M.E 88

موشک آبی

در ساده ترین تعریف می توان موشک آبی را یک بطری نوشیدنی گازدار معرفی کرد که به صورت وارونه قرار گرفته  و در انتهای آن دماغه (نوک) موشک نصب شده است. درون بطری موشک تا حد معینی آب وجود دارد که این آب نقش سوخت موشک را ایفا خواهد کرد. در پایین موشک (دهانه بطری) نیز می توان از نازل استفاده کرد. استفاده از بال هم جهت پرواز بهتر و پایداری بیشتر توصیه می شود.


دماغه یا نوک موشک قسمتی است که وظیفه شکافتن هوا و آئرودینامیک کردن جریان روی بطری نوشابه را دارد. بعلاوه اگر قرار باشد موشک شما مجهز به چتر فرود باشد و یا باری را حمل کند؛ این قسمت بهترین گزینه است.

بال ها یا پره ها از مهمترین قسمت های موشک آبی شما ، و مهمترین وجه تمایز یک بطری ساده و یک موشک آبی هستند. بال های موشک باعث می شوند به هنگام پرواز پایداری بیشتری ایجاد شود.
 
تا کنون شکل ظاهری یک موشک آبی را توصیف کردیم. ولی موشک چگونه پرواز خواهد کرد؟
برای پرواز موشک باید یک مکانیزم پرتاب برای آن طراحی کنیم.
 
 
 
مکانیزم پرتاب:
برای اینکه موشک ما بتواند در هوا پرواز کند باید به نوعی انرژی حرکت خود را در طول مسیر تامین کنید. همانطور که اشاره شد، آبی که درون موشک ریخته می شود کار سوخت را انجام می دهد. برای پرتاب موشک ابتدا باید قدری آب در آن  ریخته و سپس بوسیله یک پمپ (تلمبه) درون آن را پر از هوا با فشار زیاد کرد. با وارد کردن هوای بیشتر در قسمت بالایی موشک، حباب های هوا از میان آب درون موشک بالا رفته و به قسمت بالایی می روند.
برای افزایش فشار هوای درون موشک از یک مکانیزم یک طرفه استفاده می شود ، که هوا را به درون موشک تلمبه می کند ولی مانع خروج آب می شود.



بعد از رسیدن فشار هوای درون موشک به مقدار مطلوب، با استفاده از یک ضامن ، ناگهان در بطری باز می شود و هوای درون بطری که فشار بیشتری از فشار اتمسفر دارد راه خروج پیدا می کند. اما از آنجا که آب موجود در بطری راه خروج هوا را مسدود کرده است، به جای هوا، آب با فشار زیاد از زیر موشک خارج می شود که همین امر باعث ایجاد نیروی پیشران برای موشک می شود.


سر همه ی بطری های موجود در بازار کم و بیش به شکل نازل عمل می کنند و همین امر باعث می شود که سرعت خروج آب ، و به تبع آن مومنتوم ایجاد شده نیز بیشتر شود.
 
اگر موشک درست طراحی شده باشد حرکت مستقیم خود را آغاز می کند و بسته به جهت پرتاب، تا مسافت زیادی پیش می رود.
 


ایمن سازی پرواز:
 
دو روش برای ایمن سازی پرتاب موشک آبی وجود دارد:
1- تعبیه یک چتر فرود در ته بطری (نوک موشک) که باعث می شود سرعت موشک به هنگام فرود کاهش یابد و امنیت بیشتری ایجاد شود. بعلاوه به خود موشک نیز آسیب کمتری خواهد رسید. البته تعبیه چتر و تعیین اینکه دقیقا چه موقع چتر باز شود کار سختی است و نیاز به نبوغ زیادی دارد.






- روش دیگر آن است که موشک را با یک زاویه خاص پرتاب کنیم. با انتخاب یک زاویه پرتاب مناسب ، موشک مسافت زیادی را به صورت افقی طی خواهد کرد. یک موشک ساده ولی دقیق می تواند بردی معادل 20 تا 30 متر داشته باشد.
 
