КБ ОВОРС 

 Для удобства описания ракетной программы отдельно взятой обычной российской семьи желательно договориться о некоторой системе терминологии и сокращений. Пусть программа так и называется РП ОВОРС. И, соответственно, конструкторское бюро, в задачи которого входит конструирование и, по совместительству, эксплуатация ракет и наземного оборудования будет называться КБ ОВОРС.

Известную и широко применяемую поисковую систему в интернете будем называть Гу... - Гуру.

КБ ОВОРС было образовано поздней осенью 2014-го года, когда на дворе была грусть по причине неудовлетворительных погодных условий.

Многочисленные вопросы к Гуру привели к пониманию возможности построения несложных бумажных моделей ракет, которые будут летать. Очень быстро в КБ было принято решение использовать реактивные двигатели фабричного производства по причине их надежности, безопасности и устойчивых повторяющихся характеристик. Гуру подсказал где можно приобрести такие двигатели российского производства. Производство двигателей на дому требует места, работы с химикатами, не совсем безопасно, характеристики получаемых двигателей неустойчивы и их необходимо выявлять в двигательных испытаниях. Кроме двигателя, все остальные компоненты ракеты - самодельные, изготавливаются в КБ.

Из всех доступных вариантов программ для проектирования была выбрана opensource программа OpenRocket (ссылка выше).

Доступный набор твердотопливных одноразовых двигателей РД1, характеристики которых повторяют характеристики ракетомодельных двигателей СССР, содержит достаточный набор вариантов. Таблица наиболее используемых в КБ ОВОРС представлена внизу страницы. Кроме этого, сейчас доступны более мощные варианты на 100Н и на 300Н (!!!).

Главная цель и выполняемые задачи КБ ОВОРС были обозначены сразу и до сих пор не поменялись. Основной очевидной целью является конструирование и запуск ракет. При этом требуется следовать определнным соглашениям и задачам: не принимать участие в каких-либо профессиональных спортивных состязаниях, запускать ракеты только для развлечения/удовольствия, минимизировать высоту полета для повышения безопасности для окружения и возможностей визуального наблюдения всех этапов полета (для красоты полета, в общем), наращивать функциональность ракет, в том числе, бесполезную - для красоты. Речь идет о "пилотируемых" полетах с космонавтами (живые организмы не используются, летают модельки или игрушечные фигурки), разнообразных дополнениях и отделяемых аппаратах, всевозможных сенсорах/датчиках, видео и фото приборах, моделей-копий настоящих ракет и пр. Вся деятельность КБ ОВОРС полностью описывается термином "семейное хобби", в котором в том или ином объеме принимают участие все члены ОВОРС.

 На схеме ниже представлена базовая летающая модель ракеты и стандартная схема ее полета (в правой части рисунка). По очевидным причинам (например, ракета КБ ОВОРС не выходит за пределы земной атмосферы, не бывает в открытом космическом пространстве, и не прорывается сквозь атмосферу к поверхности на скоростях многократно превосходящих скорость звука) отдельные элементы ракеты можно называть немного иначе нежели в реальной космонавтике.

 flight

Отметим некоторые особенности моделей ракет, в том числе те, которые отличны от реальной космонавтики. 

Почти все элементы ракеты многоразовые (кроме двигателя) и, соотвественно, безопасно возвращаемые на землю. Именно поэтому полезной нагрузкой можно назвать всю верхнюю часть ракеты вместе с обтекателем. Будем считать, что ракета состоит из двух основных частей - Ракета-носитель (РН) и Полезная нагрузка (ПН). Ракета-носитель состоит, в общем случае, из цилиндрической трубы, стабилизаторов в нижней ее части и двигательного отсека в нижнем торце трубы. Полезная нагрузка может состоять из одного лишь обтекателя; или обтекателя с БРЭО (бортовое радиоэлектронное оборудование), которое находится в приборном отсеке (ПО). В полезную нагрузку, также, может входить обитаемый отсек (ОО) к космонавтом(ами) на борту и прочие элементы, которые планируются в КБ для запусков. Любая запускаемая на ракете конструкция (разделяемая потом или нет) - это полезная нагрузка запуска. Схема выше базовая и может быть более простой или сложной в каждом конкретном случае.

 Что касается теории и практики ракетомоделизма (западный термин rocketry), то у Гуру очень много информации на этот счет и представляется малопродуктивным выносить эту информацию на данном сайте подробно. Это отдельная большая и интересная тема. У Гуру много прекрасно структурированной информации и по теории полетов ракет, и по управлению ракетами, и по конструированию ракет, по практике запусков, о соревнованиях и различных организациях и федерациях ракетомодельного спорта. Книги, которые выпускались в СССР и других странах в прошлом веке, посвященные теории построения моделей ракет, ни в коей мере не устарели в части теории - и для сильно желающих содержат десятки формул, включающих и дифференцирование и интегрирование, если угодно. У Гуру есть большое количество информации непосредственно по изготовлению моделей ракет. Доступны чертежи самых разных ракет, в том числе, копии почти всех известных ракет как гражданского так и военного сектора.

