Пуск Capella-МЛ: как это было и при чем здесь Майкл Бэй?

Совсем недавно, 6 апреля 2021 года, участники СКБ RocketLAV произвели успешный пуск экспериментальной модели ракеты Capella-МЛ на аэродроме «Бобровка» Самарской области, транслируя его в прямом эфире на глазах у многочисленных зрителей. В этой статье мы подробно проанализируем это событие, расскажем о подготовке к мероприятию и поразмышляем о будущем объединения.
Приятного чтения!

Важный этап

К проекту экспериментальной студенческой модели ракеты #CapellaМЛ с самого начала было приковано большое внимание. Появившись во многом благодаря карантинному лету 2020 года, модель, названная в честь самой яркой звезды в созвездии Возничего, готовилась стать первой ракетой «французского» масштаба, запущенной на территории России — ведь раньше участники СКБ RocketLAV запускали столь серьезные проекты лишь под четким присмотром инженеров CNES (Французского космического агентства) на мероприятии C’Space близ города Тарб во Франции.

Заручившись поддержкой ракетно-космического центра «Прогресс» — предприятия, конструирующего те самые великие «Союзы», и, конечно, родного Самарского национального исследовательского университета имени С.П. Королева, студенты приступили к работе над проектом. Изначально создаваясь параллельно со своей сестрой Capella-М, которая должна быть запущена на C’Space 2021, МЛ должна была стать летающим «полигоном» для отработки идей французской ракеты, усилив и без того качественный проект необходимыми доработками, исходя из результатов практического пуска.

Именно поэтому аббревиатура МЛ в названии расшифровывается как Модульная, Летный образец.

Но достаточно быстро стало ясно, что этот проект станет нечто большим, чем просто летным образцом Capella-М. Собрав под собой команду из самых опытных участников СКБ (большинство ребят из конструкторской команды — студенты 5 курса), руководитель бюро Антон Полтораднев понимал, что для многих членов объединения этот проект станет последней крупной работой, сделанной в стенах RocketLAV. Всем хотелось оставить после себя что-то особенное и масштабное, поэтому Capella-МЛ сразу превратилась в настоящий magnum opus.

Изначально планировалось, что запуск состоится в конце марта, но ближе к этому моменту была утверждена финальная дата пуска — 6 апреля. Было решено приурочить мероприятие к 60-летию первого полета человека в космос, ожидалось очень много почетных гостей и журналистов. Ставки резко возросли.

Примерно так провела весь март команда СКБ RocketLAV

На одном из собраний была предложена идея провести прямой эфир с места событий — все мы смотрели трансляции запусков ракет «Союз» и Falcon 9, и хотелось устроить нечто подобное. Впервые в истории объединения мы не только планировали провести пуск столь масштабного проекта на территории России, но и поделиться этим событием со всем миром, проведя прямую трансляцию. В проекте тем или иным образом была задействована бóльшая часть СКБ RocketLAV — ведь помимо самого проектирования и изготовления ракеты на нас ложилась организационная часть пуска, проведение прямого эфира и создание выставки истории студенческого ракетомодельного движения университета начиная с 2011 года (именно из этого затем и появилось СКБ RocketLAV!). За напряженной работой коллектив объединения провел весь март.

Пару слов про конструкцию (и несколько ссылок!)

Прежде чем мы перейдем к самому пуску, необходимо упомянуть про конструкцию ракеты и каждый модуль в отдельности. Весь март в нашей группе выходили посты с хэштегом #CapellaМЛ, где мы по кусочкам рассказывали о каждом элементе ракеты — про саму модульность, электронику (здесь и здесь), двигатель. Не забыли и про основные характеристики. Незамеченной осталась только пусковая установка, разработанная специально под Capella-МЛ — прочитать про нее теперь можно здесь!

День Икс все ближе

В конце марта — начале апреля команда провела многочисленные выезды на аэродром для подготовки к пуску, проведя огромное количество работы.

