Изстрелване на ракета "Ариес-2"

                         ИЗСЛЕДОВАТЕЛСКА  РАКЕТА „АРИЕС-2”

  

Христофор Скандалиев¹, Калин Крумов^1,2,

Димитър Моралийски¹, Томислав Скандалиев³

¹Клуб за Аеро Космически Технологии „Зодиак” - гр.Кюстендил

²ХимикоТехнологичен и Металургичен Университет - гр.София

³Школа по ракетомоделизъм при ОДК, Кюстендил

e-mail:  zodiac.program@gmail.com

  

Ключови думи: Експериментални ракети, космически технологии,

 мониторинг на околната среда

               Резюме:  Същността на проект „Ариес-2” е създаване и изстрелване на действаща експериментална ракета с научно-изследователска мисия от работен екип, включваш членове  на няколко ракетомоделни клубове и учебни заведения.

 В конкретния случай е проектирана любителска изследователска ракета, в която е заложен за изпълнение пакет от задачи, свързани с наблюдение на околната среда и усъвършенстване на бордовите системи за задвижване и контрол.

 Изпълнението на проекта е част от Любителската космическа програма „Зодиак”.

            Цели на проекта:

 1. Да се проектира и конструира експериментална ракета, която да  полети на височина 2000 метра, след което да се приземи безопасно посредством парашутна система.

 2. Да се тества нова електронна апаратура за измерване параметрите на полета, управление на парашутната система, GPS проследяване и запис на данни за състоянието на атмосферата.

 3. Да се направи видео заснемане от бордовата камера на зоната около площадката за изстрелване (бившото селскостопанско летище край гр.Кюстендил).

 4. Да се проследи траекторията на полета и снижението и да се отчетат посоката и силата на вятъра в местността.

 5. Да се анализира получената от полета информация, с цел използването и за обучение, технологично развитие и усъвършенстване.

            Финансиране и материално-техническо осигуряване:

 Проектът се осъществява с използване на широко достъпни материали и апаратура, придобити по повод предишни подобни разработки. Консумативите и инструментите са осигурени от спонсори, съмишленици и лични средства на участващите в екипа.

            Конструкция на ракетния модел и двигателя:

 Пресмятанията, подбора на материалите и симулациите на полета са извършени с помощта на  софтуерни програми като SRM, AEROLAB, LAUNCH, SPACECAD, PROPEP, споделяни свободно в Интернет от различни аматьорски организации .

 На фиг.1 е показан чертеж на ракетата с габаритните размери и местоположението на центъра на въдушно налягане (ЦН), направен с програма AEROLAB.

Фиг.1 Ракета „Ариес-2”, размери в мм.

 Елементи на конструкцията, подбрани и изчислени, според целите на работното задание:

 1.Корпус – многослойни хартиени тръби с диаметър, съответно 85мм и 88мм.

 2.Стабилизатори – шперплат с дебелина 4мм, подсилен със стъклоплат.

 3.Носов обтекател – стругован от масивна липова дървесина.

 4. Двигател – стъклоплатов корпус с предвиден обем за  димен трасер. Карамелно гориво на   базата на калиев нитрат и Изомалт.

 5. Бордови компютри – основен G-Wiz HCX-50, спомагателен, с цел тест Stratologger  SL100.

 6. GPS тракери – Atrack AT5 и Teltonica FM1100.

 7. Бордова видео камера – модел CK808.

 8. Парашут – копринен парашут с диаметър 1,8m и площ 2,55m², носещи въжета 8бр.

 9. Система за окачване и свързване на елементите при парашутиране, изпълнена с колани за специални натоварвания със сечение 28/3mm.

10. Направляващи ролки – струговани от стомана.

11. Други детайли от вътрешната архитектура на ракетата - направени от дърво и шперплат.

 Общи параметри на модела:

 Дължина  1900мм.

 Диаметър  88/85мм.

 Разпереност на стабилизаторите  258мм.

 Товарен отсек за бордовите прибори с дължина 350мм и диаметър 70мм.

