Modelraketproject V4.nat1&2

• Natuurkunde
• Middelbare school
• havo, vwo
• Leerjaar 4

Hoofdstuk Kracht

Modelraketproject

Modelraketproject

In dit project werk je in groepjes van 3 personen aan de ontwikkeling van een modelraket als onderdeel van het hoofdstuk Kracht. Elke groep bestaat uit de volgende afdelingen:

- Research & Development (R&D)

- Rocket Body & Build (B&B)

- Organisation & Safety (O&S)

Groepsverdeling

Groep 2:

B&B: Lars 

B&B: Mike 

R&D: Nees  

R&D: Rayan 

O&S: Meike 

O&S: Madeleine

Groep 1:

B&B: Aran

B&B: Dennis 

R&D: Cynthia 

R&D: Ilse 

O&S: Ilian 

Groep 5:

B&B: Stef 

B&B: Femke 

R&D: Tessa 

R&D: Bianca 

O&S: Marit 

Groep 3:

B&B:  Edris

B&B:  Saleem

R&D:  Tycho

R&D: Jeroen

O&S: Esmee

Groep 4:

B&B: Jesper 

B&B: Nick 

R&D: Arend 

R&D: Kailu 

O&S: Jet 

O&S: Lisanne

Groepsverdeling

Groep 2:

B&B: Lars 

B&B: Mike 

R&D: Nees  

R&D: Rayan 

O&S: Meike 

O&S: Madeleine

Groep 1:

B&B: Aran

B&B: Dennis 

R&D: Cynthia 

R&D: Ilse 

O&S: Ilian 

Groep 5:

B&B: Stef 

B&B: Femke 

R&D: Tessa 

R&D: Bianca 

O&S: Marit 

Groep 3:

B&B:  Edris

B&B:  Saleem

R&D:  Tycho

R&D: Jeroen

O&S: Esmee

Groep 4:

B&B: Jesper 

B&B: Nick 

R&D: Arend 

R&D: Kailu 

O&S: Jet 

O&S: Lisanne

R&D

R&D

R&D

R&D

B&B

B&B

B&B

B&B

B&B

B&B

B&B

B&B

B&B

B&B

F​w, lucht​​=​2​​1​​⋅ρ⋅A⋅c​w​​⋅v​2​​

B&B

F​w, lucht​​=​2​​1​​⋅ρ⋅A⋅c​w​​⋅v​2​​

F​z​​=mg

B&B

O&S

O&S

O&S

O&S

Modelraketproject

In dit project werk je in groepjes van 5 á 6 personen aan de ontwikkeling van een modelraket als onderdeel van het hoofdstuk Kracht. 

R&D Opdracht 1 

In de video wordt gesproken over het verbinden van een zwarte en rode draad met elkaar. In plaats daarvan gebruik je direct het draad wat je tot je beschikking hebt.

Druk het draad stevig tegen de lucifer aan, en plak het dan vast.

Doel

Je gaat in je tweetal werken aan de ontsteker van de raketmotor. Daar zijn metaaldraden van verschillende diameters (0,20 mm, 0,30 mm & 0,40 mm) voor beschikbaar, en elke diameter ga je onderzoeken op werkzaamheid. 

Zodra je de meest effectieve diameter gevonden hebt, maak je zoveel mogelijk ontstekers met die diameter.

De video hiernaast helpt je goed op weg.

R&D Opdracht 2 

In de video wordt gesproken over een verhouding van KNO₃ : suiker als 65 : 35 als brandstofverhouding, dus 65 gram KNO₃ en 35 gram suiker. Gebruik deze verhouding voor de brandstof van je raketmotor. Gebruik geen andere stoffen in je raketmotor.

Wanneer je deze raket gemaakt hebt, is het tijd om het uit te testen in het statief wat buiten zal staan. Zorg ervoor dat je de veiligheidsinstructie gebruikt die door O&S opgesteld is. 

Film het afsteken van de raket. Zorg ervoor dat er altijd je O&S-lid erbij is. Ook een begeleider van GoDare of je docent is dan in de buurt, wanneer je de raket afsteekt. 

Hint: gebruik Binas tabel 5 om inch om te rekenen.

Doel

Je gaat in je tweetal werken aan het maken van de eerste raketmotor. Hoe dat moet, wordt beschreven in de onderstaande video.

In de video wordt als brandstof een mix van kaliumnitraat, KNO₃, (potassium nitrate) en kristalsuiker gebruikt. Binnen je groepje gebruik je een ander soort suiker als brandstof.

B&B Opdracht 1 

In de video wordt gesproken over hoe je een account kan aanmaken, hoe de basis onderdelen van TinkerCad werken, etc.

Doel

Je gaat in je tweetal werken aan het ontwerp van de nosecone van de raket, oftewel de neuskegel. 

