И снова здравствуй, Хабр!

Плавно продолжаем наш цикл статей про путь студенческого коллектива в создании ракеты на ЖРД.

Сегодня расскажем про наш первый практический опыт – испытания парашютной системы. Именно тогда мы поняли, что на самом деле теория и практика непомерно отличаются...

1 часть — Как не надо начинать

2 часть — Первые расчеты

3 часть – Документация?!?

Для тех, кто хочет посмотреть красивые кадры нашего эпоса – вот спойлеры

Итак, начнем по порядку. Система спасения – система, которая что-то спасает (логично) – в данном случае спасается ракета, ибо ее предназначение сугубо мирное, да и не хочется, чтобы данный аппарат упал кому-то на голову. В нашем случае – это парашют. Вообще систем спасения бывает много – начиная от разворачиваемого крыла (ракетоплан), заканчивая лентой и ротором. Парашют – сама простая из данных систем, да и самая понятная обывателю. Парашютная система представляет собой корпус системы, сам парашют, пыж, вышибной заряд, амортизатор,

У некоторых опытных людей может возникнуть вопрос, с каких пор парашютная система выглядит именно так? Логика подобной системы напрямую взята из ракетомодельного спорта. Там для выталкивания парашюта используются пороховые газы, которые поджигаются замедлителем. Кому интересно доступно почитать про это – вот книженция.

Картинка очень старая, так что не обессудьте (Да, АмОртизатор правильно, вы не ошиблись)

Итак, пройдемся по логике – имеется пиропатрон, который поджигается от системы управления/какой-то логики. Газы от сгорания расширяются и толкают пыж, который выступает в роли поршня. Пыж выталкивает парашют, всю обвязку и обтекатель. Парашют набирает воздух в себя, раскрывается. Для того, чтобы не порвать крепления и не разорвать парашют используется амортизатор. В общем то и все. На вид кажется просто, не так ли?))

Следующий этап – расчеты. По классическим формулам из учебника Лобанова 1965 г. была получена геометрия и предварительная массовая сводка парашюта. Эта работа была сопряжена с созданием головного обтекателя и парашютного отсека ракеты-носителя. Если советский вайб вам не нравится, то есть очень крутая метода Соболева (КанСат). Там выжимка про все-все. А если вы и это читать не намерены – есть крутое объяснение от «Братьев Вольт» (чемпионат «Реактивное движение» - если вы масленок, обязательно туда загляните):

Если надо быстро или прикидочно считать - то это топ

Да, для расчета парашюта нужна «сухая» масса ракеты. Про это уже в другой статье)

После расчетов наш коллектив стал задумываться о тестах нашей системы. Идея простая - надо для начала изготовить парашют и всю обвязку для него, а после сбросить его откуда-то, посмотреть на то, как он успешно раскроется - да и дело с концом. Но оказалось все не так просто (вау, невероятно).

Автор родом из небольшого городка в Липецкой области. Было выдвинуто предложение поехать небольшим коллективом в родные пенаты и провести испытания там на базе местной мастерской.

После непродолжительных обсуждений решение было принято и небольшой коллектив в составе двух человек (включая автора) собрался на недельный спидран. Немного забегая вперед, вся работа прошла за 12 дней при работе по 10-12 часов. Если грубо посчитать, то все тесты данной системы заняли около 200 человеко-часов. Данная характеристика довольно спорная, ибо конкретного времени конечно никто не считал, но таким образом можно количественно, хотя бы примерно, понять, что на самом деле изначальное предположение о простоте системы было ошибочно.

Август. По приезду был выстроен следующий план - пошить меньшую версию парашюта и посмотреть, работает ли он в принципе. Необходимо также было проверить методику испытаний самой системы. Чудом была найдена у соседей электрическая швейная машинка (хочу отметить, что первоначально рассматривался вариант механической версии, ибо электрической не было, но нам все-таки повезло). Заранее было куплено 2,5 кг рыжей парашютной ткани на Авито по достаточно демократичной цене. Поблизости был найден мост через велику-могучую реку Дон высотой около 20 метров, под которым находился небольшой остров.

Был пошит небольшой парашют, все было подготовлено к первым настоящим испытаниям нашего проекта. Один человек бросает - другой подбирает. Что же могло пойти не так?) Предлагаю читателю остановиться на этом моменте и предположить.

На счет три был произведен запуск, который, конечно же окончился полным провалом. По мимо того, что парашют запутался и не раскрылся, весь груз, состоящий из камней в ведре, вылетел и чуть не задел автора снизу. Смотря на все это через 4 года, понимаешь, что данная ситуация описывает практически все, над чем мы работали. К сожалению, нигде не написано, как испытывать систему спасения небольшой ракеты с моста и нам приходилось учиться на своих ошибках, благо хотя бы это мы научились делать.

Предвосхищу вопрос про массу груза – на время всех испытаний масса была эквивалента сухой массе ракеты, которую мы как раз посчитали ранее. Идем далее.

