«Мечтаю запустить ракету на 100 км». Сергей Пипко — об увлечении ракетами, разработке двигателя с нуля и экспериментальных запусках в поле под Киевом
Сергей Пипко — старший научный сотрудник химического факультета КНУ им. Шевченко. Он уже более 40 лет собирает и запускает любительские ракеты и с 2018 года возглавляет NAURocket — студенческое конструкторское бюро экспериментального ракетостроения.
В интервью для DOU Сергей рассказал, как он в домашней мастерской конструирует ракетные двигатели, на какую высоту запускает ракеты и каким может быть практическое применение любительских моделей.
Сергей (по центру) со студентами
Как конструировал свои первые ракеты
Проектированием ракет я заинтересовался в
В школе и вузе я перечитал много книг по ракетам, двигателям, топливам — и сразу же старался воплотить теорию на практике. Труднее всего было с проектированием: сначала нужно рассчитать по формулам, какой хочешь собрать двигатель, с какой тягой. И результат испытаний уже готового изделия должен соответствовать этим расчетам.
К примеру, ставлю себе цель: собрать двигатель на 5 кг тяги. Для этого у него должны быть определенные уровень давления и диаметр сечения сопла, через которое выходят газы. Чтобы рассчитать эти параметры, надо знать характеристики топлива, скорость его горения, плотность и так далее. На основании всего этого и происходит проектирование будущего двигателя: какую он покажет тягу и сколько времени будет работать. А от этих параметров, в свою очередь, зависит скорость движения ракеты и высота, на которую она поднимется.
Казалось бы, я все делал строго по формулам из книг, но показатели двигателей, которые собирал, не соответствовали расчетным параметрам. В то время спросить совет было не у кого: никто из моего окружения ракетами не интересовался.
Сдвинуться с мертвой точки удалось в конце
Я начал читать ракетные сайты и форумы, в основном американские. Там было много информации о проектировании и разработке двигателей и, самое главное, практические советы, как надо делать, а как — нет. По этим материалам освоил специальные компьютерные программы для расчетов. А затем спроектировал и собрал свой первый двигатель, что при испытании показал именно те результаты, которых я ожидал.
В качестве топлива использовал так называемое карамельное — смесь расплавленного сахара или сорбита с селитрой. Это самый популярный тип твердого топлива для начинающих. Корпус ракеты представлял собой стальную трубу диаметром 38 мм и длиной 40 см, к нему крепились стальное сопло и заглушка.
Затем я собрал экспериментальный стенд, который измеряет тягу двигателя. Там запустил двигатель, дал ему прогореть и получил профиль тяги: график зависимости тяги от времени. Так убедился, что все параметры совпадают с расчетными по проекту. С этого момента я и считаю, что научился конструировать ракетные двигатели.
После этого экспериментировал с другими видами твердого топлива на основе перхлората аммония, полимерной связки и алюминия. У них больше удельный импульс и, соответственно, эффективность.
Как пришла идея обучать студентов
В 2001 году нашел в интернете нескольких единомышленников из СНГ — буквально
Мы периодически вместе разрабатываем ракеты и выезжаем на запуски. Самая большая наша ракета, «Мрия», имела
Но у меня всегда была мечта обучать ракетостроению студенческую команду. Дело в том, что практически в каждом крупном университете в Европе, Индии, США, Бразилии и других развитых странах мира работают студенческие ракетные группы. Под руководством преподавателей ребята разрабатывают ракеты с нуля: делают расчеты, конструируют двигатель, изготавливают топливо, программируют электронику, проводят научные эксперименты на борту ракеты в полете.
Свои результаты они показывают на международных соревнованиях. Например, на Spaceport в США в прошлом году более 1000 студентов со всего мира запустили более 100 ракет. Мне бы очень хотелось, чтобы когда-нибудь в таких соревнованиях поучаствовали и украинцы.
Массовый интерес к ракетам возрос в феврале 2018 года, когда Илон Маск запустил в космос супертяжелую ракету Falcon Heavy и свой красный Tesla Roadster. Во всех барах Киева вместо футбола смотрели этот запуск. На этой волне ажиотажа я обратился в совет молодых ученых НАУ с предложением создать команду студентов и строить экспериментальные ракеты.
