статья из журнала "Химия и Жизнь" номер 4-6 1996 год

  ДВИГАТЕЛЬ ФЕЙЕРВЕРОЧНОЙ РАКЕТЫ

    Реактивные двигатели были, по-видимому, первыми пиротехническими изделиями, в которых использовали смесь селитры, серы и угля.
    Самое раннее достоверное описание боевого применения ракет относится к обороне китайских городов от монголов в 1232 г. "Стрелы летящего огня" делали из бамбука. С тех пор их конструкция принципиально не изменилась (рис.1). Твердое топливо содержит избыток угля, и поэтому в восстановительной среде исходящих газов бумажное сопло не успевает сгореть. Коническая полость совершенно необходима - благодаря ей заряд горит от центра к стенкам, и последние сохраняются до выгорания топлива. Кроме того, полость обеспечивает высокую скорость и равномерность горения.

Фейерверочная ракета: 1 - звездочка (под действием пороховых газов она отделяется от ракеты и сгорает цветным пламенем); 2 - воспламенитель звездочки; 3 - соединительная бумажная трубка; 4 - вышибной заряд (благодаря ему звездочка отделяется от ракеты); 5 - картонный корпус двигателя; 6 - заряд твердого топлива; 7 - рейка-стабилизатор; 8 - коническая полость; 9 - стопин (огнепроводной шнур)

    При правильном монтаже - высокой плотности топлива и хорошем сцеплении со стенками - верхняя часть топливного заряда над конической полостью будет служить замедлителем, не пропускающим пламя к вышибному заряду до тех пор, пока не выгорит все топливо.
    В работе факультатива по пиротехнике Специализированного учебно-научного центра МГУ и в летней школе "Химера" мы используем миниатюрные ракеты с внутренним диаметром двигателя 8 мм. Они экономичны (заряд топлива 3,5-4,0 г) и поднимают полезный груз массой до 2 г на высоту 30-40 м. (Учитывая, что вес рейки стабилизатора около 2 г.) Такие размеры мы выбрали, поскольку использовали наиболее доступное сырье - старые школьные тетради и оборудование - круглые карандаши.
    Прежде всего частично высверлите грифель из двух карандашей и замените его соединительным стержнем диаметром 3,5 мм (рис. 2). Затем развернутый лист тонкой тетради (340 х 205 мм) разрежьте вдоль на три полоски (340 х 68 мм). Каждую полоску аккуратно намотайте на карандаш, нанося поперечные мазки водорастворимым клеем - силикатным, казеиновым, ПВА и тому подобными. Лучше пользоваться негорючим силикатным клеем. Стенки получившейся трубки должны быть плотными, без воздушных промежутков. У одного конца трубки до того, как высохнет клей, необходимо сделать перетяжку. (Для этого и нужно наше приспособление из двух карандашей.) Широкой петлей из медной проволоки или лески диаметром 0,8-1,0 мм постепенно прижимайте стенки трубки к соединительному стержню, а карандаши медленно сближайте После этого перетяжку полезно дополнительно стянуть петлей из толстой нитки. Затем удалите один из карандашей и снимите готовый корпус.

Так делают корпус ракетного двигателя: 1 - стержни диаметром 8 мм (карандаши); 2 - соединительный стержень диаметром 3,5 мм; 3 - корпус двигателя; 4 - петля для обжатия перетяжки