В настоящее время промышленно выпускаются и стоят относительно недорого малогабаритные электронные компоненты, подходящие для установки в ракету с целью регистрации параметров полета и управления элементами ракеты. Речь идет о всевозможных акселерометрах, высотомерах, гироскопах и пр. и пр.

В КБ ОВОРС было принято решение в качестве БРЭО использовать конструкции на базе платформы Arduino просто потому, что платформа уже была изучена в различных применениях к моменту образования КБ. Платформа не очень эффективна с точки зрения веса, размеров и энергопотребления, но в КБ работают на интерес. Спроектировать, испытать и ввести в постоянную эсплуатацию работающее устройство самостоятельно более занятно, чем приобрести готовый прибор. Но, безусловно, на рынке ракетомоделизма присутствуют прекрасные легкие, малогабаритные, надежные электронные устройства для ракет. В КБ ОВОРС их использование избегают. И уж тем более очевидно, что не составляет никакого труда купить готовый набор для запуска, включающий в себя все необходимое вместе с многоразовой ракетой. На рынке представлены десятки моделей нескольких крупных мировых производителей, включая красивые модели-копии известных советских и западных ракет.

В КБ ОВОРС было принято решение о поступательном развитии ракетной программы. Это подразумевает самостоятельное поектирование и изготовление ракет, не по готовым чертежам. Это предполагает неспешное строительство ракет от самых простых ко все более сложным и интерсным. КБ ОВОРС существует как хобби, растянутое во времени.

Для удобства описания полетов и конструкций ракет необходимо вкратце обрисовать схему запуска, которая представлена на анимации выше.

В полете на ракету действуют различные силы, такие как сила тяжести, сила тяги двигателя, сила лобового сопротивления, сила ветра. Задача конструктора состоит в том, чтобы ракета сохраняла устойчивый полет на всей траектории, по-простому говоря, чтобы не кувыркалась, а летела прямо. Т.е. сначала вертикально вверх (в идеале), а потом вертикально вниз. В реальности такой полет не получается из-за того, что построенная ракета не идеальна в изготовлении и из-за воздействия ветра, который отклоняет ракету от прямой траектории. При этом ветер может быть порывистым  и разным на разной высоте (у земли и на высоте 100 метров могут различаться направление и скорость). Часто траектория полета напоминает параболу – ракету сносит ветром в одном направлении. При этом траектория снижения более пологая чем взлетная, поскольку ракета снижается с парашютом на скорости 5-6 м/с., а взлетает со скоростями 10-100м/с.

Верхняя точка траектории называется апогеем и в этой точке ракета достигает максимальной высоты полета.

Не вдаваясь более в детали, упомянем, что в КБ ОВОРС при проектировании ракет тщательно следят за достижением трех наиболее важных характеристик полета: устойчивость, апогей не более чем 100-150 метров, приземление на парашюте с вертикальной скоростью в районе 5-7м/с., что обеспечивает сохранность элементов ракеты. Более медленное снижение невыгодно из-за того, что ракету уносит ветром все дальше от места старта – труднее искать место приземления. Высокие полеты невыгодны из-за того, что наблюдать раскрытие парашюта тем интереснее, чем ниже это происходит. Опять же, более высокий полет приводит к повышению вероятности того, что ракета приземлится далеко от старта. Кроме того, законодательством запрещены запуски летательных аппаратов без соответствующего разрешения на высоты более 300 метров.

Программа для проектирования ракет помогает произвести достаточно точный расчет полета и убедиться в устойчивости конструкции. При проектировании ракеты необходимо взвешивать элементы конструкции и вводить данные в программу для более точного расчета. Программа умеет достаточно точно «прикидывать» массу элементов ракеты, исходя из материалов и формы, но уточнение реальной массы очень желательно.
Главным условием устойчивости ракеты в полете является то, что ее центр тяжести (ЦТ) должен быть обязательно выше (ближе к обтекателю) чем центр давления (ЦД). ЦД – это точка приложения равнодействующей всех сил. Подробно, понятно и с картинками объяснение физики полета можно узнать у Гуру.

В КБ ОВОРС проектируют ракеты так, чтобы расстояние от ЦТ до ЦД было не менее одного калибра (диаметра ракеты), а лучше 1,5 калибра и более – с запасом. На схемах ЦТ представлен синим кругом, а ЦД – красным.

Ракета в полете сохраняет устойчивость и не кувыркается благодаря аэродинамическим качествам конструкции – в первую очередь расположением ЦТ, ЦД и формой/площадью/количеством стабилизаторов. Очевидно, что стабилизаторы начинают эффективно работать при достижении некоторой скорости полета, аналогично крылу самолета. В покое и на малых скоростях, без обтекания ракеты воздухом с относительно высокой скоростью, не возникает достаточных сил на плоскостях для стабилизации полета. Ракета начинает вести себя стабильно и не отклоняется от прямолинейного полета, начиная со скоростей 9-10 м/с. Именно поэтому для старта ракеты применяется стартовый стол – направляющий стержень длинной 1 метр, который установлен на устойчивой площадке с металлической тарелкой для выхлопных газов. На корпусе ракеты имеются два кольца, которыми ракета одевается на стартовый стержень и до достижения скорости в 10м/с именно стержень гарантирует вертикальное движение вверх. Таким образом, получается, что ракета на высоте 1 метр при сходе со стартового стола должна набрать скорость не менее 10м/с.

