Основы ракетостроения в Kerbal Space Program

Разбираемся в предназначении деталей и как работают ракеты в Kerbal Space Program (KSP)

Если вы открыли этот гайд, то, вероятнее всего, решили для себя зависнуть в Kerbal Space Program всерьез и надолго. Ниже мы разберемся в основных принципах ракетостроения, в номенклатуре и свойствах деталей, а также в не очевидных возможностях интерфейса.

Немного теории

Попасть в Космос несложно. Для этого Вам необходимо просто двигаться достаточно быстро, чтобы падать не на поверхность тела, а чуть-чуть мимо него, т.е. принципиально важными для вас являются лишь два закона: третий закон Ньютона и закон всемирного тяготения. Несколько подробнее об этом.

Ракета, расположенная на стартовой площадке в каждую секунду времени притягивается к центру планеты с какой-то силой. Чтобы отправиться в полет, ракета должна создать тягу, превышающую притяжение планеты (это очень грубое объяснение, не учитывающее еще множества различных переменных). Если тяга двигателей превысит силу тяготения ракеты и планеты, то Ваше изделие начнется двигаться с ускорением ввысь. Как видите, все довольно-таки просто. Теперь углубимся в определения.

Двигатели

В Kerbal Space Program имеется два основных типа ракетных двигателей: твердотопливные и жидкостные. Также Вам придется применять ионные, турбореактивные и монотопливные двигатели, но они предназначены для специфический ситуаций и относятся к продвинутому ракетостроению. Большинство жидкостных ракетных двигателей, в отличии от твердотопливных, позволяет регулировать тягу и ее вектор. Также жидкостный двигатель можно заглушить в любой момент, твердотопливный — только после полного израсходования всего топлива.

• Твердотопливный ракетный двигатель — твердотопливные ракеты были известны еще до Нашей эры, применялись как в развлекательно-увеселительных, так и военных целях. Вместе с монгольскими завоевателями попали в Европу. По большому счету представляют из себя большой бак с твердым горючим и соплом. В игре их сразу несколько. В основном отличаются размерами и тягой. К примеру, «Кувалда» с тягой 250,00 кН и отводящий двигатель «Мелкотрон I» с тягой 13,792 кН. Главное достоинство — низкая стоимость. Недостатки — отсутствие возможности контроля тяги и ее вектора.
• Жидкостный ракетный двигатель — ваша основная рабочая лошадка на протяжении всей карьеры. Жидкостные двигатели бывают очень разными: по тяге, расходу топлива и окислителя, диапазонам отклонения вектора тяги, комфортным условиям и способам размещения на изделии. Подходят практически под любые задачи. Главное достоинство — возможность гибкой настройки, недостаток — цена (до 60% стоимости ракеты).
• Ионные двигатели — идеально подходят для ситуаций, когда существует необходимость обеспечивать незначительную тягу продолжительное время (спутники, межпланетные перелеты). За счет действия сильных электромагнитных полей обеспечивают высокий удельный импульс (более низкий расход топлива на создание кН тяги в сравнении с жидкостными двигателями). Преимущества: небольшой вес и низкий расход топлива. Недостатки: постоянная потребность в электроэнергии, низкая тяга (на ионном двигателе невозможно выйти на орбиту) и существенная цена.
• Монотопливные двигатели — выбрасывают предварительно сжатый инертный газ под большим давлением. Незаменимы при маневрировании на орбите, стабилизации аппарата и точных операциях (возвращение ступеней, стыковка на орбите).

