Никогда не путайте вес и массу, особенно — в КСП!

Delta-v — это запас характеристической скорости. Проще говоря, максимальная скорость, которую наш корабль может развить, если сожжет все свое топливо в идеальных условиях. И, фактически, основной показатель того, как далеко мы сможем отправиться. Для выхода на орбиту Кербина в среднем нужен запас ≈ 3500 м/с.

Про эффективность и немного о потерях.

Эффективность — это способность решить задачу с минимальными затратами.

Чем легче и дешевле ракета — тем лучше.

В процессе взлета не вся наша тяга уходит на разгон. Часть идет на то, чтобы бороться с гравитацией Кербина, стремящегося вернуть нас обратно, а еще часть на преодоление сопротивления воздуха, особенно заметного на малых высотах. Это и есть то, что называется «гравитационные и аэродинамические потери».

Кто хочет глубже и забористее — да откроет «механику космического полета» Левантовского, главу 3 (пдф, 1.1мб), а нас интересует простое следствие. Есть некоторый диапазон тяговооруженности, оптимальный для взлета.

Тяговооруженность меньше — будет десять секунд полета, высота пять метров медленный взлёт и слишком много гравитационных потерь, больше — быстро упремся в повышенное воздушное сопротивление и тоже потеряем лишнего (мы же помним — с расходом топлива TWR еще больше растет):

 

Само значение будет зависеть от ракеты (а точнее, — её коэффициента аэродинамического сопротивления), но почти всегда окажется где-то в пределах 1.5—2.0.

Так что запомним эти 1.5—2.0, они нам пригодятся при проектировании ракеты.

Запустим игру!

Пара слов о баках и двигателях.

Как выбрать подходящий набор двигателей? На какие характеристики смотреть?

На самом деле, из всего многообразия параметров, нас интересуют три: Масса (Mass), тяга (Thrust) и удельный импульс (Engine Isp).

C массой всё просто. Чем меньше мы тащим с собой того, что не является топливом или полезной нагрузкой — тем лучше! 

 

Тяга — параметр важный, но, как известно, «не бывает слабой тяги, бывает мало двигателей». Куда больше нас интересует отношение тяги к массе и цене. И чем оно выше, тем лучше.

 

И не меньше важен удельный импульс (УИ). Это число секунд, которые двигатель проработает с тягой 1 ньютон на 1 килограмме топлива. То есть, чем выше этот показатель — тем экономичнее и эффективнее двигатель, тем дальше мы улетим на том же количестве топлива. 

А еще обратим внимание, что в КСП параметры каждого двигателя даны дважды — для давления в 1 атмосферу (ASL = at sea level) и для вакуума (Vac.). Импульс и тяга падают с ростом атмосферного давления. Иногда настолько резко, что очень эффективный двигатель становится абсолютно бесполезен (LV-909, например, имеет УИ 340 в вакууме и всего 85 — в плотной атмосфере).

 Почему так?

Тяга ракетного двигателя зависит всего от двух параметров: массы рабочего тела, выбрасываемого из сопла, и скорости, с которой это происходит. Скорость же зависит от разности давления внутри и снаружи сопла. Проще говоря, воздух снаружи мешает газовой струе выходить из сопла с максимально скоростью — и двигатель работает менее эффективно.

А на нашем Кербине уже после высоты в 25 км. двигатели начинают показывать характеристики, близкие к вакуумным.

На практике, конечно, мы никогда не сможем подобрать «идеальный» набор двигателей и баков, а просто будем выбирать лучшее из доступного и подходящего по размерам.

Схема вывода на орбиту и идеология трёх ступеней.

Основы ракетостроения.

Сверху-вниз

Строить ракету проще всего сверху-вниз.

Сперва полезная нагрузка, которая должна оказаться на орбите.

Затем, если нужно, обтекатель и, наконец — ступени, в обратном порядке: разгонная-взлётная-стартовая.

 

И помним, что чем тяжелее каждая ступень — тем больше топлива и мощнее двигатели потребуются всем следующим, а значит, снятые с разгонной ступени лишние несколько тонн позволят сэкономить десяток-другой на стартовой.

Обтекатели, нужны или нет?

Обтекатель нужен, если потери от аэродинамического сопротивления больше, чем от дополнительной массы.