На выездах проводились отработки развертывания различной инфраструктуры — шатров и ПУ, проводилась подготовка модели ракеты. Уточнялось расположение объектов трансляции, устанавливались метки для журналистов, привозились старые ракеты СКБ RocketLAV для будущей выставки. Отдельной целью для поездки стало уточнение интернет-сигнала, необходимого для проведения прямой трансляции вместе со специалистами телеканала «Самара-ГИС», согласившемся помочь в проведении эфира. Параллельно с этим проводилась большая работа по составлению хронологии пуска и подготовки оборудования. Необходимо было определить точные промежутки времени для различных предстартовых проверок, установить рамки прогулки гостей и журналистов у места старта и наладить коммуникацию между членами команды. Подготовка оборудования включала в себя тестирование системы приема данных с модели в режиме реального времени, сборки и разборки шатров трансляции и контрольно-управляющего пункта (далее — КУП), установку пусковой установки, проверки работы генератора и так далее.

За несколько дней до запуска (3 и 5 апреля) проводились генеральные репетиции хронологии уже с привезенной моделью ракеты. К непосредственной подготовке ракеты относилась транспортировка её из производственных помещений СКБ RocketLAV в Самарском университете в специальный монтажно-испытательный пункт (далее — МИК) на аэродроме, располагавшийся в двухэтажном здании. После доставки именно здесь проходила вся работа над моделью, начавшаяся с распаковки модулей — после снятия защитных пленок головной модуль отдавался на калибровку и тесты радиомаячка и приема телеметрии (информации, поступающей с ракеты), а на хвостовой блок устанавливались стабилизаторы. Параллельно с этим проходила подготовка парашютов и механизмов.

Затем происходил монтаж головного блока, включающий в себя крепление рым-гайки со стропой резервной системы спасения к центральному модулю, подключение шлейфов, установку джампера и крепление головной оболочки к стыковому шпангоуту. Затем проходил тест передачи видеосигнала с бортовой камеры и работы систем спасения в автоматическом режиме.

Работа бортовой системы в автоматическом режиме тестировалась по шести сценариям, позволяющим наиболее точно установить ошибки и различные недостатки программы полета:

Штатный полёт — наиболее благоприятный сценарий штатного полета, все системы работают нормально.
Неудачный выброс тормозного парашюта — бортовая система должна была успешно спасти модель в случае провала работы системы выброса тормозного парашюта.
Нераскрытие кольцевого замкового устройства (далее — КЗУ) — механического приспособления для крепления парашюта к подвесной системе.
Недобор высоты — сценарий, в котором в результате некорректной работы двигателя модель ракеты не набирала необходимую высоту для штатной работы основной системы спасения
Высокая скорость спуска на тормозном и основном парашюте — бортовая система должна была предпринять действия по спасению ракеты в случае слишком большой скорости спуска на одном из парашютов, не позволяющей модели безопасно приземлиться.
Тест «красной кнопки» — проверялись условия срабатывания резервной системы спасения (далее — РСС) и ее корректной работы.

Забегая вперед стоит сказать, что данные имитационные тесты продемонстрировали высокую эффективность, и позволили выявить ряд ошибок и недоработок:

Наматывание якоря КЗУ на бобину сервопривода механической системы модели
Отказ красной кнопки при открытии КЗУ
Стопорение РСС
Отрыв шлейфов приёмника воздушного давления (далее — ПВД)
Проверка работы механизмов на основе данных, поступающих с барометров

и другие ошибки. Также модульная конструкция позволила перевозить модель по частям так, что она могла поместиться в багажник легкового автомобиля. Для удобства во время тестов парашюты были заклеены и раскрывались в тестовом режиме лишь на предпусковых испытаниях.

В день запуска также происходили некоторые мелкие, но необходимые работы — крепление антенны и люка основной системы спасения (далее — ОСС) на специальную клейкую пленку «ORACAL», очистка оболочки растворителем. Также проходили многочисленные, более мелкие проверки, предусмотренные программой подготовки к пуску.

К пусковой установке (далее — ПУ) модель ракеты доставлялась не только при помощи автомобиля, но и пешком, несмотря на расстояние чуть больше километра от МИКа до ПУ.