Основные характеристики ракетных двигателей и что они значат

• Тяга — самая важная характеристика любого двигателя, на которую прежде всего стоит обращать внимание. Измеряется в «кН». Тяга — это кинетическая энергия вырывающегося из сопла топлива, звучит сложно, но на самом деле все гораздо проще. Чем больше тяга, тем больший импульс получает ракета и тем сильнее она начинает ускоряться. Обычно тяга напрямую связана с величиной расхода топлива. Тяга в вакууме и в атмосфере может существенно отличаться. Отдельные модели двигателей лучше работают в вакууме, другие — в атмосфере.
• Диапазон отклонения — угол отклонения вектора тяги. Отвечает за маневрирование в течении полета. Обычное значение диапазона отклонения 1-2 градуса от вертикали. Этого достаточно, чтобы корректировать орбиту при наборе высоты и набирать высоты орбиты.
• Удельный импульс — величина, дающая представление о том, какая тяга возникает в двигателе при сжигании одного килограмма топлива. Если выразиться грубо, то удельный импульс — это КПД ракетного двигателя.
• Ударная прочность — малозначимый для Вас, как для ракетного инженера показатель. Ракеты мало предназначены для забивания ими гвоздей или чего-то вроде того.
• Максимальные нагрузки — значение максимальных динамических нагрузок, которые может воспринять деталь. Величина динамических нагрузок зависит от плотности воздуха, угла наклона и скорости полета. Головной обтекатель при наборе высоты воспринимают гораздо большие нагрузки, чем хвостовой стабилизатор. На больших высотах и при серьезном наклоне — наоборот.
• Максимальная температура — трение воздуха о ракету может стать одним из ключевых ограничений для вас. Этот фактор ограничивает не только максимально возможное ускорение и скорость, но параметры возвращаемых элементов. К примеру, космический корабль надо непременно прикрыть тепловым щитом.
• Расход топлива/окислителя — один из факторов, определяющих время работы двигателя. С увеличением тяги растет и расход пары топливо/окислитель. В этом параметре стоит учитывать, что ракете с течением полета необходима все меньшая тяга, чтобы продолжать набор скорости. Сгорающее топливо и отделяемые части облегчают ракету. В таких ситуациях необходимо решить, какую задачу вы хотите решить: получить относительно невысокий импульс при высоком времени работы или придать кораблю большой импульс за короткое время.
• Расход электроэнергии — научное оборудование, системы связи, управления и жизнеобеспечения потребляют электроэнергию. Именно запас электроэнергии или мощность ее выработки во многом определяют, как долго вы сможете выполнять миссию. Доставка больших и тяжелых аккумуляторов на орбиту вовсе не обязательно. Во многих случая разумнее доставить солнечные панели или отправить РИТЭГ (радиоизотопный термоэлектрический генератор).

Топливные баки

Топливные баки предназначены для хранения окислителя и топлива, которое сжигается в двигателе. В случае твердотопливных двигателей , все компоненты уже заложены в ступени. В случае жидкостных — необходимо взять топливо отдельно. Баки могут отличаться по форме, диаметру адаптера и типу топлива. По типу нагрузки:

Топливо и окислитель — несет в себе компоненты для жидкостных двигателей. Основные характеристики — количество топлива и окислителя.Ксенон — топливо для ионных двигателей.Монотопливо — топливо для двигателей Распределенной Системы Управления (РСУ).Котейнеры — специальные контейнеры для сбора ресурсов и всего прочего, что вы найдете на орбите.

Ориентация и управление

• Гиродин — специальное устройство, позволяющее в автоматическом режиме стабилизировать полет ракеты/аппарата. Обязателен к установке в не пилотируемых запусках и пилотируемых, когда на борту нет кребонавта со специализацией пилота.
• Двигатели РСУ — распределенная система управления (РСУ) представляет собой набор монотопливных двигателей, позволяющих корректировать и стабилизировать полет. Особенно важны двигатели РСУ в тех ситуациях, когда необходима высокая точность: стыковка, развороты и прочее.

Структурные элементы

Многие детали ракеты несовместимы друг с другом. Чтобы иметь возможность применять все типы узлов и агрегатов, надо использовать всевозможные структурные элементы.

• Адаптеры — позволяют соединять элементы разных диаметров. Космический корабль, топливные баки разных размеров, осуществить плавный переход между ступенями.
• Фюзеляжи — оболочка, внутри которой как правило располагается ПУСТОТА. Используется в тех ситуациях, когда нужно добавить габаритов ракете.
• Стойки, крепления, балки, соединители и прочее — сюда относятся все виды вспомогательных конструкций: балки, распорки, стойки, пилоны и узлы подвески.

Соединение и разделение

• Стыковочные узлы — специальная штука, которая позволяет соединять на орбите два и более корабля/блока. Конечно, при условии, если стыковочный узел установлен на обоих кораблях.
• Шлюзы — их используют для выхода в открытый космос. Шлюзы позволяют не разгерметизировать всю станцию/корабль перед выходов в космос.
• Отделители — очевидно, отделяют ступени ракеты друг от друга. Отделители бывают поперечные и продольные. Поперечные используют, когда ступени располагаются друг под другом. Продольные — когда ступень присоединена сбоку.
• Пирокольцо — используется чтобы отделить элементы корабля (жилой блок, шлюз и пр.) от основной части. Пирокольцо легче отделителя и придает отделяемому элементу небольшой импульс, чтобы избежать столкновения с ним.

