«Как не надо проектировать ракеты» или путь разработки ракеты на ЖРД. Часть 2 — Первые расчеты

Здравствуй, Хабр!

С момента написания первой части о приключении студентов-ракетчиков прошло 2 года. Проект «простой ракеты на ЖРД» завершился, автор выпустился и пошел работать на одно из предприятий ракетно-космической отрасли. Пришло время рассказать о всем, что произошло, всех ошибках, радостях и достижениях, на которые наткнулся данный проект аж за 4 года работы! (обещаем, что не надо будет ждать очередные 2 года до следующей статьи)

Краткая ремарка – автор немного повзрослел, многое обдумал и научился частично сравнивать свою работу с тем, как ракеты делаются «на самом деле» — в ракетно-космической отрасли. Ввиду того, что проект завершен, дополнительно будут введены ремарки правильно это было по итогу или нет)

В прошлый раз мы остановились на начале проекта – было написано «техническое задание», собрана первая команда. Следующий этап – проектно-баллистический анализ. Если вкратце – это прикидочные расчеты, которые показывают, какой формой будет обладать то или иное изделие как массово-габаритно, так и тактико-технически (то есть размеры ракеты и как высоко она полетит). В качестве компонентов топлива были определены два компонента – перекись водорода (ПВ) и спирт, как было рассказано в предыдущей статье. Смотря из будущего – компоненты были выбраны логично, но, вероятно, неправильно)

Поясню: Перекись водорода – прекрасный доступный окислитель.

НО

1.    Компонент доступен в продаже только при концентрации 60%. Ввиду того, что ПВ (H202) разлагается на атомарный кислород (O) и воду (H2O), думаю ни для кого не секрет, что поджечь такую смесь (парогаз называется) не есть просто. Возможно повышение концентрации ПВ, но это процесс, требующих своих сил и, как оказалось, вообще не простой;

2.    Перекись водорода жидкость довольно наукоемкая (автору нравится это слово). Поясню – помимо концентрации, необходимо как-то понимать какие стабилизаторы производитель закинул в компонент и какая кислотность жидкости вам необходима (а как показывает практика – кислотность вещь вообще не линейная для ПВ). Как оказалось, ВСЕ это очень сильно влияет на компонент в работе;

3.    Если вы все-таки решите работать с высококонцентрированной ПВ, то к вышеперечисленным проблемам добавятся высокая и порой даже взрывоопасная реакция на всякие органические соединения;

4.    И самое главное – катализатор. Перекись надо как-то разложить. Везде написано – используйте перманганат калия (марганцовку), и вы радостно думаете в начале что дело легкое и не займет много времени, а ОКАЗЫВАЕТСЯ это самая главная часть вообще во всей ракете при использовании ПВ в качестве окислителя. Равномерное разложение с достаточной пропускной способностью — это та еще задачка, повесть об этом будет позднее.

То есть, перекись хороша, ибо с ней удобно работать (пары не ядовиты, можно найти в продаже, не требует высокого давления для поддержания в жидком состоянии, не криогенная и если прольешь ее (а ты прольешь), то это не критично. Если прольешь на руки (точно прольешь), то ничего критического не будет, «ожоги» (руки белеют) проходят за 10 минут.

ВНИМАНИЕ! Рассматривается перекись водорода концентрацией от 60 до 70%!

Вероятно, стоило выбрать в качестве окислителя закись азота, как это делает весь оставшийся мир, но этого мы никогда не узнаем)

Вернемся к расчетам.

В качестве основных данных для расчета были выбраны следующие параметры:

• Высота полета – 1000 метров (взяли чуть больше 500 метров как запас. Молодцы мы);

• Диаметр ракеты – 100 мм (прикидочное значение, имеется сортамент под данный диаметр, да и просто число красивое и удобное);

• Масса полезной нагрузки – 500 гр. (вообще надо было 300, но взяли с запасом);

• Тяговооруженность – 1,5 (это отношение ТЯГИ к ВЕСУ ракеты, посмотрели на современные большие ракеты — там ТВР 1,3. Решили взять с запасом).

Как оказалось по итогу, простое число – 1,5 заруинило весь проект (доставило ОГРОМЕННОЕ количество проблем при дальнейшем проектировании). Но тогда этого мы еще не знали. В умных книжках же так написано? (Спойлер – надо было ставить МИНИМУМ 4)

Весь расчет велся в MathCad Prime. Для маслят – это продвинутый калькулятор, который позволяет работать с размерностями и не только. Лучшая вещь из лучших. Программа из разряда «как я жил без нее?». Крайне рекомендуется к ознакомлению если еще нет.

