Паливо з цукру - Будинок Сонця
У космос дешево
Було зроблено понад 30 спроб, але понад 25 км піднятися не вдалося нікому, приз так і залишився неврученим. Ніхто не зміг претендувати і на «втішний» приз у $25 000 за досягнення висоти 125 км. Частина команд продовжила роботу і після закінчення призначеного терміну – поштовх, який CATS Prize дав аматорському ракетобудуванню, неможливо переоцінити. Деякі команди стали справжніми комерційними фірмами, тільки ракети вони більше не роблять.
Лише одна команда – CSXT на чолі з колишнім голлівудським каскадером та майстром зі спецефектів Каєм Майкельсоном – продовжила роботу, намагаючись досягти початкової мети. Майкельсон, відомий у вузьких колах під ім'ям The Rocketman за свою прихильність до реактивної тяги, навіть пішовши на відпочинок, продовжив заняття своєю улюбленою піротехнікою. Проаналізувавши невдачі попередників, CSXT відмовилася від екзотичних схем запуску зі стратостату чи літака.
Запуски з повітряних куль сягають 50-х років минулого століття. Спроби заощадити на атмосферних втратах робилися ще до польоту першого супутника, але, як у 1950-ті роки, так і в 1990-ті, результат був незадовільним – проста на вигляд схема таїла в собі безліч «граблів», на які невдахи ракетобудівники і через 40 років наступали з тим самим ентузіазмом.
Каю Майкельсону довелося відмовитися і від двоступінчастої конструкції - надійність її в аматорському виконанні залишала бажати кращого, в чому він переконався в ході невдалої спроби досягти кордону космосу в 1997 році. Другий ступінь просто не запустився. До того ж після невдалих стартів конкурсантів CATS Prize отримання дозволів на запуск двоступінчастих висотних ракет обставили майже непереборними для аматорів.рогатками.
Перепустка в космос
Взагалі американські закони, що регулюють аматорське ракетобудування, найліберальніші у світі. Крім звичайних ракетомоделей, що запускаються по всьому світу, в США визначені класи High Power Rockets і, для тих, кому і цього не вистачає, Experimental Rockets. Класифікація йде як за повним імпульсом двигуна (вироб тяги на час роботи), так і за стартовою масою і дозволяє – з певними застереженнями – аматорські ракети до 16 000 Н•с у класі High Power Rocketry та до 128 000 Н•с у класі Experimental Rocketry. Порівняйте це із максимальними 80 Н•с на ракетомодельних змаганнях! У Європі нічого подібного для любителів великих ракет немає, тож європейський рекорд висоти польоту досі менший за 10 км. Мало того, європейські любителі змушені возити свої ракети до США, споряджати та запускати їх у Неваді!
Але і в пустелі закони стежать за безпекою ретельно. Любителям заборонено перевозити великі заряди зі штату до штату – споряджати ракету потрібно прямо на місці запуску. Є й безліч інших обмежень, які здаються здавалося б надуманими, але більшість із них створені при розборі якогось нещасного випадку і покликані усунути такі випадковості надалі.
Доопрацювання та виготовлення нової ракети, названої GoFast, зайняли півтора роки. Ракета поважчала у півтора рази та важила на старті 328 кг (з них 197,5 кг важило паливо). Довжина ракети дорівнювала 6,4 м, а діаметр корпусу - всього 25,4 см, тобто ракета виглядала тонкою, як цвях! У професійному ракетобудуванні такі пропорції майже не зустрічаються, але необхідно було за будь-яку ціну зменшити аеродинамічний опір, що при гіперзвуковій швидкості можна досягти тільки шляхом зменшення діаметра. Так-так, ракета мала набратигіперзвукову швидкість ще у щільній атмосфері – на висоті близько 8–10 км, де літають звичайні дозвукові лайнери. Тому ніс її був суцільний сталевий конус з дуже маленьким кутом розкриття і тоненький у вершини - токар зумів виточити цю деталь лише з третьої спроби.
На цей раз доля була більш прихильна до команди. 15 травня 2004 року з жахливим прискоренням у 21,5 g (більше, ніж у катапульти для порятунку льотчиків-винищувачів), тоненька ракета прямувала до кордону космосу. Залучені спостерігачі радіолокатором відстежували швидкість та висоту ракети. Через 13 секунд паливо в двигуні повністю вигоріло і ракета полетіла за інерцією зі швидкістю, що в 5,2 рази перевищувала швидкість звуку. Стало ясно, що рекорд відбудеться. Через 2,5 хвилин ракета досягла космосу. Через п'ять хвилин після старту було прийнято сигнали радіомаяка – модуль корисного навантаження спускався на парашуті. На жаль - далеко від розрахункового місця приземлення. Знайти його вдалося, коли батареї маяка вже вичерпалися. А корпус прискорювача довелося шукати понад два тижні – він упав за 40 км від місця старту. Ці труднощі трохи затьмарили успіх, але висота в 115 км була взята, про що, окрім радіолокатора, тепер свідчили і записи бортової «чорної скриньки»!