День Икс

Аэродром Бобровка Самарской области, в день пуска больше похожий на Туманный Альбион, нежели на подходящее место старта, стал на один день маленьким «космодромом», принявшим огромное количество почетных гостей и журналистов различных изданий. Не смогли пропустить мероприятие и генеральный директор РКЦ «Прогресс» Д. А. Баранов, а также ректор Самарского университета В. Д. Богатырев.

Несмотря на многочисленные выезды и бесчисленное количество часов, потраченных на подготовку, вне нашего контроля оставалось лишь одно — погода. 6 апреля на месте старта был сильный ветер (7-8 метров в секунду с частыми порывами до 13-15), что было ближе к опасным значениям для пуска ракеты, чем к нормальным.

Примерно так себя чувствовала стартовая команда и ведущие трансляции

К моменту прибытия группы подготовки модели ракеты к месту старта ПУ была полностью собрана и ждала лишь главную героиню предстоящего пуска — Capella-МЛ. Экспериментальная модель ракеты устанавливалась по бугелям в пазы ПУ и свободно каталась по смазанным профилям. После установки модели повторно проводились тесты радиомаячка, передачи видеосигнала с бортовой камеры и системы телеметрии, а также различные дополнительные проверки. После этого пусковая команда оставалась на месте старта, а оставшиеся члены команды подготовки модели ракеты удалялись в КУП. Момент кульминации становился все ближе.

После прогулки журналистов и почетных гостей около ПУ с закрепленной на ней Capella-МЛ начинался самый важный этап предстартовой подготовки — установка двигателя. Имея суммарный импульс в 2000 Ньютон в секунду, двигатель стал самым мощным изделием такого типа, которое СКБ RocketLAV когда-либо использовало в России. Любая ошибка стартовой команды могла привести к порче двигателя и отмене запуска — на глазах у всех гостей. Не самый хороший конец истории, не правда ли?

После установки двигателя происходила привязка стартового джампера (устройства детектирования отрыва ракеты от ПУ) и введение запалов зажигания. Здесь же происходило включение бортовой электроники и камеры. Все было готово к пуску. Проводились последние предстартовые проверки, но не все было так гладко — из-за долгого ожидания на Capella-МЛ перегрелся радиомаячок. Стартовой команде пришлось несколько раз перезагружать системы модели, пока команда в КУП проверяла связь и прием телеметрии вместе с видеосигналом. На часах — 14:51. Руководитель полетов Алексей Ким начинает обратный отсчет.

Сам процесс старта занимает буквально пару секунд, весь полет — 2-3 минуты

Полет

Несмотря на не самые благоприятные погодные условия, полет Capella-МЛ проходил стабильно — ракета летела по четкой траектории, не реагируя на большую скорость ветра. Вплоть до момента выброса тормозного парашюта полет проходил штатно. Выброс ТП произошел в нормальном порядке, однако не совсем корректная работа механических систем привела к образованию нескольких проблем:

Так как стропа ТП была выполнена не самым корректным образом, при открытии КЗУ происходил перекос скобы, находящейся на стропе. Данная особенность была выявлена при тестах, но не была признана критической, что являлось ошибкой. Скоба имела прорезь и, когда произошёл рывок, стропа перекатилась на один край скобы, деформируя ее. При этом произошёл обрыв джампера КЗУ и на наземную станцию пришло сообщение об открытии КЗУ.
После выброса ТП, он попал в поток с большой скоростью и произошло разрушение полок втулки крышки ТП и отрыв крышки;
Из-за сильного потока и отрыва крышки ТП произошло перебрасывание края купола парашюта на другую сторону — получилось заваливание ткани ТП и он не раскрылся на всю возможную площадь.
Из-за недостаточной площади ТП не создал нужного торможения и ракета продолжила свое ускорение.

В результате, через 3 секунды после выброса тормозного парашюта бортовая система в автоматическом режиме начала проверку работы системы спасения и отметила высокую вертикальную скорость, превышающую критическое значение в 30 метров в секунду. Система приняла решение выпускать резервный парашют (далее — РП) для спасения Capella-МЛ и ее безопасного приземления. Раскрытие РП произошло на вертикальной скорости около 55 м/с, а нагрузка, действующая на крепление данного парашюта, по предварительной оценке была равна 265 кг! Из-за такой большой нагрузки ткань парашюта порвалась до средней упрочняющей ленты.