Если ваша полезная нагрузка больше похожа на ежа-мутанта, замотанного скотчем — даже не думайте, сразу прячьте эту хрень под обтекатель, а то стыдно. А одинокая капсула с парашютом отлично будет чувствовать себя и без оболочки. И да, если уж обтекатель используется — делайте его длинным и острым, это максимально уменьшит сопротивление.

 

 

Чем менее аэродинамична наша полезная нагрузка, тем позже стоит сбрасывать обтекатель. Но уже выше ≈30 километров он в любом случае становится лишним грузом.

 

Продольная и параллельная компоновка. Несъедобная спаржа.

Поговорим о строении ракеты. Существуют два основных способа соединения ступеней — неправильный и армейский.

(I) Продольно — когда каждая ступень расположена за предыдущей. В реальности так, например, строится «Дельта IV» (та, которая НЕ heavy).

(II) Параллельно или пакетно — когда следующие (считаем сверху-вниз, помните?) ступени навешиваются сбоку, и в работу одновременно могут включаться все двигатели сразу нескольких ступеней. Примером может служить любая из огромного семейства «семёрок», хоть тот же Союз.

(1-2-3 — очередность отстрела ступеней)

У каждой компоновки есть свои плюсы и минусы:

Продольная:

+ ракета выходит «стройная», с очень низким аэродинамическим сопротивлением

+ разделение ступеней всегда происходит безопасно

+/- часто значительная разница между начальным и конечным TWR одной ступени.

- ракета часто получается высокой и гибкой, что осложняет управление

- компактные в сечении ступени требуют мощных двигателей

Пакетная:

+ ракета выходит компактная и достаточно устойчивая

+ гораздо больше вариантов сборки: пять степеней радиальной симметрии и любые сочетания двигателей к вашим услугам

+ можно одновременно использовать двигатели нескольких ступеней сразу

+ можно отделять баки ступени по частям, по мере расходования топлива.

- отделяемая ступень может повредить ракету. Возможно даже придется использовать миниатюрные твердотопливные ускорители-сепратроны, чтобы этого избежать.

- чем больше пакетных слоёв, тем хуже аэродинамические показатели ракеты, а значит придется сжечь больше топлива при взлёте.

На практике обе компоновки вполне успешно совмещаются в рамках одной ракеты (III), сглаживая плюсы и минусы друг друга.

Например, стартовая ступень — два твердотопливных бустера, пакетом собранных вокруг бака главной ступени. Сами по себе они сразу не смогут поднять ракету, но пока их топливо не прогорело до приемлемого TWR, параллельно работает двигатель главной ступени, создавая необходимую тягу и ускоряя облегчение ракеты.

После первого участка бустеры отделяются и остается ракета из двух ступеней продольной компоновки.

Иногда значительно повысить возможности ракеты можно просто руководствуясь принципом "ni ya bao, ya bao” — что не нужно, то не нужно. Опустел бак? Сбрасываем. С выработкой топлива и повышением TWR два из четырех двигателей стали не нужны? Отстреливаем без сожаления!

В этом нам помогут топливопроводы и две «улучшенные» версии пакетной компоновки: кроссфид и спаржа.

 

(как и на предыдущей картинке, 1-2-3-4 — очередность отстрела ступеней)

Кроссфид (I) — это пакетная схема с топливопроводами от боковых блоков к центральному. Несмотря на то, что на старте работают все двигатели, после отделения боковинок у нас остается полный центральный бак.

Спаржа (II) еще хитрее — это попарно отстреливаемые блоки, каждый из которых сливает топливо дальше к центру. Это позволяет избавляться от лишней массы маленькими порциями, сразу же, как появляется возможность.

Прирост дельты при переходе с обычной пакетной схемы на спаржу запросто может составить несколько сотен метров в секунду!

 

Тонкие моменты: управляемость и стабильность.

«а пачиму у миня рокета периворачиваиться???»

любой школьник в первые дни игры в КСП

Да потому, что у тебя руки кривые и из жеппы…

 

А действительно — почему?

Как правило, потому, что при расходе топлива центр массы сдвинулся и набегающий поток воздуха вместо того, чтобы стабилизировать ракету, начал её крутить.

