорость горения сахарных пропеллентов. Было обнаружено, что такие добавки лучше всего действуют при концентрации от 1 до 5 процентов. [5] Чаще всего используются оксиды железа. Красный оксид железа используется чаще всего, поскольку его несколько легче получить, чем желтый , коричневый или черный варианты. Коричневый оксид железа демонстрирует необычные свойства ускорения скорости горения под давлением.
Углерод в виде древесного угля , технического углерода , графита и т. д.; может использоваться, а иногда и используется в качестве топлива в рецептурах сахара. Однако чаще всего в качестве глушителя используется небольшое количество углерода, оставляющего видимый след дыма. Углерод действует как теплоотвод, удерживая часть тепла сгорания в топливе, а не быстро передавая его в корпус двигателя.
Если в рецептуре сахара используются металлические виды топлива, такие как алюминий или магний , существует опасность, если в окислителе будут обнаружены следы кислот. Кислотные материалы могут легко реагировать с металлом, выделяя водород и тепло, а это опасная комбинация. Добавление слабых оснований помогает нейтрализовать эти кислотные вещества, значительно снижая их опасность.
Металлический титан в виде хлопьев или губки (размером около 20 меш) часто добавляют в составы сахара в количестве от 5 до 10%, чтобы вызвать искрящееся пламя и дым при взлете. [6]
Поверхностно-активные вещества используются для снижения вязкости плавления сахарных пропеллентов. Например, пропиленгликоль помогает снизить вязкость расплава пропеллентов на основе сахарозы. [5]
Типичный состав сахарного топлива обычно готовят с соотношением окислителя к топливу (весовое соотношение) 13:7. Однако эта формула немного обогащена топливом [6] и может варьироваться до 10%. Возможны и другие составы, позволяющие осуществлять полет в любительской ракетной технике.
Существует несколько различных методов приготовления ракетного топлива на основе сахара. Эти методы включают сухое сжатие, сухой нагрев, растворение и нагрев. Последние два метода включают нагрев топлива.
При сухом прессовании сахар и нитрат калия измельчаются индивидуально как можно мельче, а затем смешиваются в шаровой мельнице или барабане для обеспечения равномерного смешивания компонентов. Затем эта смесь сжимается в трубку двигателя, аналогично методу засыпки дымного пороха в дульнозарядную винтовку. Однако этот метод редко используется для серьезных экспериментов, и прежде чем принять решение об использовании этого метода, следует принять меры безопасности.
Другой, более распространенный и безопасный метод приготовления ракетного топлива на основе сахара — сухое нагревание. Сначала калийную селитру измельчают или перемалывают в мелкий порошок, затем тщательно смешивают с сахарной пудрой и затем нагревают. Этот метод фактически не плавит нитрат калия, поскольку температура плавления KNO 3 составляет 323 ° C (613 ° F), но он плавит сахар и покрывает зерна KNO 3 расплавленным сахаром. Альтернативу этому методу использовал Рик Машек из проекта Sugar Shot to Space . При этом он не измельчает и не измельчает нитрат калия в порошок, в результате чего вязкость становится достаточно низкой, чтобы раствор стал текучим при использовании сорбита в качестве топлива для отливки зерен. Процесс плавления необходимо выполнять с использованием распределителя тепла , чтобы избежать образования горячих точек самовоспламенения. [ нужна цитата ]
Джеймс Яун выступает за метод растворения и нагревания. [8] Растворение и нагревание топлива фактически растворяет оба элемента топлива и объединяет их. Сначала в кастрюлю или сотейник помещают КНО 3 и сахар. Затем добавляют ровно столько воды, чтобы полностью растворить KNO 3 и сахар. Затем смесь нагревают и доводят до кипения до испарения воды. Смесь проходит несколько стадий: сначала кипение, затем пузырение и шипение, после чего ее консистенция становится гладкой и сметанообразной. Растворение сахара и KNO 3 в воде перед нагреванием дает несколько преимуществ . [2] Одним из преимуществ является то, что KNO 3 и сахар не нужно измельчать в мелкую пудру, поскольку в конечном итоге они оба полностью растворяются. Его также можно приготовить при более низкой температуре и требует меньшего перемешивания. Этот метод приготовления также приводит к тому, что полученное топливо сопротивляется карамелизации в котле, что дает больше времени для его упаковки в двигатели. Возможным минусом является то, что полученное топливо немного толще (более вязкое). Смесь нельзя разливать, ее нужно зачерпывать в форму, и она никогда не будет такой жидкой, как при сухом нагревании.
