Inleiding
Velen hebben zich tijdens oudjaar, kijkend naar het vuurwerk, wel eens afgevraagd hoe het mogelijk is dat vuurwerk zo mooi de lucht in gaat. Ook Joost, Wouter en Alexander vroegen zich dit af en vanuit deze nieuwsgierigheid ontstond een echte hobby waarbij zij zelf probeerden vuurwerk te produceren. Toen ze op een dag te horen kregen dat ze een profielwerkstuk moesten maken was de link naar hun hobby snel gelegd. Na geruime tijd overleggen over risico's, afbakening van het onderwerp en doelstellingen kwamen ze met zijn drieën tot een akkoord: het zou een raket worden die op een vaste brandstof zou moeten opstijgen.
Vraagstelling en hypothese
Hoe ver kan een brandstofraket omhoog geschoten worden en welke factoren spelen daarbij een rol? Het doel is de raket minstens tot een hoogte van 7 meter te lanceren.
Theorie
De constructie
De raket bestaat uit een 6 mm dik en 80 mm lang pvc-pijpje met een buitendiameter van 18 mm. Deze mantel moet bestand zijn tegen de enorme druk tijdens de ontbranding van de brandstof. Om ervoor te zorgen dat de verbrandingsgassen alleen onder uit de motor ontsnappen is de bovenkant goed dichtgemaakt met een prop keukenrol. Daarna is twee componenten lijm aangebracht. Dit constructie is goed bestand tegen de hoge temperatuur.
De uitlaat is een zeer belangrijk onderdeel van een raketmotor. De diameter van de uitgang bepaalt uiteindelijk hoe hoog de druk binnenin de raket zal worden. De uitlaat moet bovendien bestand zijn tegen de extreme temperaturen. De uitlaat is gemaakt van aluminium, een licht, sterk en goed te bewerken materiaal , dat ook nog eens tegen de hoge temperatuur bestand is. Deze uitlaat is weer verlijmd in de mantel met twee componenten lijm.
De vleugels
Voor hetvolgen van een rechte baan in de lucht heeft een raket vleugels (ook wel flaps of stabilisatoren) nodig. Deze vleugels zorgen er voor dat de luchtstroom langs de raket mooi langs de zijden verdeeld wordt, waardoor de raket in een rechte baan blijft.
Er is gekozen voor betrekkelijk kleine vleugels van balsa hout omdat grote vleugels erg veel wind vangen en daardoor door de wind gedraaid worden, waardoor ze juist voor een minder stabiele baan zorgen. Aangezien de vleugeltjes aan de onderkant zitten, zou de raket dan recht tegen de windrichting in worden gedraaid.
De brandstof
Eerst is een aantal bekende brandbare mengsels getest en te traag bevonden. Daarna hebben Joost, Wouter en Alexander zelf een brandstof ontwikkeld. Als basis is gekozen voor kaliumchloraat (i.p.v. het veel gebruikte kaliumnitraat) en als energiebron voor poedersuiker. Vervolgens is een hoeveelheid koolstof toegevoegd, die de reactie moet versnellen. Om het resultaat van het mengsel te bekijken zijn deze stoffen steeds in verschillende verhoudingen gemengd. Door ze vervolgens aan te steken was het mogelijk het verschil in brandsnelheid bepalen. Het is namelijk van groot belang een goede brandsnelheid te bereiken: te traag verbranden betekent niet opstijgen, te snel daarentegen zorgt ervoor dat de raket explodeert.De brandstof waarvoor uiteindelijk gekozen is, bestaat uit de volgende massapercentages:
Kaliumchloraat 74,0 %
Poedersuiker 21,4 %
Koolstof 4,6 %
Overigens is de mengverhouding ook theoretisch berekend. Deze verhouding is echter niet aangehouden, omdat de brandstof dan te snel zal ontbranden. Om de verbranding te vertragen is gekozen voor naar verhouding minder KClO3 dan berekend.