مهمترین مشکل پرتاب موشک با زاویه آن است که موشک دیگر نمی تواند روی انتهای خود قرار بگیرد و باید حتما یک سکوی پرتاب برای این کار تعبیه شود. دو نوع سکوی پرتاب متداول وجود دارد که شکل شماتیک آنها در زیر نشان داده شده است




سکوی پرتاب شیب دار





سکوی پرتاب لوله ای (میله ای)

بخش دوم :
در این بخش با چگونگی ساخت یك موشك آبی آشنا خواهیم شد كه در وضعیت‌های مختلف قادر به پرواز كردن می‌باشد. در بخش بعدی با پرتاب كردن آن آشنا خواهیم شد.
 
ساخت یك موشك ساده ( ابتدایی)
 
به چه چیزهایی نیاز دارید؟

یك بطری نوشیدنی گازدار( حباب ‌دار):  كه بدنه اصلی موشك را تشكیل می‌دهد. مطمئن باشید كه حتماً از یك بطری نوشیدنی گازدار استفاده كنید. بطری‌هایی كه شامل نوشیدنی‌های راكد مثل (نوشیدنی‌های مقوی، شیر و غیره) می‌باشند برای این كار مناسب نیستند. بطری نوشیدنی های گازدار از پلى اتیلن ترفنات، یك پلاستیك فوق‌العاده قوی ساخته شده است که برای ساخت اینگونه موشک ها مناسب است. یك توپ تنیس یا یك توپ لاستیكی (یا هر جسم دیگر) حدوداً به وزن 60 گرم، كه قسمت اصلی نوك موشك را تشكیل می‌دهد. تعدادی مقوای نازك موج دار یا پلاستیك موج دار (نوع بدون موج هم مناسب است) كه برای ساخت بال ها و دماغه از آنها استفاده می‌شود. نوار چسب خوب (و چسب آب بند در صورتی که موشک چند تکه باشد) قیچی یا چاقو زمان: بین 30 الی 40 دقیقه  

شکل شماتیک و شکل واقعی موشک هایی که با این روش ساخته می شوند اینگونه است:





پیش از هر كاری ابتدا با یك بطری نوشیدنی گازدار شروع كنید. نوشیدنی را از داخل آن خالی كنید، برچسب ها را از بطری جدا كرده و آن را با آب بشویید.
اكنون به یك دماغه مخروطی شكل برای نوك موشك و تعدادی پره نیاز دارید.
 
دماغه مخروطی شكل
لازم است كه دماغه مخروطی به اندازه كمی نوكدار (تیز) شود. همچنین توجه شود كه وزن جلوی موشك نیز باید  كمی زیادتر شود. راه مورد نظر برای رسیدن به هر دو هدف چسباندن یك توپ تنیس به انتهای بطری است.
شاید به طور كامل شكل آیرودینامیكی كه مد نظر شماست نشود ولی مطمئن باشید كه پرواز خواهد كرد.






پره‌ها (بال ها):

پلاستیك‌های موج دار ( با نام  Corriflute شناخته می‌شوند) ضد آب هستند و نسبت به وزنشان استحكام بالایی دارند. همچنین مقواهای نازك موج دار نیز مناسب هستند اما پس از چند بار پرتاب خیس می‌شوند. انتخاب دیگر اینكه می‌توان از CD برای ساخت پره استفاده كرد. اگر از این روش استفاده نمودید، حتماً لبه‌های تیز را با نوار چسب بپوشانید. پره‌ها را می توان به سادگی با چسب به كناره‌های موشک چسباند.



پره‌ها باید محكم چسبانده شوند تا در حین پرتاب پاره یا جدا نگردند. مسلماً پره‌ها هنگام فرود آمدن موشك آسیب خواهند دید اما تعمیر آنها كار مشكلی نیست.
 
 

نكات مهم درباره پره‌ها:

همه پره‌ها باید مشابه یكدیگر باشند. آنها باید در عقب موشك قرار داده شوند. باید به صورت متقارن در اطراف موشك قرار داده شوند.( مثلا 3 پره با زاویه 120 درجه و یا 4 پره با زاویه 90 درجه) از بالا كه به آنها نگاه می‌كنید باید نازك باشند.