Ракетное топливо на основе сахара имеет средний I sp ( удельный импульс ) от 115 до 130 секунд. Сравните это со средним значением I sp APCP ( композитного топлива на основе перхлората аммония ), которое составляет от 180 до 260 секунд. Пропелленты на основе сорбита и KNO 3 с типичным соотношением 35:65 способны обеспечить I sp от 110 до 125 секунд. Однако зафиксировано, что ракеты с сорбитом и КНО 3 с добавками имеют удельные импульсы до 128 секунд. [6]
Ракетные топлива на основе ксилита и KNO 3 способны создавать удельный импульс ~100 секунд. Они имеют неограниченную скорость горения около 1,3 мм/с. Топливо на основе декстрозы и KNO 3 имеет I sp 137 секунд. [9] В целом, эксплуатационные характеристики сахарных ракет приближаются к характеристикам топлива профессионального уровня.
Ракетные конфеты также иногда называют «карамельными конфетами» — термин, который популяризировал Бертран Р. Бринли в его книге по любительской ракетной технике « Ракетное руководство для любителей» , опубликованной в 1960 году. Это топливо использовалось в некоторых описанных любительских ракетах. Гомера Хикама в его бестселлере « Ракетные мальчики» .
Ракетные конфеты также использовались в небольшой любительской ракете, описанной подполковником Чарльзом М. Паркином в длинной статье Electronics Illustrated , которая продолжалась в нескольких выпусках, начиная с июля 1958 года. Паркин описал, как приготовить топливную смесь с помощью электрической жарки. кастрюля в качестве источника тепла для плавления. Эта статья была перепечатана в книге Паркина « Ракетный справочник для любителей» , которая была опубликована в 1959 году. Статья Паркина способствовала росту популярности ракетного топлива среди любительских ракетных групп, начиная с конца 1950-х - начала 1960-х годов.
Ракеты, работающие на сахаре , использовались в качестве грубого оружия войны, например, во время атак ХАМАС на Израиль в 2000-2003 годах. [10]
Программа Sugar Shot to Space (SS2S) была создана с целью «вывести в космос ракету, работающую на сахарном топливе» [11], на высоту, эквивалентную 100 километрам (62 мили). Ожидалось, что ракета Double Sugar Shot достигнет 33 километров (21 мили), или одной трети заданной высоты. [11] Первая ракета Mini Sugar Shot , прототип одноступенчатого двухимпульсного двигателя ракеты Extreme Sugar Shot , достигла высоты 4 км (2,5 мили), прежде чем произошла катастрофическая неисправность двигателя; Контакт со второй ракетой Mini Sugar Shot был потерян на высоте почти 6 километров (3,7 мили) при скорости более 1 Маха. В 2017 году Рик Машек и Крис Ковани из команды SS2S успешно запустили свою 150-миллиметровую ракету с топливом из нитрата калия и сорбита на высоте более 2,5 Маха, а позже в том же году Рик и Эрик Бекнеры из команды SS2S провели первые из двух успешных испытаний статических двигателей 300 мм KNSB, крупнейших «сахарных» двигателей за всю историю, на объекте «Друзья любительской ракетной техники» (FAR), показавшие большие Можно было бы сделать «сахарные» двигатели. Ракета Extreme Sugar Shot , которая в настоящее время планируется как традиционная двухступенчатая ракета и которая, как ожидается, достигнет цели выхода в космос, еще не завершена. [ когда? ] [11]