Але повернемось до цукру. Паливо, використане в ракеті GoFast, було максимальним аматорським наближенням до палива стартових бустерів (SRB) "Шаттла". Типове тверде суміш тверде паливо складається з перхлорату амонію, алюмінію і синтетичного каучуку, спочатку рідкого, що твердне прямо в двигуні. Але перхлорат амонію та каучук – речовини, що практично недоступні для більшості «ракетолюбителів». Їхній продаж перебуває під дуже серйозним контролем. Та й алюмінієвий порошок потрібен не аби який - "сріблянка",наприклад, не годиться, частинки металу повинні мати сферичну форму та певний розмір.
В результаті двигуни на такому паливі навіть у США доступні лише одиницям. Іншим доводиться застосовувати щось простіше. Наприклад, горезвісний цукор. «Карамельне» ракетне паливо дійсно є сплавом цукру з калійною селітрою. Його характеристики скромні, але все ж таки воно разу в півтора краще відомого всім димного пороху, на якому ракети літали майже тисячу років, перш ніж був придуманий піроксилін. До того ж «карамель» як мінімум у 10–20 разів дешевша, ніж паливо на перхлораті амонію. Хто вигадав «карамельне» паливо, зараз встановити складно, з'явилося воно у середині XX століття. Американські джерела стверджують, що вперше його застосував Білл Колберн у 1943 році у Каліфорнії. Рідкісні книги про аматорське ракетобудування не відтворювали його рецепт, але на наукову основу застосування його було поставлено лише в середині 1990-х – аматори почали вивчати властивості палива, залежність його характеристик від варіації складу, початкової температури, тиску в камері і т.д. Звичайно, у розпорядженні професіоналів є енергетично вигідніші речовини, але любителям для серйозного та безпечного застосування всі ці відомості були необхідні, і отримати їх можна було лише експериментальним шляхом.
Виявилося, що паливо це стійко горить у широкому діапазоні тисків у камері, що дозволило робити на ньому як найпростіші паперові двигуни, так і металеві, що перезаряджаються. Малі відхилення у складі також не заважають його хорошій роботі, тому воно безпечніше. Однак є у цього палива і недоліки, насамперед це крихкість. Наприклад, палива на основі каучуку дуже м'які, професіонали-ракетники.
стверджують, що від такого шматкапалива можна руками відщипнути крихту, це дозволяє наглухо скріплювати заряд із корпусом. Заряд служить і теплозахист - поки він весь не згорить, корпус двигуна не нагріється. З карамеллю так робити не можна – вона може розтріскатися під робочим тиском, що сягає півсотні атмосфер! Тому карамельний заряд - вкладний, між ним і корпусом має бути вузенька щілина для вирівнювання тиску. Але при цьому металевий корпус має бути захищений від гарячих газів, адже їхня температура досягає майже 1400˚C, так що метал неминуче втратить міцність.
Інший недолік "карамелі" - велика кількість "конденсованої фази". Так ракетники називають продукти згоряння, які є газами. При горінні карамелі утворюється поташ або вуглекислий калій. У камері він рідкий, а соплі стає твердим. Найдрібніші частинки вуглекислого калію утворюють щільний білий дим. Цей дим досить їдкий, тому що поташ має лужну реакцію. Тому в жодному разі не можна палити «карамельне паливо» у закритому приміщенні. Але для ракетного двигуна конденсована фаза шкідлива з іншої причини: тверді або рідкі частинки не можуть розширюватися в соплі, як гази, а отже, не роблять роботи; тепло від них до газу передається лише випромінюванням, тому ККД ракетного двигуна зменшується. Це означає, що фактичний питомий імпульс «карамелі» помітно нижче за теоретичний, розрахований з теплоти хімічних реакцій.
І ще один серйозний недолік – для класичної цукрової карамелі дуже мала різниця температур між плавленням цукру та загорянням готової суміші. Але ця проблема була успішно вирішена заміною цукру на сорбіт. Сорбітове паливо горить повільніше, ніж цукрове, але працювати з ним набагато безпечніше, адже сорбіт плавиться вже при 125˚C, а сахароза – лише при185˚. Решта корисних властивостей цукрового палива в сорбитового збереглися.