 

متن انتقادی :
این نوع موشك بهینه نمی‌باشد و در بخش 4 خواهیم دید كه چگونه باید هر قسمت را بهینه نمود و بحث بیشتری بر روی انواع مختلف هرکدام از طرحها خواهیم کرد. شما میتوانید موشكهایی
 سبك‌تر، دماغه های مخروطی آئرودینامیك‌تر و پره‌هایی کوچکتر بسازید. به هر حال، یك آئرودینامیك خوب و وزن و اندازه مناسب، از فاكتورهایی است كه می‌تواند موشك را در هنگام پرواز پایدار نگه دارد.
 
البته برای شروع، مدل گفته شده می‌تواند یك نقطه آغاز خوبی باشد.


حجم داخلی

2 لیتر

جرم هنگام خالی بودن

171 گرم (171/0 كیلوگرم )

طول

45 سانتی متر

مساحت پره

1200 سانتی متر مربع

مساحت مقطع عرضی پیشانی

62 سانتی متر مربع


بخش چهارم: بهینه سازی طرح موشك


در این بخش با تعدادی از فاكتورهایی كه لازم است در بهینه سازی طرح موشك لحاظ شود آشنا خواهید شد.
 
 
ملاحظات طراحی


اندازه‌(حجم):

اولین ملاحظه‌ای كه باید در ساخت موشك در نظر گرفت اندازه آن می‌باشد. اگر به بازار مراجعه كنید انواع گوناگونی از بطری‌های نوشیدنی گازدار را خواهید یافت كه می‌توان بطری‌های 5/0 لیتری، 1 لیتری، 2 لیتری و یا 3 لیتری را نام برد. اگر قصد ساخت موشك با حجم بیش از 3 لیتر دارید، می‌توانید با اتصال چند بطری به هم این كار را انجام دهید. در ادامه به چندین نكته در مورد این نوع موشك ها اشاره خواهیم كرد.
 
حجم موشك، ماكزیمم مقدار انرژی كه می‌تواند در گاز فشرده شده ذخیره شود را مشخص می‌كند. انرژی با فشار و حجم متناسب است. محدودیت‌هایی برای فشاری كه موشك می‌تواند تحمل كند وجود دارد ‌ 5 اتمسفر یا  psi75 ، به نظر مناسب می رسد.
برای افزایش مقدار كل انرژی لازم است كه از یك موشك بزرگ‌تر استفاده كنیم.
 


وزن:


هر چه موشك شما سبك‌تر باشد، بهتر می‌تواند پرواز كند. علاوه بر بهبود نسبت استحكام به وزن بطری، بایستی از اضافه كردن وزن اضافی برای بهبود آئرودینامیك موشك پرهیز كنید. همچنین بسیار مهم است كه وزن اضافه شده را در مكان مناسبی اضافه كنید كه موشك شما از نظر آئرودینامیكی پایدار باشد. توزیع وزن در امتداد طول موشك یكی از فاكتورهایی است كه مشخص می‌كند كه آیا آن مثل یك موشك یا اینكه مثل یك بطری پرواز می‌كند. به نظر شما چه تفاوتی می‌كند؟
یك موشك آئرودینامیكی پایدار با نوك پرواز می‌كند و دارای یك مسیر پرواز هموار و زیبا می‌باشد.


یك موشك آئرودینامیك ناپایدار، ممكن است در ابتدا با نوك پرواز كند اما پروازش سریعاً ناپایدار می شود و در هوا می‌غلتد و به سادگی بر روی زمین می‌افتد.

برای اینكه موشك شما مثل یك موشك پرواز كند نه مثل یك بطری، مركز جرم باید در نیمه جلوی موشك باشد. اگر چه به طراحی پره‌ها در داشتن یك پرواز پایدار آئرودینامیكی بسیار بستگی دارد. بنابراین یكی از مهم‌ترین ویژگی‌های موشك شما، قرارگیری مركز جرم یا مركز گرانش می‌باشد.
 