Dit ga je ontwerpen in TinkerCad, en als je geen ervaring hiermee hebt, krijg je een crashcourse van mr. Langelaan. 

Zoek op internet naar inspiratie voor de vorm van de neuskegel minimaal 3 verschillende ontwerpen te maken om te kunnen testen in de windtunnel.

B&B Opdracht 2

Kies dus een effectieve vorm en grootte voor je parachute. Hieronder is een kort overzicht weergegeven van een aantal voorbeelden.

De C_D die in de afbeeldingen gebruikt wordt, is de c_w die we in de natuurkundeformule voor luchtweerstandskracht gebruiken.

Neuskegel

Je gaat in je tweetal de drie ontworpen neuskegels uit testen in de windtunnel. Zorg ervoor dat je dat zo verduisterd mogelijk doet. Film hoe de rook over het profiel van elke neuskegel heen stroomt. Zet de neuskegel enkel evenwijdig aan de stroomrichting van de rook. Als B&B maak je een keuze in welke neuskegel voor de raket gebruikt zal worden.

Parachute

Wanneer dat klaar is, ga je in tweetallen aan het werk aan de parachute. Net zoals bij het parachuteproject, ga je een parachute ontwerpen. Dit keer zal je wel degelijk onderzoek gaan doen naar de luchtwrijvingscoëfficiënt van de parachute.

B&B Opdracht 2

Kies dus een effectieve vorm en grootte voor je parachute. Hieronder is een kort overzicht weergegeven van een aantal voorbeelden.

De C_D die in de afbeeldingen gebruikt wordt, is de c_w die we in de natuurkundeformule voor luchtweerstandskracht gebruiken.

Neuskegel

Je gaat in je tweetal de drie ontworpen neuskegels uit testen in de windtunnel. Zorg ervoor dat je dat zo verduisterd mogelijk doet. Film hoe de rook over het profiel van elke neuskegel heen stroomt. Zet de neuskegel enkel evenwijdig aan de stroomrichting van de rook. Als B&B maak je een keuze in welke neuskegel voor de raket gebruikt zal worden.

Parachute

Wanneer dat klaar is, ga je in tweetallen aan het werk aan de parachute. Net zoals bij het parachuteproject, ga je een parachute ontwerpen. Dit keer zal je wel degelijk onderzoek gaan doen naar de luchtwrijvingscoëfficiënt van de parachute.

O&S Opdracht 1 

Vragen die je kan stellen zijn:

Hoe ver moet iedereen staan? Moeten er bepaalde apparaten in de buurt staan? Wat is the best case scenario en the worst case scenario wat zou kunnen gebeuren? Hoe zorg je ervoor dat alles veilig verloopt?

In de onderstaande video begint vanaf 0:16 een kort fragment waarbij het misgaat bij een aantal lanceringen. Vanaf 6:26 zie je een testopstelling zoals die bij R&D gebruikt 

zal worden. Hierop

baseer je het

protocol.

Doel

Je gaat met je fellow O&S leden een protocol voor veiligheid ontwikkelen. De vraag hierbij is hoe het testen van een raketmotor het veiligst kan worden uitgevoerd.

Vanaf 4:24 in de bovenstaande video zie je de raketten getest worden, en hoe het mis kan gaan bij een 4 mm nozzle. 

Mocht dit gebeuren,

moet je natuurlijk 

veiligheid kunnen 

garanderen met je 

protocol.

O&S Opdracht 2 

Subgroep 2

Om de gekochte raket te lanceren (eigen raket lanceren mag niet), moet contact gezocht worden met de DRRA. Ze zijn niet altijd even makkelijk bereikbaar aan de telefoon, dus stel een e-mail op die je naar hen kan sturen. 

Je wilt natuurlijk verschillende vragen stellen, zoals waar je mag lanceren en wanneer en hoe etc etc. Overleg desnoods met Tim over de onderwerpen die je wilt bespreken. 

Stuur de concept e-mail naar Tim om te laten controleren. Met zijn goedkeuring kunnen jullie het naar de DRRA sturen. Zorg ervoor dat de e-mail vandaag nog verstuurd wordt.

Tussendoor

Bij R&D wordt de eerste raketmotor in elkaar gezet. Wees paraat om erbij aanwezig te zijn wanneer ze het afsteken. Houd in de gaten dat alle O&S checks zijn uitgevoerd door de R&D leden.

Subgroep 1

Het protocol voor het testen van de raket moet nog aangepast worden. Daarvoor moeten jullie overleggen met Vaibhav van Team Nova (ook aanwezig bij GoDare). Hij kan Engels spreken, dus zet je beste Engels in om met hem te communiceren.

