Введение

Тип модели ракеты, использующей воду в качестве реактивной массы.

Водная ракета – это тип модели ракеты, использующей воду в качестве реактивной массы. Вода выталкивается под давлением газа, как правило, сжатого воздуха. Как и любой ракетный двигатель, она работает на основе третьего закона Ньютона. Энтузиасты водных ракет обычно используют одну или несколько пластиковых бутылок из-под газированных напитков в качестве корпуса, выдерживающего давление. Возможны различные конструкции, включая многоступенчатые ракеты. Водные ракеты также изготавливаются из композитных материалов для достижения мировых рекордов высоты.

Операция

Бутылка частично заполнена водой и герметично закрыта. Затем бутылка наполняется газом под давлением, обычно сжатым воздухом из велосипедного насоса, воздушного компрессора или баллона до 125 psi, но иногда используются CO2 или азот из баллона. Вода и газ используются совместно, где газ служит для накопления энергии благодаря своей сжимаемости, а вода увеличивает массовую долю рабочего тела и обеспечивает большую силу при истечении из сопла ракеты. Иногда к воде добавляют различные присадки для повышения эффективности. Например, соль можно добавить для увеличения плотности реакционной массы, что приводит к увеличению удельного импульса. Мыло также иногда используется для создания плотной пены в ракете, которая снижает плотность выбрасываемого рабочего тела, но увеличивает продолжительность тяги. Затем освобождается уплотнение сопла ракеты, и происходит быстрый выброс воды на высокой скорости, пока не израсходуется все рабочее тело и давление воздуха внутри ракеты не упадет до атмосферного. В соответствии с третьим законом Ньютона на ракету создается результирующая сила. Выброс воды, таким образом, может заставить ракету подняться в воздух на значительное расстояние. Помимо аэродинамических соображений, высота и продолжительность полета зависят от объема воды, начального давления, размера сопла ракеты и массы ракеты без рабочего тела. Связь между этими факторами сложна, и для изучения их и других параметров разработано несколько симуляторов. Часто корпус, выдерживающий давление, изготавливается из одной или нескольких использованных пластиковых бутылок из-под напитков, но также используются колпаки от поликарбонатных люминесцентных ламп, пластиковые трубы и другие легкие цилиндрические емкости, устойчивые к давлению.

Бутылка

Как правило, в качестве корпуса, выдерживающего давление, используется одна бутылка из полиэтилентерефталата (ПЭТ) для газированных напитков. Ракеты из нескольких бутылок создаются путем соединения двух или более бутылок различными способами: бутылки можно соединять через горлышки, разрезать и надевать секции друг на друга, или соединять донышками к горлышкам, образуя цепочку для увеличения объема. Это усложняет конструкцию, и увеличение объема приводит к увеличению веса, однако это должно компенсироваться увеличением продолжительности работы двигателя ракеты. Многоступенчатые ракеты значительно сложнее. Они состоят из двух или более ракет, установленных одна над другой, и предназначены для запуска в воздухе, подобно многоступенчатым ракетам, используемым для вывода полезных грузов в космос.

Плавники

По мере уменьшения количества топлива в ракете, центр масс сначала опускается вниз, а затем, по мере полного расхода топлива, снова поднимается вверх. Это начальное движение уменьшает устойчивость и может привести к тому, что водяная ракета начнет кувыркаться, значительно снижая максимальную скорость и, следовательно, дальность планирования (время, в течение которого ракета летит по инерции). Чтобы понизить центр давления и повысить устойчивость, можно добавить плавники или другие стабилизаторы, которые смещают центр сопротивления дальше назад, позади центра масс. Стабилизаторы любого типа обычно располагают в задней части бутылки, вблизи центра масс. Увеличение устойчивости, обеспечиваемое хорошо спроектированными плавниками, компенсирует дополнительное сопротивление и помогает достичь максимальной высоты полета ракеты.

Системы посадки

Стабилизирующие плавники заставляют ракету лететь носом вперед, что обеспечивает значительно более высокую скорость, но они также приводят к тому, что она падает с гораздо большей скоростью, чем если бы она кувыркалась при падении. Это может повредить ракету или все, что она заденет при приземлении. Некоторые водные ракеты оснащены парашютом или другой системой возврата, чтобы предотвратить подобные проблемы. Однако эти системы могут давать сбои, и это учитывается при проектировании ракет. Для минимизации повреждений или травм от падающей ракеты могут использоваться резиновые бамперы, деформируемые зоны и безопасные методы запуска. Другой способ возврата – использование плавников ракеты для замедления спуска, иногда называемое обратным скольжением. Увеличение площади плавников увеличивает сопротивление воздуха. Если центр масс расположен перед плавниками, ракета будет пикировать носом вниз. В случае ракет типа "супер-рок" или с задним планированием, конструкция ракеты такова, что соотношение между центром тяжести и центром давления пустой ракеты компенсирует тенденцию плавников наклонять ракету носом вниз за счет сопротивления воздуха, создаваемого длинным корпусом, что приводит к падению хвостом вниз и, как следствие, к боковому, медленному падению.

Отпускные трубки

Некоторые пусковые установки для водяных ракет используют пусковые трубки. Пусковая трубка помещается внутрь сопла ракеты и простирается вверх к носовой части. Пусковая трубка закрепляется на земле. Когда ракета начинает ускоряться вверх, пусковая трубка перекрывает сопло, и лишь небольшое количество воды выбрасывается, пока ракета не покинет пусковую трубку. Это обеспечивает почти идеально эффективное преобразование потенциальной энергии сжатого воздуха в кинетическую энергию и гравитационную потенциальную энергию ракеты и воды. Высокая эффективность на начальном этапе запуска особенно важна, поскольку ракетные двигатели наименее эффективны на низких скоростях. Таким образом, пусковая трубка значительно увеличивает скорость и высоту, достигаемые ракетой. Пусковые трубки наиболее эффективны при использовании с длинными ракетами, которые могут вместить длинные пусковые трубки.

Мировые рекорды

Рекорд Гиннесса за одновременный запуск наибольшего количества водяных ракет принадлежит Королевскому колледжу Коломбо, который 10 ноября 2017 года запустил 1950 ракет одновременно. Текущий рекорд максимальной высоты, достигнутой ракетой, работающей на воде и воздухе, составляет 2723 фута (830 м) и принадлежит Университету Кейптауна, достигнутому 26 августа 2015 года, что превышает предыдущий рекорд 2007 года в 2044 фута (623 м), принадлежавший US Water Rockets. В качестве полезной нагрузки ракета также несла видеокамеру, что являлось частью верификации, требуемой правилами соревнований.

Горячие ракеты

Паровая ракета, или "горячая водяная ракета", – это ракета, использующая воду, находящуюся в сосуде под высоким давлением и высокой температуры, и создающая тягу за счет выпуска пара через ракетное сопло.