Сергей со студентами
Председатель совета Ксения Семенова-Шелевицкая помогла собрать энтузиастов из НАУ и других вузов, и мы организовали NAURocket — студенческое конструкторское бюро экспериментального ракетостроения. На первое организационное собрание пришло около 30 человек. Я разбил ребят на три команды, и каждая приступила к проектированию своей модели.
Методические материалы я структурировал и выложил на своем сайте. Там есть подробные инструкции, как сделать корпус, двигатель, топливо, блок электроники и парашютную систему для безопасного приземления ракеты. Все это студенты делают сами, а я присматриваю и помогаю.
Ребята запустили свои изделия в апреле
В общей сложности спроектировали 5 ракет. Были и успешные, и провальные пуски. К примеру, ракета Greenwich пережила три успешных полета и безопасно приземлилась. Ракета «Марс» — поднялась на 455 м, но разбилась.
Студенты за работойКак мы конструируем ракеты
Как я говорил, сначала студенты работали в трех группах, но постепенно часть людей отсеялась, сейчас осталась одна группа. Костяк — 6 человек, также некоторые присоединяются периодически. Кто-то, к примеру, помогает нам с программированием, но в конструировании самой ракеты не участвует.
Наша глобальная цель на будущее — построить суборбитальную ракету, которая долетит до официальной границы космоса, 100 км, но на орбиту не выйдет. В прошлом году студентам из США уже удалось сконструировать и запустить такой экземпляр. А значит, я не сомневаюсь, что получится и у нас.
Но для такой ракеты понадобится более серьезный двигатель, прочный и термостойкий корпус, который выдерживает нагрев до 150-200°С. А также радиопередатчик, который сможет передавать сигнал на большом расстоянии. Чтобы научиться работать с разными двигателями, материалами и электроникой, мы сконструировали ракету «42». Студенты назвали ее в честь ответа на главный вопрос вселенной из космической эпопеи «Автостопом по галактике».
Мы запускали «42» уже 4 раза, каждый раз экспериментируем с расчетами траектории и другими параметрами, добавляем что-то новое: усовершенствованную парашютную систему, более сложную электронику. До конца лета планируем впервые пустить эту ракету не на карамельном, а на промышленном топливе из перхлората аммония. Сначала попробуем поднять ее на 1 км, позже — на 3 км.
Ракета «42» с установленным новым двигателем
Первый шаг в разработке ракеты — определить ее задачу. Пока что наши задачи — поднять ракету на такую-то высоту, те же 2 или 3 км. В зависимости от этого рассчитываем диаметр ракеты. Чем меньше диаметр, тем меньше сопротивление воздуха, и ракета поднимется выше. Но, с другой стороны, тогда в нее поместится меньше электроники. Поэтому стараемся найти баланс.
Затем оцениваем массу будущей ракеты. Для этого нужно учесть массу корпуса, электроники, парашютной системы. На основании этого проектируем двигатель, который сможет поднять вес на заданную высоту. Получаем некую необходимую массу топлива и двигателя, добавляем к массе ракеты, а потом заново пересчитываем высоту полета. Если результат не дотягивает до желаемого, добавляем топливо и пересчитываем заново. И так несколько итераций, пока расчеты не сойдутся.
После этого приступаем к проектированию корпуса. Главная задача — сделать так, чтобы ракета летела строго вверх и не кувыркалась в воздухе. Для этого используют стабилизаторы. При проектировании нужно так рассчитать их размер, чтобы центр давления был ниже центра тяжести ракеты. Центр давления рассчитывает специальная программа, нам главное правильно ввести входные параметры: размеры ракеты и стабилизаторов.
Стабилизаторы тоже добавляют массу, и после этого нам нужно еще раз пересчитать общую массу ракеты и убедиться, что двигатель поднимет ее на нужную высоту. Если нет, придется внести в конструкцию какие-то изменения — например, добавить больше топлива.