Следующие испытания с небольшим парашютом показали, что масштабирование слабо работает – ибо парашют не раскрывается. Забегая наперед – это было поспешное решение. Нам не терпелось сделать все быстрее. Так что мы приступили к пошиву полноценной версии нашей системы.

Пошив парашюта – дело не из простых, особенно в руках людей, которые в первый раз в жизни сели за швейную машинку. Исходя из расчета площади парашюта в онлайн-калькуляторе была получена развертка полусферы из n-нного количества сегментов. Их было 13. Предвосхищая вопрос: «Почему число нечетное?», отвечаю – так получилось, что размер купленного полотна парашютной ткани ограничен. Исходя из этого ограничения получилось такое некрасивое количество сегментов.

По координатам на миллиметровке был получен приблизительный контур сегмента парашюта, после чего он был перенесен на ткань и вырезан. Далее самое интересное – это сшивка сегментов. Был выбран какой-то профиль шитья на машинке, и работа пошла. В умных книжках было также подмечено, что длина строп составляет 1,5 диаметра парашюта. Честно – уже не вспомню откуда вообще это было взято, но забегая вперед отвечу – это очень и очень мало.

Первое полученное изделие – восторг, который не передать через текст. Но мы были рады тому, что наша система обретает контуры. Пришив стропы, купленные в строймаге и благополучно протестированные путем натяжения через безмен (для маслят – это такая штука, которой раньше на рынке измеряли вес вашего пакета с продуктами и не только, по сути – это обычный динамометр), мы вышли на улицу (благо погода в августе располагала) и начали смотреть, работает ли наше чудо инженерной мысли.

Попытки наполнить парашют не обвенчались успехом – скорости бега автора не хватало. Возникало много вопросов, которые предстояло решить. На том же мосту было проведено еще несколько тестов, которые показали, что парашют не работает от слова совсем.

Внеся несколько изменений, при очередной попытке пробежки появился порыв ветра, который помог обнаружить ряд ошибок.

Думаю, читатель может заметить – что сделанный нами парашют похож скорее на хурму, чем на изделие ракетно-космической техники. Было обнаружено, что лекало для вырезания деталей купола не правильное (он оказался слишком вытянутым, что сильно замедляло его наполнение). Нужно было уменьшить длину лекала и пересмотреть размеры полюсного отверстия, сохранив общую форму и ширину. Помимо этого, стропы постоянно запутывались.

Было спроектировано устройство, которое отчасти смогло решить проблему запутывания – кондуктор, в который поочередно вставлялись стропы. При одинаковом натяжении и грамотной настройке данное устройство помогало быстро распутать парашют, ибо для этого было необходимо только прокрутить систему строп по или против часовой стрелки. Вещь, которая крайне рекомендуется к созданию, она вас избавит от множества проблем.

Помимо этого, развёрнутый парашют было неудобно брать в руки и складывать. Нужно было пришить к полюсному отверстию трос-крепление. Решение не настолько сложное, но о нем вам никто не расскажет – приходится особенности подобного рода выяснять на практике, так что пренебрегать ей крайне опасно, в этом мы по ходу проекта еще не раз убедимся.

Далее, при испытаниях с моста крайне сильно ощущалась нехватка высоты для раскрытия системы, так что в качестве альтернативы было предложено испытать парашют, сбросив его со скалы. Да, звучит дико, согласен. К сожалению, географически в Липецкой области нет высоких отвесных скал, но есть их ближайший аналог - «Воргольские скалы». Именно там, с зиплайна, при помощи хитрой тросовой системы мы провели около 4х пусков системы. К сожалению, ввиду несовершенности парашюта, они мало что показали. Добавление 10 метров к высоте сброса так проблему и не решили.

Подвешенный парашют на зиплайне. Кажется что высоко, но это не так)

Было принято кардинальное решение – сделать новый парашют исходя из полученных данных. Новый парашют был немного ушит для того, чтобы сделать купол более каноничным. Крепление строп было доработано, стропы заменены на более длинные и прочные, тросовая система была переработана. По итогу – успех. Бросковые испытания с моста продемонстрировали, что парашют может раскрываться даже при сбросе с небольшой высоты. Ремарка для маслят – если вы положите парашют в расправленном виде на плоскую поверхность, и резко дерните его, то он должен сразу наполнится. Если же даже намека на это не происходит, то с парашютом явно что-то не так. Данный способ работает не для всех парашютов и скорее всего у него есть определенный предел по площади, но я думаю для большинства случаев эта методика сразу вам покажет, что у вас не так. И не надо ничего бросать с крыши и моста)

Почти раскрытый парашют при сбросе с моста

Пояснение – форма купола при работе парашюта отличается в теории и на практике. Такова уж жизнь. Именно для этого необходимо немного «приплюснуть» парашют при изготовлении. Второе – чем длиннее стропы, тем проще будет вашему парашюту наполнится, НО, таким образом им легче запутаться, так что надо не перебарщивать)

А наш путь все еще не завершился. Следующим этапом было определение Сх парашюта. Мы это делали с помощью цифрового динамометра и круиз-контроля на автомобиле. Скажу честно – испытания подобного рода требуют серьезной подготовки и проработки. Наши попытки, конечно, что-то засняли, но к серьезным валидным результатам это отнести рука не поднимается. По крайней мере, на тот момент времени мы пытались, пробовали и набирались опыта. Так или иначе – результат серии подобных экспериментов – Сх равный 1,38. Значение похоже на правду, которое впоследствии будет уточнено.