ارزیابی موقعیت مركز جرم:
برای پیدا كردن نقطه مورد نظر كافی است كه یك نخ به دور موشك تابانده و آنرا جلو و عقب كنیم تا اینكه به نقطه تعادل برسیم و هر چقدر به نیمه جلو موشك نزدیك تر باشد به احتمال زیاد یك پرواز پایدار خواهد داشت.

پره‌ها:
پره‌ها بر روی موشك شرایط پرواز آئرودینامیكی پایدار را ممكن می‌سازند. برای درك نقش پره‌ها لازم است نیروهای بر روی موشك را در هنگام پرواز (زمانی كه اندكی ناهمراستا می‌گردد) را در نظر بگیریم.


اگر این نیروها در جهت افزایش زاویه ناهمراستایی باشند، موشك به خوبی نمی‌تواند پرواز كند و اگر در جهت كاهش زاویه ناهمراستایی باشند، موشك شما مانند یك « موشك » پرواز خواهد كرد.
 
پایداری آئرودینامیكی:


برای درك این موضوع نیاز است كه نیروهایی كه بر روی موشك عمل می کنند (چه در هنگامی كه به طور صحیح پرواز می‌كند و چه در زمانی كه نامتعادل پرواز می‌كند) را در نظر بگیریم. در اینجا دو موشك را در نظر می‌گیریم كه شكل مشابه و پره‌های مشابهی دارند اما توزیع وزن متفاوت در آنها باعث می‌شود مركز جرم‌های متفاوتی داشته باشند. به طور كلی دو موشك یكی با مركز جرم در نیمه جلو و یكی در نیمه عقب را در نظر می‌گیریم.


نیروی درگ اصلی بر روی كل سطحی كه در معرض هوا قرار گرفته است عمل  كند. برای یك موشك معمولی كه به طور صحیح میزان شده است، تنها بر روی نوك موشك عمل می‌كنند چونكه پره‌ها نازك و دارای سطح مقطع عرضی خیلی كوچكی هستند. اكنون حالتی را در نظر بگیرید كه موشك اندكی ناهمراستا شده است. در این زمان بیشتر موشك در معرض نیروهای درگ قرارمی‌گیرد و این نیروها به طور قابل توجهی افزایش پیدا می کنند.
 
 
  نیروها به شكل زیر عمل می‌كنند:

در نوك موشك در امتداد كناره‌ی موشك بر روی پره‌ها


محاسبه دقیق نیروها در هر بخش از موشك بسیار مشكل است اما نكاتی وجود دارد كه با شناسایی آنها به نتایج مهمی خواهیم رسید.در موشك نقطه‌ای به نام مركز فشار وجود دارد كه در دو شكل مشخص شده است. از آنجایی كه شكل هر دو موشك شبیه هم هست مكان قرارگیری نقطه فشار در دو شكل یكسانی است. اما چون مركز جرم متفاوت دارند اثر نیروهای درگ مشابه بر روی هر موشك كاملاً متفاوت است.
 
در موشك اول (سمت چپ) مركز جرم در امتداد محور موشك جلوتر از مركز فشار قرار دارد. بنابراین نیروهای درگ اضافی بیشتر در انتهای نیمه عقب موشك عمل می‌كنند و در طول مسیر تمایل دارند كه آنرا به عقب بكشند و در مسیر نگه دارند. به طور كلی، نیروهای درگ یك گشتاور حول مركز جرم ایجاد می‌كنند تا اینكه یك پرواز بهینه و مناسب داشته باشد.
 
در موشك دوم (سمت راست) مركز جرم در امتداد محور موشك عقب‌تر از مركز فشار قرار دارد. بنابراین نیروهای درگ اضافی بیشتر در انتهای نیمه جلو موشك عمل می‌كنند و تمایل دارند كه آنرا به جلو بكشندو از مسیر منحرف كنند.
بنابراین، موقعیت‌های نسبی مركز جرم و مركز فشار هستند كه مشخص می‌كنند آیا موشك از نظر آئرودینامیكی پایدار هست یا نیست. نحوه تعیین مركز جرم را در قسمت‌های قبلی توضیح دادیم اما چگونه نقطه مركز فشار را مشخص كنیم؟
 


ارزیابی  موقعیت مركز فشار:
 