В порванном состоянии РП обеспечил приемлемую вертикальную скорость спуска 11-15 м/с. На кадрах с бортовой камеры можно заметить запутывание одной из строп РП, которое с высокой долей вероятности произошло при укладке парашюта в корпус модели.

Capella-МЛ приземлилась вертикально, под небольшим углом, на один из стабилизаторов, который вошёл в землю и отломился. Земля забилась в двигатель, тем самым потушив его. Ракету отнесло от точки старта на расстояние 1847 метров, от апогея – 2100 м. После приземления был отмечен нештатный выход якоря КЗУ из петли. Это могло произойти во время рывка ТП или РП в одной из точек полета. Несмотря на выход якоря КЗУ, открытия КЗУ не произошло, кольца заклинило, раскрытие основного парашюта также не произошло.

В процессе полета команда КУП во главе с руководителем полетов непрерывно получала данные с ракеты, и после приземления получила верные координаты местоположения модели, но с небольшой погрешностью — 15 метров. Из-за некоторой погрешности наводки направленной антенны, не совсем стабильно работала передача сигнала с бортовой камеры модели в режиме реального времени — на мониторе присутствовало большое количество помех. Но основная система передачи телеметрии с ракеты сработала прекрасно, и позволила сразу начать процесс возвращения Capella-МЛ обратно, в стены родного Самарского университета.

Забираем!

После успешного возвращения Capella-МЛ в МИК начался процесс первичного послеполетного анализа модели. Всего было произведено два осмотра ракеты: сразу после нахождения непосредственно на аэродроме, а затем на производственной площадке СКБ.

Ниже приведён перечень повреждённых деталей:

Головной модуль:

Обтекатель (порез от стропы)
Стакан РСС (порез от стропы)
Коннекторы барометрической системы (вырвало при раскрытии РП)
Резервный парашют (порван при раскрытии от превышения нагрузки)

Центральный модуль:

Крышки ОСС (утеряны)
Некоторые сколы и царапины на оболочке
Крепление крышки ТП (оторвало при открытии)
Джампер (оборвало провода джампера на стропе)
Ответное кольцо КЗУ (погнуто при открытии ТП)
Тормозной парашют (небольшой разрыв ткани в основании)
Концевик (утеряна пластинка при эвакуации)

Хвостовой модуль:

Стабилизатор (разрушен при приземлении)
Оболочка (облупилась краска)

Стык центрального (сверху) и хвостового модуля (снизу), вид оболочки под отсеком системы спасения

Остатки втулки крепления крышки и якорь ТП

Повреждённый стабилизатор и его основание

Хвостовой отсек и остатки основания повреждённого стабилизатора

Анализ логов

Уже после возвращения Capella-МЛ в Самарский университет и отъезда команды с аэродрома Бобровка был произведен анализ полета на основе данных телеметрии.

Рассмотрим график высоты от времени полета:

Здесь необходимо уточнить, что значат все эти сокращения:

Rec — показания барометра с платы телеметрии

Tel — показания барометра с платы спасения

ПВД — приемник воздушного давления

Можно заметить определенную разницу между показаниями разных датчиков. ПВД работал в неоттарированном состоянии (не был достаточно настроен перед полетом), поэтому работал в «следящем» режиме. Видно, как показания с ПВД отстают от показаний барометра, до 5 секунды наблюдается наибольшее отставание даже в качественном плане — возможно, имеет место некая инертность датчика. Также на 25,7 секунде начинается аномалия показателей ПВД, заключающаяся в повышении высоты, а не её уменьшении.

В это же время полета в результате работы механических систем концевик МРП сменил положение на «открытый». Связав эти два факта, можно сделать вывод о том, что данная аномалия обусловлена выталкиванием ПВД вместе с кончиком головного обтекателя в результате работы резервной системы спасения. На 26,877 секунде произошёл обрыв коннекторов ПВД, и с него были получены последние данные. Также стоит отметить разный характер кривых BMP Rec и BMP Tel, выражающийся в большем колебании показаний с барометра телеметрии (BMP Tel). Это может быть связано с работой передатчика на плате телеметрии.

