Проект "OKTO". Часть первая: Ракеты

Как вы знаете, недавно вышло обновление 0.24. Не то, чтобы оно как-то кардинально меняло собственно геймплей или добавляло сложности, но в нем есть то, чего многие давно ждали — tycooning. С одной стороны, есть случайные контракты, отвечающие на вопрос «чем бы заняться сегодня?», с другой — funds, репутация и скриптованные контракты, придающие смысл изучению системы Кербола.

Сомневаюсь, что это положит конец Reddit Weekly Challenges и другим подобным инициативам, хотя может несколько изменить их формат. Надеюсь в ближайшее время увидеть моды с контрактами «по мотивам».

Тем не менее, этого всего пока не достаточно, чтобы вытащить меня из песочницы. И фонтан идей для проектов еще не иссяк. Заметками по одному из таких проектов я и хотел бы поделиться ниже.

Ранее у меня был достаточно долгий период «монстров-переростков», когда я пытался разработать ракету, способную вывести 400-500-600 тонн полезной нагрузки. Как выяснилось в процессе, проблема таких проектов в том, что они ограничены больше производительностью компа, чем инженерной смекалкой.

В тоже время, у кербинского ракетного инженера не так уж много метрик. Стартовый и конечный вес корабля, количество деталей, объем топлива. Расстояние, скорость, дельта (с инженерными модами). Сейчас этот список пополнился репутацией, наукой и фондами, со временем я сделаю проект и с их учетом, но по скольку начинал я в 0.23.5, то в качестве ориентира выбрал минимальный вес корабля на старте.

Итак, вот спецификации проекта «One Kerman To Orbit», далее OKTO:

Требуется доставить одиночного кербонавта в капсуле на LKO (Low Kerbin Orbit) высотой 73-76 км. с возможностью последующего маневра на орбите и последующей мягкой посадки.

Желательно не засорять орбиту Кербина техногенным мусором, т.е. стейджинг на стабильной орбите — не допустим. И разумеется — никаких кресел и приземления на голову в стиле Danny2464.

Из модов планируется использовать только MechJeb, как для подсчета массы ракеты (не на пальцах же считать) и дельты ступеней, так и для вывода на 75-й километр. Примерный план полета: взлет, набор высоты, выравнивание орбиты, один-два витка, торможение, посадка. Piece of cake, мне просто не интересно делать это руками. Плюс — повторяемость результатов.

Часть первая, ракетная.

Для начала, определимся с необходимым минимумом. Нам нужна сама капсула с пока еще живой начинкой, парашют чтобы начинка и дальше оставалась живой и двигатель с запасом топлива, достаточным для ретроберна и схода с орбиты. Объединяем все это в кучку и получаем первую ступень. Вообще-то все считают ступени снизу вверх… кроме KSP. Ну, что делать. Все привыкли.



Т.к. наша цель — минимальный стартовый вес, то вести лишнее топливо нет смысла.
Нам нужно преодолеть тяготение Кербина, плюс потери на атмосферное трение, плюс потери на управление. В тоже время, слишком экономить нельзя, иначе полет получится суборбитальным, а мы помним, что наша цель — стабильная орбита и запас топлива на ретроберн. Эмпирически известно, что для выхода на LKO ракетам среднего размера требуется примерно 4.6-5к Delta-V. Если вторая ступень сбрасывается ниже 20-25 км, то при подсчете в mechjeb надо учитывать только на дельту в атмосфере, т.к. этом случае суммарная дельта получается несколько меньше, чем утверждает mechjeb. Кроме того, слишком большой thrust to weight ratio (TWR) у атмосферной ступени будет приводить к б0льшим потерям в атмосфере и перерасходу горючего. Слишком малый, в свою очередь — к росту потерь на преодоление гравитации.

Из этих соображений подбираем объем горючего и двигатель под вторую ступень.



Вариант А0. На первой ступени у нас LV-Т45, на второй — маленький и эффективный (Vac ISP: 390) LV-909. Такая ракета элементарно выводится на орбиту даже вручную с солидным запасом в ~400 м/с. Суммарно получается 10.865 тонн.



Как можно увидеть из таблицы «Delta V expanded», потери на управление у нас минимальные, причем фактически все они приходятся на вторую ступень. В таком случае, нужен ли нам LV-T45 с его управляемым вектором тяги? В конце концов, LV-T35 и легче, и мощнее. Попробуем. Суммарно получается 10.615 тонн.



За счет более мощного двигателя наши атмосферные потери возросли, как и потери на управление из-за необходимости корректировать курсовые погрешности второй ступенью. Впрочем, это с лихвой компенсируется меньшими гравитационными потерями и возросшей Delta V.

Из праздного любопытства, попробуем еще один двигатель того же формата — Toroidal Aerospike. Он стоит в разы дороже своих одноклассников. Видимо, по той же причине, по которой он не пошел в серию в реальной жизни. Но сейчас для нас это не важно. По весу получаем те же 10.865, что и у LV-Т45, но т.к. двигатель экономичнее(390 против 320) и имеет меньшую тягу(меньше атмосферные потери), мы можем себе позволить убрать часть топлива и посмотреть, что будет.