Omdat de raket zo hoog mogelijk te laten komen, moet er zoveel mogelijk brandstof meegegeven worden. Daarom moet het brandstofpoeder nog samengeperst worden.
Als pers is een lijmklem gebruikt die in een bankschroef wordt gezet. Tussen de twee klemmende gedeeltes wordt de raket gezet (waarin al brandstof is aangebracht). In de mantel wordt, op de brandstof, een precies sluitende pin gezet die door middel van het naar elkaar toe draaien van de twee delen de brandstof vast in de mantel perst.Omdat de temperatuur van de brandstof tijdens het samenpersen stijgt en er daardoor ontbrandingsgevaar ontstaat, is het samenpersen steeds in kleine stapjes uitgevoerd.
Het mengsel dat in de raketmantel wordt aangebracht brandt per definitie alleen aan de buitenkant. Aangezien het tijdens deze reactie reageert tot gassen, ontstaan er nieuwe stoffen en is de buitenste "laag" brandstof weggebrand. De brand slaat over op de "nieuwe" laag die onder (vanuit de brand gezien) de oude ligt. Dit alles gebeurt in een erg hoog tempo.
Omdat eigenlijk alleen het oppervlak brandt, is het dus mogelijk om met hetzelfde mengsel per tijdseenheid meer druk op te bouwen in de raketmantel als er gezorgd wordt voor een groter verbrandingsoppervlak. Het verkrijgen van een groter brandoppervlak in de raket wordt in het algemeen bereikt door vanaf de uitlaat mengsel weg te boren. Dit is een van de laatste stappen tijdens de bouw van een raket. Ook is dit een van de meest risicovolle omdat bij het boren warmte wordt ontwikkeld die de ontbranding kan starten. Daarom is het inboren uitgevoerd met een satéprikker of een rietje en niet met een boormachine vanwege een te groot geachte risico.
Alle ontstekingen zijn uitgevoerd met behulp van gewoon "groen"-vuurwerklont. Het levert een vertraging op die lang genoeg is om op een veilige afstand van de raket te komen, ook als deze ontploft.
Het lanceerplatform
Een lanceerplatform voor een raket moet aan een aantal eisen voldoen. Ten eerste moet het stabiel staan. Vervolgens moet het de raket in de juiste baan leiden. Ook moet het tegen de erg hete uitlaatgassen van de raket kunnen. Op de raket zijn aan de zijkant twee papieren ringentjes gemaakt waardoor de pin loopt. Op deze manier zal de raket de eerste 1,2 verticale meters van zijn vlucht in een rechte baan omhoog wordt gelanceerd.
Als de raket van de lanceerpin loskomt, is begint de wind invloed te krijgen, omdat de pin hem niet meer in zijn baan houdt. De wind heeft dan het meeste vat op de vleugeltjes zodat het onderste deel van de raket met de wind mee gaat. De neus komt dan tegen de wind in te liggen met als gevolg dat de raket tegen de wind in gaat vliegen. Na een aantal proefnemingen is besloten een pin van 1,5 m lengte te gebruiken. De raket kan in het begin zoveel snelheid opbouwen dat de bocht die zijn baan maakt heel flauw wordt, zodat een grote hoogte bereikt kan worden.
Resultaten
Wanneer je van plan bent een raket te bouwen en te lanceren zijn er een aantal veiligheidsregels die in acht genomen moeten worden:
- het dragen van labjassen en beschermende brillen tijdens het homogeniseren van de brandstof
- voorzichtigheid met de gemaakte brandstof
- voorzichtigheid met vuur
- opletten met het onder druk brengen van de brandstof
- oppassen wanneer er toeschouwers bij zijn tijdens de lancering en die op afstand houden
- oppassen met raketten die niet direct omhooggaan (weigeraars)
- opletten met materialen die wrijving opleveren
- opletten met materialen die warmte opwekken (twee componenten lijm bijvoorbeeld, deze wordt warm tijdens het drogen)
- opletten op elkaar
- voorzorgsmaatregelen treffen voor het geval er iets fout gaat
De maximale kracht die de raket ontwikkelt is gemeten met een hefboom. De raket is aan het einde van de lange arm met een knijper bevestigt. Tussen de hefboom en de draaibare arm bevindt zich een krachtmeter. Door de afstanden A en B op te meten en daarbij de gegevens van de krachtmeter (opgenomen met een videocamera) af te lezen is de kracht die de raket levert bepaald. Hierbij is gebruik gemaakt van evenwicht van momenten.