Перейдем к графику скорости от времени полета:

По графику скорости нельзя сказать что-то кардинально новое — эти данные лишь подтверждают выводы, полученные при анализе графика высоты от времени полета. Поясним лишь некоторые пункты:

Макс полн. по ПВД — максимальная полная скорость по приемнику воздушного давления

Время переходного процесса у РП (дельта) — время, за которое парашют нормализировал скорость спуска

Теперь рассмотрим график абсолютного ускорения:

Если воспользоваться вторым законом Ньютона, то можно приближённо вычислить нагрузки, действующие на модель ракеты:

Максимальная нагрузка при работе двигателя – 937,7 Н;
При открытии ТП – 600,1 Н;
При открытии РП – 1374,4 Н;
При приземлении – 1667,7 Н.

Согласно графику 2 можно сделать вывод, что двигатель уложился в паспортные данные по времени работы. Также можно заметить скачки при работе систем спасения и при приземлении. Качественно отличается характер нарастания ускорения при срабатывании ТП и РП (график 3). Это связано с тем, что на стропе РП установлен демпфер, который растянул во времени процесс нарастания нагрузки. Если рассматривать скачок и просадку ускорения перед пиком, то можно сказать, что демпфер снизил нагрузку на 169,6 Н.

На следующем графике представлено состояние «флагов» платы Recovery — логических условий, сигнализирующих о срабатывании той или иной системы Capella-МЛ — в зависимости от времени полета:

Разъясним, что означает логический переход — это срабатывание того или иного механизма. 0 — механизм находится в исходном состоянии, 1 — механизм сработал.

При рассмотрении состояния «флагов» платы Recovery в зависимости от времени можно сделать вывод, что электроника работала в полётном режиме без отклонений. По полученной ранее информации были рассчитаны времена срабатывания различных систем спасения.

Итоги

Я считаю, что команда выполнила свою работу безупречно
— Полтораднев Антон, руководитель СКБ RocketLAV

Capella-МЛ достигла высоты в 1750 метров с расчетной высотой 2 километра, стартовав со «своей» пусковой установки. Бортовая система сработала успешно и в автоматическом режиме выпустила резервный парашют, благополучно приземлив модель с безопасной вертикальной скоростью. Это чисто технические итоги, свидетельствующие о высокой проработанности проекта.

Но реальная картина намного шире. Команда СКБ RocketLAV смогла организовать настоящий маленький «космодром» на аэродроме Бобровка, на несколько дней выстроила целую инфраструктуру и впервые осуществила прямую трансляцию с места пуска. Мы смогли получить ошеломляющие кадры с бортовой камеры, привлечь огромное количество журналистов и еще раз показать, что ракетный моделизм и космонавтика — это жутко интересно!

Ничего бы этого не было без слаженной работы десятков людей из разных городов, с разными интересами и амбициями. Совсем скоро многие ребята покинут стены университета, оставив наследие студенческого конструкторского бюро RocketLAV вчерашним первокурсникам — таким же увлеченным студентам, с горящими глазами смотрящими на все ракетное и на все космическое.
И пусть это немного грустно, но мы знаем — каждый из нас запомнит это время на всю свою долгую жизнь, в которой предстоит еще очень много открытий.

Не бойтесь, друзья! Претворяйте в жизнь свои самые смелые задумки, занимайтесь тем, что вам нравится и никогда не останавливайтесь на достигнутом 🙂

Еще пару лет назад мы и подумать не могли, что запустим столь масштабный проект у себя дома, в Самарской области

Мы благодарим за многолетнюю поддержку родной Институт ракетно-космической техники, управление внеучебной работы университета, коллектив Авиамодельного студенческого конструкторского бюро, ракетно-космический центр «Прогресс» и Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королева.

Спасибо за прочтение и оставайтесь с нами, друзья!

С любовью, ваше студенческое конструкторское бюро RocketLAV.

P.S. А при чем тут Майкл Бэй? Все просто — за несколько часов до старта ветер начал уносить наш главный шатер. Выглядело все это настолько масштабно и эпично, что сразу вспомнились Трансформеры 🙂

автор: Глеб Бурдонов