Когда известна полная масса ракеты, можно вычислить размер парашюта: диаметр купола, который обеспечит нужную скорость спуска. Если ракета достаточно прочная, можно остановится на показателе 10 м/с. Если хлипкая — 5 м/с. Но чем медленней будет спуск, тем дальше ракету унесет ветер, поэтому скорость спуска нужно выбирать с учетом высоты полета и конструкции ракеты.
После этапа проектирования мы переходим к сборке корпуса. Некоторые его элементы мы сами печатаем на 3D-принтере в моей собственной мастерской: на одну ракету уходит
Что касается электроники, мы закупаем комплектующие:
- барометр (давление воздуха с высотой меняется, и на основании этих данных работает контроллер высоты);
- трехосевой акселерометр;
- трехосевой гироскоп;
- GPS-модуль;
- радиопередатчик;
- микроконтроллер и так далее.
Из этих комплектующих проектируем и собираем полетный контроллер. Он считывает данные со всех датчиков, а также вычисляет высоту полета и на ее основании определяет момент выброса парашюта. Также изготавливаем маяк, который раз в секунду в течение всего полета передает координаты ракеты.
После приземления разыскиваем ракету с помощью GPS-координат (иногда ее сносит на
График с результатами полета
В среднем на разработку одной ракеты у нас уходит полгода-год. Стоимость зависит от сложности проекта. К примеру, на первую сборку «42» потратили около 20 тыс. грн.
Как и где проходят испытания и запуски
В США — несколько десятков тысяч ракетолюбителей, и там действуют строгие законы, которые регулируют запуски студенческих ракет. Поднимать ракету можно только на специальных полигонах. Для этого нужно заранее подать заявку, в какой день и на какую высоту планируется полет. Если небесное пространство свободно, то дают разрешение на запуск, причем не на весь день, а на определенное время — например, с 9 до 15 часов.
У нас пока такого нет. Но я строго отношусь к технике безопасности, и мы сами соблюдаем правила по американским нормам. К примеру, не делаем управляемые ракеты — в тех же США их расценивают как оружие.
Сейчас запускаем ракеты на поле примерно 3*3 км, оно находится далеко за городом. Самолетов там нет, так что никому не мешаем. К тому же мы сами себя ограничиваем высотой до 1 км, чтобы ракета оставалась видна невооруженным глазом и мы могли за ней следить все
Полет ракеты
Для запуска на 3 км НАУ договорилось с военным полигоном под Черниговом. Нам назначат время, когда небо будет свободно от самолетов.
Перед запуском в небо мы проверяем наши двигатели на земле — на экспериментальном стенде. Он напоминает электронные весы. Там стоит тензодатчик, который преобразует усилие тяги двигателя в электронный сигнал. Затем электронная схема усиливает и измеряет этот сигнал. Показания 100 раз в секунду записываются в память контроллера. На основании этого мы строим график тяги и вычисляем все параметры двигателя: суммарный импульс, профиль тяги и прочее. Если они соответствуют расчетным параметрам, значит, проверка удалась и двигатель готов к полету.
Испытание двигателяКакие цели ставим на будущее
Кроме «42», сейчас разрабатываем еще две ракеты: Kyiv-1 и Cube.
Kyiv-1 — наш первый прототип высотной ракеты для полетов на высоту от 5 км. Она состоит из корпуса, в котором находится двигатель, и головного обтекателя со всей аппаратурой.
В прошлом году проект этой ракеты мы подали на конкурс «Громадський бюджет». Мы позиционировали разработку как ступеньку в развитии инженерных навыков студентов, которые в будущем смогут развивать космическую отрасль Украины. В результате удалось собрать 520 голосов киевлян и получить 180 тыс. грн из общественного бюджета Киева. Правда, реальная стоимость разработки в итоге будет примерно на 30% больше.
Мы уже сделали больше половины работы, на осень планируем первый полет. Запускать будем с разным количеством топлива: сначала на 1 км, потом на 3 км. После этого, если все пройдет успешно, попробуем запустить ее на 5 км — для этого ракете придется развить сверхзвуковую скорость, больше 1191 км/час.