تخمین دقیق موقعیت مركز فشار اندكی مشكل می‌باشد اما یك تكنیك ساده وجود دارد كه شما می‌توانید برای تخمین موقعیت مركز فشار از آن استفاده نمایید. برای این كار نیاز است كه شما ابتدا یك نیمرخی از موشك خود را بر روی مقوای نازك یا كاغذ A4 رسم نمایید و سپس آن را از روی كاغذ بریده و جدا كنید. تا حدودی مركز جرم تصویر نیمرخی كه درست كرده‌اید یك تخمین خوبی برای مركز فشار می‌باشد. همانطور كه قبلاً هم گفته شد اگر مركز جرم موشك در نیمه جلو و مركز فشار در پشت آن باشد، موشک از نظر آئرودینامیكی می‌تواند پایدار باشد و یك پرواز خوب داشته باشد.

درگ:

از آنجایی كه آب، با سرعت نازل موشك را ترك می‌كند ، عکس العمل مومنتوم هوا آن را به طرف جلو می ‌راند. اما به تدریج این شتاب كاهش پیدا می‌كند چون كه موشك نیاز دارد كه هوا را از سر راه خود پس بزند. نیرویی كه نیاز است هوا را از سر راه خود پس بزند درگ آئرودینامیكی نام دارد و بدون امكانات ویژه تا حدودی اندازه‌گیری آن مشكل می‌باشد.
برای یك موشك در حال حركت با سرعت چند متر بر ثانیه باید به نیروی درگ هم توجه شود و در سرعت‌های بالا درگ کاملا بر حركت پرتابه مسلط می‌شود. برای موشك مورد نظر، نیروی درگ در سرعت حدود 10 متر بر ثانیه قابل ملاحظه می‌باشد. لذا لازم است که یک طراحی بهینه با کمترین مقدار نیروی درگ را  اجرا کنیم. همان موشك ابتدایی ( دماغه نوكدار، بدنه طویل، پره‌ها) را در نظر بگیرید. با استفاده از نكات زیر می‌توان نیروی درگ را به حداقل رساند.


نوك (دماغه) :

نوك موشك باید مخروطی باشد اما لازم نیست كه بیش از اندازه نوكدار شود. لازم است كه سنگینی در نوك موشك ایجاد شود. می‌توانید از چسباندن نوار در اطراف توپ تنیس استفاده كنید و یا اینكه از طرح های دیگری مانند چسباندن خمیر بازی بر روی مقوا استفاده كنید.


بدنه :

تا حد امكان سطحی صاف داشته باشد. برای حجم موشك گفته شده، موشك نازك و طویل از موشك تخت و كوتاه نیروی درگ كمتری دارد.


پره‌ها:

پره‌ها باید نازك و سبك وزن باشند. به طور متقارن در اطراف موشك چیده شده باشند كه اغلب از 3 یا 4 پره می‌توان  استفاده نمود. تا آنجایی كا امكان دارد در انتهای عقب موشك قرار بگیرند.

 
فرینگ (Fairing):


یك پوشش آئرودینامیكی (بر روی بدنه هواپیما، ماشین یا وسیله دیگر) كه درگ را كاهش می‌دهد. فرینگ‌ها به دو روش كاملاً متفاوت استفاده می‌شوند. روش اول هنگامی استفاده می‌شود كه دو بطری را به هم متصل كرده‌ایم؛ قسمت میانی یك بطری دیگر بریده می‌شود و اطراف اتصال آنها را پوشش می دهد. روش دوم كل بطری یا قسمت‌هایی از بطری بر روی موشك آبی اضافه می‌شود تا یك موشك بلندتر را ایجاد كرد. این روش مناسبی برای جلو بردن مركز جرم موشك در امتداد موشك برای تقویت پایداری آن می‌باشد.





نازل:


نازل، مبدلی است كه انرژی هوای منبسط ‌شده را به مومنتوم خطی آب موجود در پشت موشك تبدیل می‌كند. بازدهی نازل نسبت به انرژی كه در طی فرایند اتلاف می‌شود اندازه گیری می‌گردد. اتلافات در اثر اصطكاك، ویسكوزیته و شتاب خارج از محور آب ناشی می‌شود. شما نسبتاً قادر به كنترل دو خاصیت اول نیستید اما طراحی شما برمورد سوم می‌تواند تأثیر بگذارد.