Zoals te zien is in het diagram is de krachtlevering door de motoren verre van constant. De variatie in de grootte van de kracht is zo onregelmatig, dat niet geprobeerd is een vloeiende lijn te tekenen. Dat de kracht niet constant is komt waarschijnlijk doordat het brandstof mengsel niet volledig homogeen was: op sommige plaatsen bevond zich naar verhouding meer KClO3, waardoor de brandstof daar sneller kon branden. Ook was de brandstof niet overal even fijn gemalen. Geprobeerd is de grondstoffen met een mortier lange tijd klein te maken en vervolgens lange tijd te mengen, maar het probleem is niet volledig opgelost.
De plotselinge sterke stijging rond 6,0 s bij motor 2 en 6,7 s bij motor 1 komt doordat de mantel op dit punt de krachten niet meer aankan en ontploft. Dit is niet erg, want na zes seconde is de baan van de raketten over het algemeen al zover gekanteld, dat er toch geen grote hoogtewinst mee behaald kan worden.
De oppervlakte onder de lijnen in de bovenstaande grafiek is gelijk aan de krachtstoot van de motor. Duidelijk is dat hooguit een schatting gemaakt kan worden, aangezien de resultaten voor twee, toch identiek geachte, raketten erg veel verschillen. Bovendien is de ontploffing niet meegerekend, omdat deze ongecontroleerd is.
Geschatte stoot van de motor:
Fmotor * t = 0,3 * 5,0 = 1,5N.s
Stoot van
de zwaartekracht:
Fz = m * g = 0,0203 * 9,81 = 0,199N Fz * t = 0,199 * 5,0 =
0,995N.s
Met de bekende massa van de raket (20,3 g, waarvan 9,1 g aan brandstof) is
nu ruwweg te berekenen welke snelheid in theorie kan worden gehaald:
F * t =
1,5-0,995 = m * v = 0,0203 * v v = 25 m/s = 90 km/h
Hierbij hoort een maximale
hoogte van ruim 30 m !
Omdat de exacte invloed van de luchtweerstand onbekend is, is deze niet meegerekend. De bereikte hoogte is in werkelijk lager aangezien de raket op zijn hoogste punt ook nog een behoorlijke snelheid heeft. De hoogte is bepaald door het gemiddelde te nemen van de schattingen van dertien toeschouwers. Voor twee lanceringen bedroeg de zo bepaalde hoogte 21 m. Dit is dus ruim meer dan de doelstelling van 7 m. Overigens wordt slechts 0,01 % van de reactie-energie van het verbrandingsmengsel omgezet in nuttige zwaarte-energie. Het overgrote deel van de reactie-energie wordt omgezet in warmte.
Discussie
Het is mogelijk gebleken een raket te bouwen die met behoorlijk grote zekerheid een hoogte van minimaal 20 m haalt. Tijdens een demonstratie gingen twee van de drie raketten omhoog, maar van de zes raketten van de definitieve versie zijn er vijf tot minimaal 20 m gekomen, dus de werkelijke slagingskans is ongeveer vijf op zes. Bij zeer goede weersomstandigheden kan zelfs 40 m gehaald worden.
De gebruikte materialen en de bewerking daarvan is zeer belangrijk. Zowel een verandering van lijmsoort als het een stukje inboren van de raket blijken de slagingskans van een lancering onverwacht sterk te beïnvloeden.
Uit de theoretische berekeningen blijkt dat het rendement van de verbranding van de brandstof zeer laag is. Hoewel de waarde nóg lager is dan verwacht, is deze toch vrij goed verklaarbaar.