Смотрите на рисунок:

Пока ракета летит прямо, у нее все относительно неплохо (1). Но стоит ей отклониться от курса, как тут же сила воздушного сопротивления приложится под углом и постарается повернуть ракету вокруг центра масс. Если центр масс в этот момент высоко — хорошо. Часть силы, действующая выше ЦМ окажутся меньше (площадь меньше, рычаг — короче) и ракета выровняется обратно (2). Так летит брошенный дротик с тяжелым наконечником.

Но двигатели сжигают топливо сверху-вниз и центр масс смещается. В какой-то момент силы, стабилизирующие ракету, становятся меньше сил, ее опрокидывающих. И случается почти мгновенный кувырок (3).

Как этого избежать?

Во-первых, рулите ракетой аккуратно. Чем меньше угол атаки (угол между вертикальной осью ракеты и вектором ее скорости), тем меньше сила, стремящаяся опрокинуть ракету, и тем с большей вероятностью с ней смогут справиться органы управления. Большинству аккуратных ракет хватает этого простого совета.

Во-вторых, добавьте маленькие крылышки-стабилизаторы на первую ступень. От этого вырастет аэродинамическое сопротивление, но именно эта сила сопротивления, приложенная в нужном месте (вспомните дротик) поможет нам удержать курс.

Если не помогает даже это, то убейте себя, вы неисправимы, остается третий способ — переливать топливо прямо в полете в верхний бак, для удержания ЦМ на требуемом уровне. Впрочем, любой толковой ракете должно с лихвой хватить первых двух способов.

Да, стабильность — это хорошо, но не переборщите. Вам не нужна ракета, целеустремленная настолько, что её не свернуть с курса :)

Кстати, о «свернуть с курса». Есть четыре способа управлять ракетой в полете:

Гиродины (reaction wheels).

+ есть в любой капсуле и почти любом беспилотном зонде

+ потребляют только электричество

+ работают везде

- слишком слабые, плохо подходят для управления ракетой на начальном участке полета

RCS – двигатели ориентации

+ гибко настраиваются – начиная от размещения их на аппарате, заканчивая регулировкой тяги

+ могут быть относительно мощными

- в атмосфере сильно падает мощность

- зависимы от наличия специального топлива (кроме vernor engine, потребляющих пару LF+OX)

- создают лишнее аэродинамическое сопротивление

- удорожают и утяжеляют ракету

Управляемый вектор тяги двигателей

+ есть почти у каждого двигателя

+ не требует ничего (потерями от отклонения вектора тяги мы пренебрежем)

- работает только при включенном двигателе

- эффективность сильно зависит от тяги

Канарды, элевоны, винглеты, аэротормоза и прочие самолетные запчасти

+ отлично справляются в атмосфере

- создают лишнее сопротивление

- удорожают и утяжеляют ракету

- абсолютно бесполезны на высоте ≈ от 25 километров

Несколько способов – как не мусорить на орбите

Скажи нет синдрому Кесслера еще на стадии проектирования ракеты!

Объекты на орбите вокруг Кербина с перицентром ниже 25 километров уничтожаются автоматически. Всё, что застряло выше, вам рано или поздно придется удалять через станцию слежения или даже ловить на орбите вручную.

Как избавить себя от этих забот?

Во-первых, если у вашей полезной нагрузки есть собственные двигатели — можно выключить разгонную ступень чуть раньше, отстрелить еще на суборбитальной траектории и закончить скругление орбиты двигателями корабля. Несколько десятков delta-v редко бывают критичны.

Во-вторых, можно превратить саму разгонную ступень в полноценный управляемый космический корабль, добавив управляющий модуль и источник питания для него. Кто-то ограничится контролируемым сходом с орбиты, а опытные евреи самые жадные игроки еще могут добавить парашюты — и через полвитка посадить немного обгоревший, но целый кусок ракеты где-то в районе КСЦ.

Ну и третий способ — заклипать в разгонную ступень несколько сепратронов, как на картинке

 

и настроить их активацию в ту же стадию, что и отделение ПН. Только не забудьте немного развести ускорители в стороны, чтобы реактивная струя не повредила отделяемое оборудование.

 

И, конечно, можно использовать эти способы в любых сочетаниях.

Ну и наконец…

Пример 1.