Поэтому перед нами стоит вызов — разработать форму обтекателя, которая обеспечит минимальное аэродинамическое сопротивление, а также сделать корпус достаточно прочным и термостойким. К примеру, по нашим расчетам, на скорости 1,5 Маха (в 1,5 раза больше скорости звука) обтекатель будет нагреваться до 60°С — такую температуру пластик выдержит. Если же попробуем запустить эту ракету на 10 км, то её нужно будет разогнать до скорости 2,5 Маха. В таких условиях обычный пластик расплавится, а значит, нужно экспериментировать с другими материалами.
Практически готовая головная часть Kyiv-1 в сборе
Cube — ракета, которая будет способна поднимать в небо кубсаты. Это маленькие спутники Земли с объемом несколько литров и массой
С помощью нашей ракеты можно будет тестировать кубсаты на перегрузку, вибрации, невесомость и так далее. Для этого необязательно поднимать ракету в космос — достаточно высоты
Мы уже сейчас начинаем себя позиционировать как высокотехнологичная инженерная группа, которая может предложить услуги стартапам и компаниям. В Украине постепенно появляются стартапы, которые занимаются метеорологическими исследованиями, изучением ионосферы, спутниковой коммуникацией. Для исследований им может понадобиться одна из наших сегодняшних или будущих ракет — к примеру, чтобы поднять в воздух кубсаты, провести высотную аэрофотосъемку или изучение атмосферы. А значит, такие компании могут стать нашими коммерческими заказчиками.
К тому же наши ракетные двигатели можно использовать не только для запуска ракет. С их помощью можно сконструировать стартовые ускорители для беспилотных самолётов, разгонные блоки (rocket sled) для испытаний на перегрузки или для аэродинамических испытаний.
Первые потенциальные партнеры — компания Lunar Research Service. Ребята разрабатывают лунный трактор, который будет брать пробы лунного грунта и анализировать его на содержание воды. Мы уже получили от них запрос на испытание оборудования на борту Cube. Планируем достроить ее до конца года — тогда и можно будет обсуждать конкретные условия сотрудничества.
Кроме этого, рассчитываю, что у студентов бюро в будущем появятся идеи для своих стартапов в космической сфере. Именно так происходит в США: сначала ребята увлекаются ракетами в качестве хобби, потом строят ракеты в университетах, участвуют в конкурсах по ракетостроению, а затем выходят на рынок с собственными проектами. Это подогрело рынок и подготовило его к появлению таких гигантов, как SpaceX. Мне бы хотелось, чтобы нечто похожее повторилось и в Украине.
В качестве заключения: советы новичкам
Здесь хочу привести слова опытного ракетчика:
Лучше всего начинать овладевать каким-то ремеслом, добросовестно копируя известные, хорошо себя зарекомендовавшие системы. В ракетостроении это повторить (построить):
- хорошо себя показавший во многих повторениях мотор;
- бортовую электронику;
- парашютную систему спасения с простой и надежной пиротехникой;
- планер ракеты из доступных материалов и калибра, соответствующего мотору и всем остальным бортовым системам.
Такой здоровый консерватизм позволит быстро пройти «курс молодого бойца» и в недалеком будущем попытаться изменить что-то в лучшую сторону на каком-то из девайсов. Да и домашняя лаборатория за это время оснастится необходимым оборудованием и инструментами. Если начать с попытки изготовления чего-то выходящего за рамки возможностей, чтобы «прокукарекать», то это закончится быстрым угасанием интереса и потерей времени.
Повторюсь, главное — не пытаться сразу разработать нечто сложное, а начинать с самых простых моделей. Как я уже упоминал, на моем сайте есть пошаговые инструкции, по которым студенты конструировали свои первые ракеты — простейшие из возможных. Попробовать собрать модели такого уровня я и советую начинающим.
А ещё лучше — присоединяйтесь к нашему КБ. Мы принимаем не только студентов, а всех желающих, кому это интересно. Будем рады новым участникам!