 Стартова маса 10,5кг.

 Характеристики на двигателя:

 Изчислението на двигателя става с програмата Solid Rocket Motor Design на R.Nakka. Използваното твърдо ракетно гориво е карамелно, състоящо се от следните компоненти:

  58% калиев нитрат – основен окислител

    7% натриев нитрат - коокислител

  30% изомалт – основен горивен елемент и свързващо вещество

    2% прахообразен магнезий – висококалорично гориво и стабилизатор на горенето

    3% пропилен гликол - пластификатор

   +0,1% двужелезен триокис – катализатор

 Горивният заряд е пресметнат и изпълнен като моноблок, скрепен с корпуса на двигателя и горящ по вътрешния канал и допълнително направени звездообразно разположени канали в част от дължината му. Тази конфигурация на горящите повърхности предопределя регресивен профил на тягата с максимум при старта.

 Запалителен състав – пресована смес от тефлон 40% + магнезий 60%.

Фиг.2 Теоретично пресметнати параметри на двигателя.

 Изчисленият двигател е с пълен импулс от 2371N.s и време на работа 2,93s. Максималната тяга, създавана от него е 1005N, а средната 810N. Според международната класификация двигателят се определя като клас K-810.

 Софтуерна симулация на полета:

 Посредством програма LAUNCH е направена симулация на полета при така получените параметри за конструкцията на ракетата, нейната маса и характеристиките на двигателя.

Фиг.3 Предвиждания  за параметрите на полета от програмата LAUNCH.

            Изстрелване и полет:

За запуска е издадено разрешително от Главна дирекция Гражданска Въздухоплавателна Администрация с №35-00-1 от 19.02.2014 и съответно е въведено ограничение за преминаване на въздухоплавателни средства в зоната около старта с NOTAM №А0145/2014 за времето от 12,00ч до 13,00ч на 23.02.2014г.

Изстрелването на ракета „Ариес-2” е проведено на 23.02.2014г, неделя в 12,00ч. от площадката на бившето селскостопанско летище край гр.Кюстендил.

 Сн.1 Подготовка на ракетата за старт.

Метеорологичната обстановка е с променлив характер – облачно с временни разкъсвания, вятър на пориви с преобладаваща северозападна посока, температура на въздуха 16°С.

Сн.2 Момент от излитането.

След уверен старт,  полетът преминава по балистична траектория и на височина от 1300м се задейства спасителната система на модела. При отварянето на парашута на висока скорост, част от корпуса на ракетата се откъсва и изпълнява свободно падане в посока различна от предварително предвидената – на близо километър северозападно от стартовата позиция.

 След локализиране на падналата секция чрез GPS тракерът, монтиран в нея, се установяват повреди само по картонения корпус и никакви проблеми по апаратурата.

  Сн.3,4 Части от откъсналия се корпусен сегмент.

 Другата част от модела се приземява с парашута в югоизточна посока, носена от силния на моменти, северозападен вятър.

След приключване на полета, бързо са издирени и прибрани всички елементи на ракетата, благодарение на GPS системата. Цялата бордова електроника и видеокамерата са в добро състояние и са били записани стойностите на заложените в заданието параметри.

Записите са подложени на разчитане и подробен анализ в съответните софтуерни програми.

            Анализ на получените резултати:

 - Достигната е височина от 1409м, което е по-ниско от зададената стойност от 2000м.

 - Скоростта на снижение не е отчетена коректно, поради разделното приземяване на секции от ракетата в различни посоки.

 -  Максималната скорост е била 220м/с, а максималното ускорение 16,6G.

Фиг.4 Обобщена информация за полета, рапортувана от бордовия компютър G-Wiz HCX-50.

-  Режимът на работа на ракетния двигател може да се види от графиката на ускорението през първите секунди от полета, където ясно е очертан регресивният характер на горенето, зададен при проектирането на горивния заряд.

Фиг.5 Ускорение в първите секунди, по време на моторния полет на модела.