Марк Уот… Керман полон решимости вырастить на ККС картошку и просит привезти ему пятнадцать тонн грунта и трёх помощников для копания грядок. За работу!

 

 Разбор строительства ракеты с пояснениями.

Наша «полезная» нагрузка простая и аккуратная — нет смысла паковать её в обтекатель.
Сразу добавим ступень для доразгона из четверти «морковки» и 2.5-метрового двигателя с лучшим УИ — Пуделя:

 
Следующая ступень должна разогнать нас до полутора километров в секунду. Потребуется много топлива и более мощный двигатель. Ставим целую морковку и Скиппер:
 

 
Теперь проблемы с TWR — он меньше 1 в момент включения ступени!
Значит двигателю нужно помочь.

Ставим по бокам ракеты два больших бустера и объединяем двигатель с ними. Убиваем этим решением двух зайцев сразу, во-первых — избавляемся от необходимости ставить больше бустеров для отрыва, во-вторых — сжигаем часть топлива второй ступени, повышая ее TWR до приемлемого.
Остается только подобрать время горения бустеров, при помощи регулировки тяги. Остановимся на 80% — так мы сохраним достаточную тягу на старте, одновременно увеличив время работы центрального двигателя еще немного:

 

[spoiler=Тестовый запуск — 5 фото.]

 



 

 

[/spoiler]

Замечу, что это еще далеко не самый оптимальный вариант вывода подобной нагрузки. Однако такой носитель прост в управлении и имеет хороший запас дельты, а метод его разработки легко перенести на другие ракеты. Посмотреть же на самые эффективные варианты доставки будущей фермы можно тут.

 

Да, пользуясь случаем, передаю привет и спасибо юзеру Yakuza за разработку этого демонстрационного носителя!

Пример 2.

Плюс на минус! Курс на Минмус! Но сперва маленький многоразовый лэндер вместе с трансферным блоком нужно доставить на орбиту.

 

 Разбор строительства ракеты с пояснениями.

 
Лэндер лёгкий, но достаточно объемный и обвешан всякой выступающей мелочёвкой — значит будем паковать. Сразу за декуплером ставим обтекатель и максимально заостряем:
 


Теперь подумаем о разгонной ступени. Стоп! Почему ступени? У нас же есть двигатель трансферного блока! Почему бы не взять просто топлива к нему? Разбираем обтекатель обратно :)

При помощи чёрной магии и виртуозного обращения с режимами offset и rotate установим на декуплеры четыре блинчика FL-T100 вокруг трансферного блока. Организуем между ними распределение топлива спаржей. Получили 1408 м/с с TWR больше единицы.
На блоки, отделяющиеся последними, ставим по паре сепратронов для свода с орбиты (хотя, конечно, при такой установке нет уверенности, что их не закрутит):
 


И вот теперь пакуем это всё в обтекатель и строим взлётную ступень. На первый взгляд, тут отлично справится lv-45 c «карандашом». Подстрахуемся от переворота при помощи четырех миниатюрных стабилизаторов:
 


...и перейдем к бустерам:
Пробуем вариант с двумя «Тамперами». Тяги многовато, закрутим до 60% и, точно так же, как и в предыдущем примере, объединим с двигателем главной ступени. А в нее добавим еще полкарандаша. Это даст нам возможность контролировать суммарную тягу снижением мощности lv-45 и, к тому же, позволит использовать его управляемый вектор тяги:



Теперь в трех ступенях даже избыток дельты – 3715 м/с. Можно было бы уменьшить дополнительный бак в главной, но давайте оставим всё как есть. Выводя объемный груз, следует заложить запас на повышенное аэродинамическое сопротивление и криворукость пилота.
 
Поехали!

[spoiler=Тестовый запуск — 7 фото]


 

 

 

 

 

 

[/spoiler]

 

Да, со сведением баков с орбиты вышло так себе.

Впрочем, все обломки после столкновения и взрыва оказались на суборбитальных траекториях, так что цель достигнута. It’s KERBAL STYLE!!!

 

А наш лэндер успешно вышел на орбиту, не потратив ни капли собственного топлива и обошлось это в какие-то 11к. И да-да, тут тоже можно еще многое улучшить :)

 

Моды для ценителей ракетного дела.

Не могу обойти вниманием и эту тему.

Всем любителям