    Кроме корпусов необходимо заготовить стабилизаторы - деревянные рейки размером 5 х 5 х 500 мм. весом не более 2 г каждая. В отличие от сопла рейка в полете ракеты может довольно сильно обгореть. Чтобы этого не произошло и на зрителей не падали тлеющие стабилизаторы, пропитайте их огнезащитным составом. В литре воды растворите 50-80 г сульфата или фосфата аммония, 5- 10 г тетрабората натрия (буры), 20-50 г алюмокалиевых квасцов. Если нет буры и квасцов, можно обойтись только сульфатом (фосфатом) аммония, тогда его концентрация должна быть 100 г/л. Раствор наносите кистью или погружайте в него рейки на несколько секунд. После пропитки сушите рейки в перевязанном пучке, чтобы они не изогнулись. Не ленитесь, пропитка позволит также избежать большой неприятности - перегорания стабилизатора на старте. Ведь если такое случится, ракета полетит горизонтально и совершенно неконтролируемо.
    Для топлива заготовьте стандартную смесь, горящую в соответствии с уравнением: 2KNO₃ + S + ЗС = K₂S + ЗСО₂ + N₂.
    К ней добавьте 1/7 от ее массы древесного угля и около 1/50 сухого клея. Напомню, для топлива мы используем горючий и водорастворимый клей, например декстриновый для обоев. Дополнительный уголь может быть довольно крупнозернистым - до 0,5 мм в диаметре Тогда при полете получится красивый искристый хвост. Разумеется, исходная стандартная смесь должна быть растерта очень тщательно.
    Прежде чем наполнять корпуса топливом, приготовьте шило с конической иглой 3,0 х 40 мм (им вы будете создавать полость) и стержень диаметром 6-7 мм (чтобы уплотнять смесь) Перед тем. как набивать корпус, протолкните карандашом на дно его кусок тетрадной бумаги 10х10 мм, чтобы топливо не высыпалось.
    Сухую топливную смесь разотрите, постепенно добавляя воду Заканчивайте, как только при сильном надавливании пестиком у комка смеси появится мокрый блеск Смесь при этом не должна быть жидкой или кашеобразной. Важно добиться равномернбго увлажнения всей порции смеси. Если у вас нет сухого клея, используйте жидкий декстриновый или казеиновый и вводите его на этапе растирания. Соотношение между объемом жидкого клея и его сухой массой определите заранее экспериментально. Набивайте корпус топливом небольшими порциями, энергично уплотняя смесь. Длина уплотненного заряда топлива - около 55 мм.
    После того как вы закончите эту работу, аккуратно, строго в центре проколите шилом коническую полость. Помните, она обязательно должна быть параллельна корпусу. Глубина полости от перетяжки - 40 мм. Чтобы топливо не выдавилось через открытый торец корпуса, прижимайте его карандашом через бумажную прокладку.
    Теперь осталось набраться терпения и высушить ракетные двигатели в теплом месте, например на батарее отопления. Температура не должна быть выше 40-45 град. С, а процесс займет 5-7 дней. Если вы слишком торопитесь, а потому намереваетесь сушить при более высокой температуре, знайте: из топлива может частично выкристаллизоваться селитра (вы увидите белый налет в районе сопла) и заряд растрескается. Двигатели с растрескавшимся зарядом обычно взрываются на старте.
    Но вот двигатели высохли. Теперь можно испытать один из них. Закройте верхний торец топливного заряда бумажной пробкой на клею, при этом можно загнуть стенки корпуса двигателя внутрь. Прикрепите сбоку рейку-стабилизатор с помощью нитки или бумажной полоски и клея. Центр тяжести собранной таким образом ракеты должен располагаться на рейке в 2-5 см от сопла двигателя. Вставьте в коническую полость стопин длиной 6-7 см (как делать стопины - огнепроводные шнуры - прочитайте в июньском номере "Химии и жизни" за 1994 год). Для запуска ракет удобно пользоваться направляющей трубкой, в которую вставляется рейка-стабилизатор.
    Когда вы будете выбирать площадку для запуска, помните, что ваша ракета - эффективное зажигательное средство и даже при обязательном вертикальном пуске может перейти в горизонтальный полет дальностью не менее 50-60 м. Безопаснее всего запускать ракеты после дождя или зимой на снегу. Установите направляющую трубку вертикально или с легким наклоном (не более 20њ от вертикали) в наиболее безопасном направлении. Очень полезно иметь перед собой предохранительный щит для защиты от возможного взрыва или горизонтального старта. Резмеры щита - не менее 50 х 50 см, его центр должен находиться напротив двигателя ракеты, установленной в направляющей трубке. Убедившись, что стабилизатор может совершенно свободно двигаться в направляющей трубке, зажигайте стопин. Времени горения стопина длиной 6-7 см хватит, чтобы успеть отбежать на безопасное расстояние. Ракета должна стартовать резко, с сильным шипящим звуком. Время работы топливного заряда - не более 2 с. Зависание на старте и большее время горения указывают на то, что исходная топливная смесь недостаточно просушена или плохо перетерта.
    После удачного старта обязательно найдите ракету и внимательно осмотрите двигатель. Он должен быть внешне целым, с увеличенным (на 1-1,5 мм) отверстием сопла. Обугливание или прогорание стенки говорит о неравномерной набивке, плохой центровке конической полости или о слишком тонкой бумаге. Если ракета взрывается на старте или на высоте 5-15м выбивает с резким звуком бумажную пробку из верхнего торца, следует увеличить долю добавочного угля до 20%. Исправьте замеченные недостатки в следующих двигателях.
    А теперь можете приступать к их серийному изготовлению. Учтите, что для минимального фейерверочного эффекта необходимо запустить подряд не менее десятка ракет.
    Изготовленные вами двигатели можно использовать и для запусков моделей ракет. В этом случае лучшим пособием для вас будет книга В.С.Рожкова "Спортивные модели ракет", выпущенная издательством ДОСААФ в 1984 г.
    Двигатель - это еще не фейерверочная ракета. Кроме него вам понадобятся звездочки - специальные изделия, сгорающие с образованием яркого цветного пламени, и гранулированный порох для вышибного заряда. Но об этом читайте в следующем номере.