 Графиката показва известно закъснение от 0,3s при достигане на максималната тяга, търсена по задание при старта, както и пик, който се дължи на удължената работа на запалителния състав. Тези две събития при запалването се обясняват с недобро оразмеряване на запалката на двигателя и направената промяна в основния горивен състав, в който е променено съотношението на компонентите с проучвателна цел.

За сравнение, на Фиг.6 е показана графика от работата на същия двигател в ракета „Осогово” с друг вариант на горивото, където посочените аномалии в запалването липсват.

 Фиг.6 Работа на двигателя в ракета „Осогово”.

При набиране на височина от 1250м ракетата попада в нестабилна въздушна маса, която става причина за задействане на парашутната система чрез пиро-изход 1, което е видно от графиката време-височина в интервала 20-25 секунда от полета:

Фиг.7 Графична извадка от зависимостта време-скорост за интервала 20-25 секунда.

Последователно се задействат и дублиращите пиро-изходи за изхвърлящия заряд на парашута, който се изважда при  много висока невертикална компонента на скоростта и заради получилия се динамичен удар част от корпуса на ракетата се откъсва в свободно падане с посока, различна от първоначално зададената.

Тази последователност от събития обуславя причините за недостигане на желаната полетна височина, включена като една от целите на проекта.

 GPS тракерите са така разположени в тялото на модела, че след принудителното разделяне на корпуса се намират в двете секции, приземяващи се разделно. Посредством интернет системата за следене спускаемите части на „Ариес-2” са локализирани веднага.

 Бордовият видеозапис е с незадоволително качество, предвид мрачното време и навлизането на ракетата в облаците. При набиране на височина са запечатани кадри от площадката за излитане и на тях се забелязват голи от растителност петна, за които се предполага още от предишни заснемания, че са следствие от някакъв вид почвено замърсяване.

 

Сн.5 Кадър от бордовия видеозапис, показващ почвените петна в местността около летището.

 В електрониката на „Ариес-2” е подложен на тест нов вид бордови компютър, модел Stratologger SL100 на американската фирма Perfectflight, който записва данни за височина, скорост, температура и стойност на бордовото ел. захранване, паралелно с основния.

 Отчетените стойности от основния и дублиращия бордови компютри са близки и показват, че може да се разчита на тествания модел Stratologger SL100 за самостоятелно управление и записи при следващи полети.

 От всички налични данни за траекторията на движение и снижение при парашутиране на „Ариес-2” могат да се направят пресмятания и заключения за посоката и силата на преобладаващите ветрове в деня на експеримента.

 Основната посока на вятъра е от северозапад с пориви на моменти, достигащи до 20м/с, особено изразени с увеличаване на височината над 1000м над стартовата точка, или над 1540м

надморска височина.

 При проведения експериментален полет е установено много надеждно разположение и обезопасяване на електронната измервателна апаратура на борда, която е запазена от повреди, въпреки възникналата нещатна ситуация и промяна в траекторията, предизвикана от нестабилната атмосфера и поривите на вятъра.

            Заключение:

 Проект „Ариес-2” е осъществен с минимални финансови и материални разходи. Използвани са безопасни технологии, материали и горива. Направени са изследвания и експерименти, свързани с изучаване и прилагане на нови технологии и апарати, както и с мониторинг и опазване на околната среда.

 Работата на екипа се характеризира с ползотворно сътрудничество между представители на учебни заведения и клубове по интереси.

 Утвърдена е добрата практика за стабилна комуникация с контролните органи и институции.

           Благодарности:

 Екипът изказва своите благодарности на всички членове от КАКТ “Зодиак”, Школата по ракетомоделизъм при ОДК, гр.Кюстендил, Народно читалище “Зора-Кюстендил, фирмите “Локатор”, София и „КТС”, Стара Загора, както и на своите симпатизанти за участието и помощта при реализирането на настоящия изследователски проект!

Клуб за Аерокосмически Технологии „Зодиак”

2014г.