Основными задачами конструктора, которые великолепно помогает решать соответствующее программное обеспечение являются:
1. Обеспечить положение ЦТ на 1-1,5-2 калибра выше ЦД;
2. Обеспечить скорость схода ракеты со стартового стола в 9-10 м/с;
3. Обеспечить высоту апогея в районе 100-200 метров;
4. Обеспечить скорость снижения в 5-6 м/с.

Необходимые параметры и их баланс при проектировании и сборке ракеты достигаются контролем массы элементов ракеты, их расположением; положением/формой/количеством стабилизаторов; площадью парашюта(ов).

Отдельно отметим, что, имея совсем небольшой опыт работы в соответствующей программе, – задача проектирования не является сложной. Это интересно. Не менее интересно собрать ракету так, как она была спроектирована. Обычно, процесс проектирования и сборки в КБ ОВОРС идет параллельно. От общего замысла к точной реализации.

Номера серий ракет присваиваются последовательно Р1, Р2, … и т.д. В одной серии может быть несколько версий/модификаций ракет. Например, Р3-1, Р3-2, Р3-3. Базовая ракета серии имеет один и тот же конструктив и расчет, но могут быть незначительные модификации обтекателя, приборного отсека, БРЭО и пр. Обычно, неизменной для всей серии остается ракета-носитель со стабилизаторами.

Весной 2017 пришлось принять решение об усложнении системы нумерации ракет, а именно: о раздельном обозначении для ракеты-носителя (РН)  и для полезной нагрузки (ПН). Потому что РН и ПН стали, вообще говоря, независимыми элементами при сборке и сочетания РН и ПН могут варьироваться. Этому способствует унификация диаметра корпуса ракет. Например, на одну и ту же ракету-носитель можно устанавливать различные версии ПН, или наоборот: одну и ту же полезную нагрузку можно "выводить" на различных РН. Говоря короче, имея на руках два варианта ракеты-носителя (Р5 и Р6) и два варианта полезной нагрузки можно произвести запуск четырех вариантов ракет: Р6П61, Р6П62, Р5П61, Р5П62. Если быть совсем точным, то у Р6 это первая версия (Р61), а у Р5 уже вторая (Р52) - с двумя амортизироющими стропами "корпус-обтекатель" вместо единственной стропы на Р51. Т.е. варианты компоновки можно было бы, например, обозначить как Р61П61, Р61П62, Р52П61, Р52П62.

Отдельного замечания заслуживает тот факт, что совершенно случайно (правда) в КБ ОВОРС подошли к началу работ по проектированию очередной серии Р7 именно в тот момент, когда опыт и навыки конструкторов позволяют задуматься о постройке модели-копии какой-либо настоящей ракеты. В КБ уверены, что 99% читающих эти строки, уже знают какой ракетой станет серия Р7. Для тех, кто сходу не оценил совпадение нумерации и замыслов КБ, предлагаем задать Гуру вопрос типа «Ракета-носитель Р-7»… 

Работы по проектированию и масштабному прототипированию Р7 в КБ ОВОРС начались еще до начала запусков Р6, несмотря на то, что на долю Р6 выпадает огромное количество испытательной работы по отработке новых элементов конструкции и электронного оборудования.


Р1 одноступенчатая ракета, без системы спасения. Высота ракеты 340-380мм., диаметр 22-28мм., стартовая масса 45г. (проект завершен).

Р2 одноступенчатая ракета, система спасения - парашют (вышибной). Высота ракеты 340-380мм., диаметр 22-28мм., стартовая масса 80-100г. (проект завершен).

Р3 одноступенчатая ракета, система спасения - парашют (вышибной). Высота ракеты 500-600мм., диаметр 33-35мм., стартовая масса 100-140г. (проект завершен).

Р4 одноступенчатая ракета, система спасения - парашют (вышибной). Высота ракеты 700-800мм., диаметр 40-45мм., стартовая масса 200-250г. (проект завершен).

Р5 одноступенчатая ракета, система спасения - парашют (вышибной). Высота ракеты 600-700мм., диаметр 50мм., стартовая масса 300-400г. (в эксплуатации).
               
               Р51 - с одной амортизирующей стропой "РН-ПН" (1 полет)
               Р52 - с двумя амортизирующими стропами "РН-ПН" (1 полет)
               Р53 - без аморт-стропы "РН-ПН", ПН и РН снижаются отдельно на двух парашютах (0 полетов)

Р6 одноступенчатая ракета, система спасения - 2 парашюта (вышибных). Высота ракеты 520-560мм., диаметр 50мм., стартовая масса 300-350г. (подготовлена к полетам).
             
               Р61 - базовая версия ракеты-носителя Р6 с одной стропой "РН-ПН", но с двумя парашютами (для РН и ПН)