Aan de hand van zijn beschrijving van de testbench kunnen jullie het protocol verfijnen. 

R&D Opdracht 1 

In de video wordt gesproken over een verhouding van KNO3 : suiker als 65 : 35 als brandstofverhouding. Maar geldt dat ook voor jullie suikersoort? Misschien is een verhouding 60 : 40 veel efficienter.

Dat is het onderzoek wat jullie gaan uitvoeren: Verander de verhouding zo

Doel

Je gaat in je tweetal werken aan het maken van de eerste raketmotor. Hoe dat moet, wordt beschreven in de onderstaande video.

In de video wordt als brandstof een mix van kaliumnitraat, KNO₃, (potassium nitrate) en kristalsuiker gebruikt. Binnen je groepje gebruik je een ander soort suiker als brandstof.

Inspiratie 

Hier een sheet ter inspiratie.

Let vooral op de vormen, hoeveelheid

parachutes, etc.

^{Landing Apollo missie}

^{Geallieerde parachutisten (vanaf 0:07)}

^{Supersonische parachute (vanaf 0:49)}

^{Paraglider (vanaf 0:35)}

^{Leonardo da Vinci} 

Fase 1: Ontwerpprobleem analyseren en beschrijven

Fase 2: Programma van Eisen opstellen

Aan de hand van een programma van eisen kan je als ontwerper een helder beeld krijgen van de functies die vervuld moeten worden. Je houdt daarbij rekening met de randvoorwaarden waarbinnen het product gemaakt moet worden, zoals bijvoorbeeld:

- beschikbare materialen

- aantal personen dat aan het ontwerp werkt

- afmetingen product (maak een schets)

- omgeving waarin het product gebruikt wordt 

- vorm product(bolvorming, piramidevorming, etc.)

- etc.

Formuleer de eisen zo concreet en eenduidig mogelijk. De eisen moeten meetbaar/ testbaar zijn. Geef aan hoe je ze gaat meten/ testen. 

Voor dit project ga je als groepje de hele ontwerpcyclus doorlopen. Om er op school mee aan het werk te kunnen, moet het probleem duidelijk en overzichtelijk omschreven worden door vragen te stellen.

Voorbeelden van dergelijke vragen zijn: Wie hebben dit probleem? Waar wordt het door veroorzaakt? Zijn er problemen die hier op lijken? Ken je daar oplossingen van? Door de antwoorden op deze vragen zo nauwkeurig mogelijk op te schrijven, krijg je goed zicht op het ontwerpprobleem. 

Fase 3: (Deel)uitwerkingen bedenken (1/2)

Fase 3: (Deel)uitwerkingen bedenken (2/2)

Voor de uitwerking van deze functies kan een ideeëntabel een handig hulpmiddel zijn. In zo'n tabel geef je de hoofdfunctie en de deelfuncties weer met daarbij praktische uitwerking. 

Als voorbeeld een ontwerpideeëntabel voor melkverpakking:

Nu de eisen bekend zijn, kun je het ontwerpprobleem gaan uitwerken. Er zijn altijd meerdere mogelijkheden. Iedere ontwerper gebruikt zijn eigen creativiteit en heeft eigen ideeën om het ontwerpprobleem op te lossen. 

Een technisch systeem bestaat altijd uit deelsystemen met een erbij horende functie (deeltaak). Daarom is het voor het bedenken van alternatieven handig om de hoofdtaak te onderscheiden van de deeltaken. Vervolgens kunnen dan per deeltaak alternatieve uitwerkingen gezocht worden.

Fase 4: Ontwerpvoorstel realiseren

Stap 6: productontwerp evalueren en testen

Als het prototype klaar is, kan het getest worden. Bij het evalueren van de testresultaten wordt bekeken in hoeverre het product voldoet aan de gestelde eisen (uit het programma van eisen!). Wordt aan sommige eisen onvoldoende voldaan, dan wordt bekeken waar dat aan ligt. 

Je bent het probleem dan opnieuw aan het analyseren. Om voorstellen voor verbetering te doen moet de ontwerpcyclus (gedeeltelijk) opnieuw doorlopen worden.

Na het opstellen van de ideeëntabel moet de ontwerper de beste combinatie van uitwerkingen kiezen. Daartoe moet worden nagegaan in hoeverre aan het Programma van Eisen wordt voldaan. 

De ontwerpers maken een planning van de nog uit te voeren werkzaamheden en bepalen welke informatie nog nodig is. Tevens wordt aangegeven welke materialen nodig zijn en wanneer men een prototype denkt klaar te hebben.

Het ontwerp moet natuurlijk nog in een prototype gebouwd worden. Als het voorwerk goed gedaan is, kan je redelijk efficiënt werken. Het ontwerp is immers goed doordacht.

Stap 5: ontwerp realiseren