Перед самим расчетом было определено несколько критически важных конструктивных решений:

• Бак наддува. Ввиду того, что в качестве системы подачи топлива была выбрана вытеснительная система подачи, необходимо было разобраться с баком наддува. В «классической» схеме для этого используется бак высокого давления, в котором закачан газ под давлениями от 150 до 300 атмосфер, после чего редуктор, понижает это давление до рабочего давления в баке (например, 20 атмосфер).

  НО

  Вся эта система непомерно много весит и вообще не понятно, как это умещать в небольшие габариты ракеты. Так что было принято решение не использовать его, НО увеличить объем бака. То есть, мы увеличиваем объем бака, создавая некую подушку газа. Да, тяга двигателя будет падать при работе, но для наших целей этого достаточно. По итогу, данное решение было одно из самых правильных, которые мы приняли в начале проекта.

• Система спасения. Ракета несет мирные цели и ее надо спасать после того, как она достигнет апогея. Все «просто и понятно» — парашют. Выталкивание парашюта решили реализовать по «ракетомодельной» схеме – то есть с применением вышибного заряда. Просто и надежно. Скорость снижения около 5 м/с. Решение по итогу оказалось грамотным, так что однозначный рекомендасьен.

• Электроника. «Ну нужна нам какая-то электроника чтобы клапанами управлять» – подумали мы и решили заложить на нее 200 грамм. По итогу оказалось, что этого мало, но об этом поговорим в части про электронику.

• Удельный импульс. Прикинули в Terra наш УИ. Получилось 1900 м/с. Так и использовали. Смотря сейчас понимаешь, что это провал. При таком расчете надо занижать примерно до 1500 м/с (да, процентов на 25). Ибо колхозные технологии, все дела.

• Автоматика. Подумали, что баки надо будет сделать по своему КД с плоскими днищами, а клапана и прочее покупать. Для расчета прикидочно задавали массы автоматики, которую предположили по ПГС ракеты. Аахахахаха, мда, потом как нибудь сравним итоговую ПГС.

Расчет велся итеративно в несколько этапов, были забиты приблизительные массовые параметры для каждого из агрегатов и систем. Там, где возможно задать переменную функцию для агрегата (к примеру масса бака, которая зависит от объема) задавали так. Вся двигательная установка была задана как много-переменная функция. На то время это было прям хорошо. То есть, задается простейшая баллистическая модель полета ракеты по вертикали (без полета с углом к горизонту).

Активный участок траектории (двигатель работает) – пассивный участок траектории (двигатель не работает, летим к апогею) – апогей (наивысшая точка траектории) – раскрытие парашюта – спуск – приземление.

Таким образом были определены следующие параметры:

• Стартовая масса ракеты – 7,2 кг;

• Сухая масса – 6,4 кг;

• Тяга двигателя – 13,7 кгс;

• Давление в камере – 1,7 МПа;

• Примерная длина ракеты – 1200 мм.

В свое время мы написали простейшую прогу в экселе для расчета моделей ракет. Она удобная и позволяет быстро прикидочно считать. Пользуйтесь на здоровье. В качестве бонуса есть методики расчета высоты полета ракеты по триангуляции и бортовой камере. Где написано «задание» надо задавать параметры. Ну и поиграться с ней можно.

После определения заданных параметров уже началась первичная проработка в модели. Разброс агрегатов и прочего. Про это расскажем уже в следующей статейке.

Подведем итог. Ключевая наша ошибка – это мысль о том, что небольшие ракеты на ЖРД можно считать, как большие. То есть с тем же подходом – есть определенная высота полета, которую надо достичь, и уже отталкиваясь от нее проектируется ракета с МИНИМАЛЬНОЙ МАССОЙ. Это в корне не верно. При разработке изделий подобного рода необходимо идти от двигательной установки, от ее возможностей и ресурсов. То есть, изначально задается определённая высота полета ракеты, к примеру – 3000 метров. Задается тяговооруженность от 4 до 6. Почему такая большая? Все дело в том, что при отработке двигательной установки вы сначала достигните, в лучшем случае, половину от той тяги, которую планировали (я сейчас говорю о окологаражной разработке коей мы и являлись). Плюсом к этому являются готовые покупные изделия. К примеру, если ваш двигатель достаточно силен, то вы можете не задумываясь ставить как бак наддува, так и большой, тяжелый, ПОКУПНОЙ редуктор, который сократит вам время разработки и ваши деньги. Так можно говорить о всех дополнительных агрегатах и системах.

На тот момент мы сделали по-другому (не забываем, что мы были студентиками 1ого курса), наш путь был другим, полным ошибок и «приключений». Что ж, тем хорош был этот путь. Обещаем, что не заставим долго ждать следующую часть)

Автор не претендует на исключительную правильность своего опыта, просто делимся своими наработками. Надеемся было хоть капельку интересно)