SAFmechanic.com

                                                                  
دو بطری كه در سمت چپ و راست نشان داده شده است را در نظر بگیرید. شكل سمت چپ یك بطری نوشیدنی گاز‌دار استاندارد را نشان می‌دهد و عملكرد نازل قابل قبولی خواهد داشت، اگر چه فرم بطری نشان داده شده در سمت راست ،عملكردی از نازل تقویت شده را پیشنهاد می‌كند و مسلما نتایج بهتری حاصل خواهد کرد. شانه‌های شیب ‌دار آرام آن، آب را در جهت مستقیم هدایت می‌كند و انرژی كمی در جلو بردن آب از اطراف به سمت نازل هدر می‌رود.
 
از دیگر پارامترهای موثر برای توصیف نازل می‌توان به امپدانس (مقاومت ظاهری) جریان اشاره كرد كه عمدتاً توسط سطح مقطع عرضی مشخص می‌شود. مساحت بزرگتر، یعنی امپدانس كمتر و آب سریعتر خارج می‌شود. مساحت كوچكتر، یعنی امپدانس بزرگتر و آب آهسته‌تر خارج می‌شود. در مواردی محدود از امپدانس بسیار بالا، آب از بطری به بیرون چكه می‌كند و هرگز زمین را ترك نمی‌كند.


موشك‌های چندگانه( چند بطری):


اتصال دو یا چند بطری با ایجاد یك اتصال محكم فشاری در اصل ساده است اما در عمل كار مشكلی است. تكنیك اصلی،  پیدا كردن یك سازه ( نوعاً یك اتصال لوله‌ای یا شیر) است كه به طور مكانیكی بطری‌ها را به یكدیگر متصل می‌كند. سپس باید سازه را درزگیری نمود. اكنون به دو تكنیك مشابه اشاره می‌كنیم :

SAFmechanic.com

SAFmechanic.com

در تكنیك اول ابتدا یك حفره در مركز انتهای بطری ایجاد می كنیم. حفره ایجاد شده باید حدوداً به قطر  5/12 میلی متر باشد ( به قطر نیم اینچ  اندازه بسیار خوبی است). به طور كلی یك مته چوبی بسیار نتیجه بهتری از یك مته قولادی با سرعت بسیار بالا خواهد داشت. اكنون شیر لاستیك ماشین را در انتهای بطری جا می‌زنیم. قبل از جا زدن شیر به بطری، نیاز است كه قسمت‌های داخلی شیر بوسیله دم ‌باریك یا چیز مشابهی برداشته شود؛ كه یك حفره مستقیم از میان مركز شیر تقریباً با قطر 3 میلی‌متر را نتیجه می‌دهد.

 حال باید یك بطری دیگر به شیر وصل كنیم. در ادامه از یك پوشش فلزی برای درزبندی بطری و ایجاد حفره‌ای كه اجازه دهد انتهای شیر تایر برآمدگی خود  راداشته باشد استفاده می‌كنیم (مطابق شكل). اكنون با یك فشار محكم اتصالات را محكم می‌كنیم. برای این كار ابتدا یك واشر لاستیكی بر روی انتهای شیر قرار می‌دهیم  و آنرا توسط یك مهره در جای خود محكم می‌فشاریم. سپس تمام اتصالات را با درزگیر سیلیكونی درزگیری کرده و بعد از آن 24 ساعت وقت نیاز است كه مونتاژ آماده شود.

SAFmechanic.com

گام آخر اضافه كردن فرینگ برای كاهش درگ است. یك روش هوشمندانه برای انجام آن بریدن قسمت مركزی یک بطری دیگر و چسباندن آن بر محل اتصال بطری‌های تركیب ‌شده است.

 
 
 
  
منبع:

A guide to building and understanding the physics of Water Rockets - National Physics Laboratory

+ نوشته شده در  پنجشنبه هشتم بهمن 1388ساعت 11:52  توسط بابک طاحونی نامقی (مدیر)  |