Да, все прикреплено к швабре, не осуждайте нас)

Итак – финал нашего эпоса. Комплексные испытания показали отличные результаты, и система спасения была допущена в финальный комплексным бросковым испытаниям. Нужно было сбросить аппарат с высоты, он должен сам активировать заряд, раскрыть парашют и мягко сесть. Отдельной проблемой было найти такую высоту (требовалось минимум 35 метров, было достаточно хотя бы 70 метров). Обсуждались идеи большой рогатки, мортиры, воздушного шара, полёта на АН-2 или на паралёте. Неожиданно легко получилось договориться о полёте на паралёте (от принятия решения до полёта прошло 4 часа). В быстром темпе аппарат был собран, проведена серия проверок, и команда из 4 человек поехала на старт. Был осуществлён сброс 23 августа в 19:00, с высоты 453 метра над местностью и горизонтальной скоростью 10 м/с. Первые 2 секунды аппарат падал свободно, потом штатно сработал вышибной заряд. Вытяжка, раскрытие и наполнение заняли ещё 3 секунды. После чего, вся система опускалась со скоростью 3,2 м/с (при теоретической 3,4) в течении 153 секунд.

Шакальное качество (снято с паралета) Маленькие квадратики - это автомобили.

Нашему счастью просто не было предела. Вы просто представьте – усталые, горящие идеей студенты, которые САМИ провели итеративную отработку изделия, его запустили, и оно сработало! Это был первый и самый незабываемый эпос нашего коллектива. Мы это сделали!

Если вы по какой-то причине пропустили видео – спойлер в начале, самое время его глянуть. Помимо разработки парашюта была проведена огромная работа по определению необходимой зависимости массы вышибного заряда от массы выталкиваемой парашютной системы, также в данной статье не рассматривается эпос автора с электроникой, которая сопутствовала открытию данной системы, об этом планируется отдельная серия статей.

Примерно так начался наш практический путь. В дальнейшем данная система показала себя как одна из самых надежных ввиду своей простоты. Система штатно отработала практически на всех пусках)

В дальнейшем было произведено несколько модернизаций системы:

Нормальный парашют точно будет работать при небольшой пробежке.

1. Один из сегментов парашюта был покрашен в другой цвет для того, чтобы визуально наблюдать за вращением аппарата при падении. Очень полезная штука, как оказывается)

2. Стропы и сам парашют пропитывались в огнеупорной жидкости;

3. Система защищалась от вышибных газов кожухом из фторопласта;

4. Стропы дополнительно обрабатывались тальком для предотвращения от слипания;

5. Были выбраны более прочные стропы;

6. Кондуктор был изготовлен из металла для повышения удельной прочности (именно он чаще всего был самым уязвимым местом);

7. В случае неисправности на старте всегда было резервирование системы (дополнительный парашют со всей обвязкой);

8. Крепление системы к ракете было переработано под карабин;

9. Парашютная ткань покупалась с запасом, чтобы всегда было из чего сделать новое изделие).

Через создание парашютной системы прошло много студентов, кто был за него ответственным. Мы старались каждый раз сделать что-то лучше. Хочется отметить одно – при смене человека, который шил изделие, мы каждый раз мы сталкивались с проблемой «хурмы». Так что, если у вас получилось так же – это нормально.

Хочется поблагодарить всех тех, кто создавал и был причастен к созданию этой системы. Кто шил, размышлял, бегал, кто помог нам в тот невероятный август. Особенная благодарность родителям автора и тренеру по стендовому моделизму.

Подведем итог для маслят:

Если вам нужен парашют – прекрасно, но НЕ СЧИТАЙТЕ ЕГО ПРОСТОЙ СИСТЕМОЙ. Подойдите к решению с умом, изучите тему, прочитайте хоть что-то из вышеупомянутой литературы. Если ваша ракета массой до 500 грамм – то не надо его делать из ткани, достаточно будет использовать поэтилен или лавсан (23 мкм). Если же больше, то для начала все подготовьте, хотя бы в голове поймите, что и по каким шагам вы хотите сделать это. Постепенно изготовьте первую версию. Скорее всего с первого раза будет все комом – не беда. Проанализируйте ошибки и попробуйте еще раз, в этом и есть суть инженерии. Для теста попробуйте найти безопасную место, даже в рифму получилось. Пытайтесь не спеша анализировать то, что сделали или когда получили какой-либо результат. Поспешные решения – одна из ключевых проблем нашего проекта)

Так что дерзайте, у вас обязательно все получится!

«Как не надо проектировать ракеты» или путь разработки ракеты на ЖРД. Часть 4 — Как не сделать парашют