Грузовые модули

• Обтекатели — их используют, чтобы защитить полезную нагрузку (спутники, блок или спускаемый аппарат) от трения об атмосферу. Также помогает сэкономить топливо, снижая аэродинамическое сопротивление ракеты.
• Служебные, грузовые отсеки — их располагают ниже основной полезной нагрузки. Внутри грузового или служебного отсека можно разместить: аккумуляторы, солнечные панели, научное оборудование, дополнительные запасы воздух и все, что душе угодно (и то, что переживет пребывание в открытом космосе).

Аэродинамика

• Стабилизаторы — применяются, чтобы компенсировать вращение и неравномерное давление воздух на ракету при старте. Желательно располагать в нижней части ракеты.
• Крылья и прочее — для возвращаемых челноков используют множество аэродинамических элементов: крылья, стабилизаторы, кили, аэротормозы и прочее. Это уже продвинутый уровень, поэтому в них мы разберемся позднее.

Шасси и опоры

• Колеса и шасси — применяют для челноков и самолетов. Относится к продвинутому уровню, разберемся с этим позднее.
• Посадочные опоры — они необходимы, чтобы мягко посадить спускаемый аппарат или ступень ракеты (если вы пытаетесь создать многоразовую ракету-носитель.

Термодинамика

• Тепловой щит — при возвращении в атмосферы корабль будет испытывать сильнейшее трение об воздух. Чтобы не поджарить кербонавтов, защищайте возвращаемую капсулу тепловым щитом.
• Терморегуляция — отводить тепло в космосе крайне затруднительно. Сказывается отсутствие сколько-нибудь плотной атмосферы. Если полет аппарата будет проходить вблизи звезды или вы используете ядерный ракетный двигатель, озаботьтесь установкой тепло отводящих панелей.

Электрооборудование

• Аккумуляторы — все элементы ракеты и космического корабля расходуют энергию. Чтобы не остаться с носом в тени звезды или вдали от нее, помимо фотоэлектрических панелей необходимо установить аккумуляторы. От запаса электроэнергии напрямую зависит продолжительность миссии.
• РИТЭГ — радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ) согрет и снабдит электроэнергией ваш аппарат в любой даже самой далекой точке космоса. РИТЭГ не очень полезен для кербонавтов, громко взрывается и генерирует ограниченное количество электроэнергии. Устанавливая РИТЭГ, убедитесь, что его мощности вам будет достаточно.
• Фотоэлектрические панели — используются для преобразования света звезды в электроэнергии. Идеально подходят спутникам и для миссий недалеко от звезды. Когда речь заходит о пилотируемых полетах, лучше расположить панели и аккумуляторы в отстыковываемом служебном отсеке.
• Топливные элементы — топливные элементы преобразуют остатки топлива и окислителя в ваших баках в электроэнергию. Топливные элементы могут стать отличным решением для энергоемких миссий или миссий вдалеке от светила.

Коммуникация

• Антенна/Ретранслятор — для поддержания связи с Кербином, передачи научных данных или управления не пилотируемыми полетами аппарат должен располагать мощными средствами передачи. Антенны плохо переживают высокие перегрузки и трение, поэтому лучше прятать их под обтекатель или в служебный отсек.

Вспомогательные элементы

• Система аварийного спасения (САС) — если вы не уверены, что ракета доберется до орбиты целиком, то установите над космическим кораблем систему аварийного спасения (САС). САС — это небольшая мачта, на которой закреплен ракетный двигатель. Для использования САС стоит написать отдельный сценарий и привязать его к горячей клавише. При создании сценария следите за тем, чтобы Космический корабль отстыковался от остальной ракеты при запуске САС.
• Парашюты — возвращение кербонавтов и материальных ценностей с орбиты очень непростое дело. Начальное торможение можно осуществить за счет силы трения, потом в дело идут тормозные парашюты и лишь в самом конце — основной парашют. При подборе парашюта следите за тем, чтобы он соответствовал массе возвращаемой части.

В этом гайде мы рассмотрели все самые важные детали будущей ракеты и космического корабля. В следующих гайдах мы рассмотрим интерфейс и построим первую ракету. Ну,а пока что советую вам прочесть вводный гайд