Ракета с «недоливом» показала даже больший итоговый запас дельты, чем предыдущий вариант. В добавок, она получилась легче (10,565), т.к. нужной ступени в твиках не оказалось. Выходит, не всегда более мощный и легкий двигатель — лучше. В данном случае на первый план выходит топливная эффективность.



Увы, алгоритмы у Ascent autopilot давно уже не оптимальны, это хорошо проявляется на граничных условиях. Он начинает маневр подъема перицентра только после выхода за «линию Кермана», т.е. 70 км. Для моего кораблика требуется зажигание длиной в полторы минуты, т.е. оптимально 45 секунд до апоцентра и 45 секунд после. При текущей траектории от «линии Кермана» до апоцентра остается всего 30 секунд, так что большую часть времени коррекция производится с промахом. В итоге, мы не только получаем орбиту, далекую от круговой, но и теряем топливо.
Чтобы MJ отрабатывал правильно, нужно либо применять его на б0льших высотах, либо дать ему больше времени на маневр. В последнем случае надо сделать траекторию более пологой, однако при этом неизбежно растут атмосферные потери. На сколько? Изменим Turn shape % и проведем ряд экспериментов.



Исходные данные можно посмотреть здесь

Если бы мы ставили только задачу построения более правильной орбиты, то остановиться можно было уже на 90%. Дальнейшие «биения», скорее всего — следствие дефицита точности при расчете орбиты, причем самой игрой.

На графике Delta V expanded видно, что минимум приходится почти точно на 35%. Что интересно, на эту же точку приходится и локальный минимум времени в пути (до окончания коррекции). А вот дальше атмосферные потери уже не покрываются снижением гравитационных потерь. Кроме того, растут потери на управление ракетой.

Что касается остатка Delta V, то, как и следовало ожидать, чем раньше мы начинаем гравитационный поворот, тем меньше Gravity losses, тем больше остаток.
Больше топлива сожжено у поверхности — меньше потери на его подъем, на планетах без атмосферы gravity turn стоит начинать практически с поверхности.

С Кербином этот фокус проходит лишь отчасти, т.к. чем ниже мы начинаем поворот, тем больше Drag losses. В нашем случае это проявляется скачкообразным ростом Drag losses на 15%. С этой точки и дальше поворот выполняется очень круто, практически на 90 градусов, значительная часть разгона проходит во (все еще) достаточно плотных слоях атмосферы Кербина. С точки зрения двигателей вакуум начинается с ~30 км, так что пока мы идем ниже, то теряем еще и за счет пониженного ISP.

Впрочем, если использовать для полетов на планетами с атмосферой крылья, то правила несколько меняются. Но об этом мы поговорим в следующий раз.
В итоге максимальный выигрыш оказывается на все тех же 35% и составляет больше 200 м/с. Кроме того, при такой траектории полета можно снизить требования на запас дельты до 4,5к.

С этого момента все последующие ракетные запуски будут производиться именно на 35%. Учитывая вышесказанное, вариант А0 можно облегчить, изменив количество баков и топлива в них.



Вариант А0.1. Суммарно получается 8.615 тонн.



Запас в 75 м/с — на грани фола. Этого более чем достаточно на тормозной импульс, а вот при выводе такой ракеты руками запаса топлива на ошибки нет совершенно. Пожалуй, для такого дизайна это предел. Значит, дизайн нужно менять.

Воинствующим эстетам на этом месте лучше перестать читать. Простые аэродинамичные ракеты уступают место уродцам.

Очевидно, что главным ограничением в нашей конструкции является вес полезной нагрузки. Меньше нагрузка — пропорционально меньше ракета в целом.

В нашем случае полезной нагрузкой является кабина и парашют. Почему я попросил эстетов уйти? Потому что я собираюсь использовать Mk1 Lander Can. Он на столько выбивается из общего ряда 1.25м деталей, что кажется, будто это деталь из мод-пака. На данный момент это единственная надкалиберная (т.е. б0льшего диаметра) граненая кабина. Зато она весит на 200 кг меньше, чем Command Pod Mk1, а если слить монопропеллант (следовало бы сделать это еще давно) — то и на все 250.



Замена кабины дала нам не только 250 кг экономии по весу, но и почти 400 м/с дополнительной дельты, поэтому я убрал один из баков на первой ступени. Правда, если смотреть по деньгам, то граненый модуль дороже почти в три раза. Видимо, облегчение конструкции произошло за счет использования сложных композитных материалов. Суммарно получается 7.813 тонн.



Разумеется, такой вариант ракеты можно еще немного твикнуть на топливо, но очевидно, что существенных изменений это уже не даст. Теперь дальнейшему облегчению конструкции мешают… двигатели. LV-909 с самого начала значительно превосходил потребности второй ступени, а с облегчением ракеты тоже самое касается и Aerospike. Пришло время их заменить.

Продолжение следует…