На чесному слові
Після тріумфу GoFast багато ракетників висунули претензії команді CSXT. Мовляв, їхня ракета «нечесна», оскільки не може бути відтворена практично ніким з аматорів, і до того ж через велике відхилення їхньої ракети висотні пуски тепер перебувають під набагато щільнішим контролем: чиновники в США вирішили, що їхнє законодавство надто ліберальне. Але з іншого боку, одного разу вирішене завдання вдруге вирішити набагато простіше. І канадець Річард Накка, один із головних ентузіастів «карамелі», вирішив досягти «чесного» з погляду аматорського ракетобудування результату, досягти межі космосу на цукровому чи сорбітовому паливі. Проект був названий Sugar Shot to Space, у вільному перекладі "На цукрі в космос".
Але спочатку треба було з'ясувати, чи вирішуване це завдання в принципі. Якби не заважала атмосфера, досить було б швидкості 1400 м/с, щоб із Землі «дострибнути» до висоти 100 км. Але у GoFast атмосфера «з'їла» близько 300 м/с (більше 1000 км/год!). Щоб зменшити величину втрат, треба розганятися у більш розрідженому повітрі, на більшій висоті, а для цього необхідно зменшити стартове навантаження та збільшити час роботи двигуна. Але для некерованої ракети це небажано, оскільки збільшується ділянка, де стабілізатори погано працюють. Потрібно збільшувати або висоту напрямної, або розмір стабілізаторів, що збільшує аеродинамічні втрати.
Аналіз аеродинаміки був виконаний дуже ретельно, в результаті пропорції ракети вийшли ще дивнішими, ніж у GoFast, - довжина в 30 разів більше діаметра, три стабілізатори замість чотирьох, та й форму носової частини намагалися оптимізувати. Ось тільки все цене наближало до бажаного результату. Робити ж ракету двоступінчастою не хотілося, оскільки це зменшувало надійність і збільшувало складнощі з отриманням дозволу на запуск. Річард Накка був не з чуток знайомий із цими проблемами.
Треба було придумати такий профіль тяги (залежність тяги від часу), який можна було б реалізувати в движку на карамелі і який знизив би аеродинамічні втрати і не дуже збільшив гравітаційні втрати. У зенітних ракетах використовується швидкий стартовий ступінь з тягою під сотню тонн і прискоренням до 50 g (у протиракетних системах) і відносно "довгограюча" маршева - з набагато меншою тягою. Але маршовий ступінь раніше робився на ЖРД, а зараз – на спеціальних твердих паливах, які забезпечують великий час роботи. Для любителів це не годиться – надто великий обсяг відпрацьовувальних випробувань. У простих карамельних двигунів час роботи тісно пов'язаний з діаметром.
Але рішення було знайдено – ним став двостадійний двигун. Такий двигун складається з двох камер із двома зарядами палива, які по черзі працюють на загальне сопло. Між камерами – заглушка з матеріалу, що перепалюється, яка не повинна пустити гарячі гази до другого заряду під час роботи першого. Після вигоряння першої стадії ракета деякий час летітиме вгору по інерції, поступово втрачаючи швидкість, але й вибираючись із щільних шарів атмосфери, і лише після закінчення балістичної паузи спалахне друга половина запасу палива. Максимальна швидкість при цьому буде помітно менша, ніж у GoFast, і досягти її вдасться на більшій висоті – при цьому аеродинамічні втрати знизяться.
Однак за всіх хитрощів стартова маса і розміри у ракети на цукровому паливі повинні бути більшими, ніж на перхлорат-каучуковому. Тому члени групи SS2S збудувалиСпочатку модель двостадійного двигуна в масштабі 1:4 (за лінійними розмірами; за масою палива це 1/64). Тільки з четвертої спроби до них прийшов успіх – найважче було домогтися, щоб камера першої стадії не прогорала під час другої роботи, адже їй діставалася подвійна доза теплового навантаження.
Однак, подолавши всі труднощі, ракетники зрозуміли, що перед будівництвом повнорозмірної ракети для штурму космосу їм доведеться спочатку відпрацювати технічні рішення на дешевшому, і зараз будують ракету в масштабі 1:3. Довгий шлях любителів у космос! Але ми сподіваємося, що згодом у них все вийде, і бажаємо їм наполегливості та успіхів.