Vodní rakety nad Valašskem

Píše se 15. říjen 2010. Raketa Kamikadze 31 je připravena na rampě. První start opravdové vodní rakety na vsetínské hvězdárně se blíží. Dřívější pokusy s prototypy těchto podivných strojů slibují, že Kamikadze 31 by mohla dosáhnout očekávaných letových parametrů. Raketu tlakuji na 6 barů a z bezpečné vzdálenosti uvolňuji startovací pojistku. Raketa letí vzhůru. Možná 40 metrů. To jsem nečekal. Stabilizace funguje. Raketa se obrací a letí volným pádem k zemi. Pokus byl úspěšný. Vodně-raketové nebe nad hvězdárnou je otevřeno!

Obr. 1: První vyrobené vodní rakety: Kamikadze 31, Atlantis a Goliáš.

Obr. 2: První funkční řešení trysek našich vodních raket.

Obr. 3: Vodní raketa Ňufi 1T na padáku.

Obr. 4: Start rakety Ňufi 2T.

Obr. 5: Let rakety Ňufi 3T.

Obr. 6: Okno rozbité natlakovanou letící petláhví.

Obr. 7: Logo PRDA (Petko Raketové Dobývání Atmosféry).

Obr. 8: "Čerstvě" dokončená raketa Vítek 1.

Obr. 9: Předstartovní přípravy rakety Vítek 1T.

Obr. 10: Plánované a postupně uskutečňované typy vodních raket.

Je to už půl roku, co jsme na hvězdárně začali stavět vodní rakety. Stroje jednoduché konstrukce poháněné stlačeným vzduchem a vodou. Vodní rakety lidé příliš neznají, a pokud ano, tak jako hračku pro děti. A jako s hračkou pro mladé členy našeho astronomického kroužku jsme s vodními raketami začali také my.
V principu stačí vzít obyčejnou plastovou petláhev, nalít do ní asi třetinu vody a natlakovat pumpičkou vzduch přes odvrtanou korkovou zátku. Vzrůstající tlak v nečekaný okamžik uvolní korkový špunt, raketa pak letí vzhůru jako klasické chemické rakety, tedy na známém principu akce a reakce. Tryskou vodní rakety je prostý otvor v hrdle petláhve. Takto začínal asi každý vodní raketýr. Ovšem stabilita těchto podivných strojů není dobrá, chybí možnost kontroly startu na povel, výstupní tryska je příliš široká. Nezbývá než začít stavět opravdovou vodní raketu s parametry odpovídajícími jejím možnostem. Takto vznikla výše popisovaná raketa Kamikadze 31. Výroba trysky odpovídajícího průřezu, stabilizace, start na povel - to byly první požadavky na nový stroj. Postupně jsme nároky zvyšovali. Výroba návratového systému s padákem a časováním výmetu padáku, spojování více petlahví do větších celků atd. Zatím poslední „zalétaná“ vodní raketa je opatřena pomocnými motory neboli boostery, které se separují od centrálního stupně v průběhu letu. Raketa je vybavena elektronickým časovačem pro výmet padáku, minikamerou pro záznam letu, novými tryskami s těsnícími o-kroužky. Současná vypouštěcí rampa disponuje systémem rozdělení tlaku do čtyř motorů, automatickým nebo ručním přerušením startu s odtlakováním všech stupňů, vodící tyčí, pohyblivými úchyty na boostery atd. Než jsme ale dosáhli tohoto stupně ve vývoji, uteklo v řece Bečvě mnoho paliva, tedy vody :-)

První generace raket

Mezi opravdu použitelné vodní rakety můžeme řadit stroje pojmenované Kamikadze 31, Atlantis a Goliáš, viz obrázek číslo 1. Šlo o vodní rakety vyrobené z jedné petláhve o obsahu 1,5 nebo 2 litry. Stabilizace při startu se realizovala pomocí metrové vodící tyče. V průběhu letu byly tyto stroje stabilizovány závažím umístěným na špici a třemi křidýlky nalepenými u paty rakety v rozteči 120 stupňů. Rakety jsme postupně tlakovali až na 7,5 barů. Maximální dosažená výška byla přibližně 55 metrů u 1,5 litrových verzí nebo 60 metrů u dvoulitrového Goliáše. První startovací polygon byl zvolen v areálu hvězdárny. Brzy se ale ukázalo, že naše zahrada je pro účely letů vodních raket příliš malá. Museli jsme proto „ustoupit civilizaci“ a vydali jsme se na louky nad hvězdárnou. Zde jsme nalezli rozlehlé, prázdné a tedy bezpečné prostory pro všechny plánované lety.
Patrně největším oříškem při konstrukci zmiňovaných raket bylo řešení trysky a způsobu tlakování raket. Jak vidíte na obrázku číslo 2, tryska je vyrobena ze silné gumy, v níž je vyvrtán otvor o průměru 7 mm. Tato guma se vloží do hrdla petláhve a pojistí se odvrtaným vrškem. Tlakování se provádí cyklistickou pumpou s manometrem přes ventilek, který těsní v díře gumové trysky. Start na povel je řešen pomocí vidlice zapírající se o límec, který má každá petláhev nad svým hrdlem. K této vidlici je uvázán provázek, kterým se tato startovací pojistka vytrhne v okamžiku plánovaného startu rakety. Pro první lety velmi dobře použitelný systém.

Lety na padáku a s kamerou na palubě

Již po několika dnech nám bylo jasné, že lety raket bez návratového systému jsou sice efektní, ale můžou být i nebezpečné. Naštěstí jsme si tuto myšlenku nestihli ověřit v praxi. Navíc raketa vybavená časovačem pro vypuštění padáku je i divácky přitažlivější. Z kusu petláhve se stává „živý stroj“. První časovač pro výmet padáku byl vyroben z mechanického strojku, který se používá v některých hračkách. Za oběť padla žirafa, oblíbená hračka mého psa Ňufiho. Při pohledu do jeho smutných očí sledujících, jak mu likviduji jeho oblíbenou hračku, slíbil jsem mému pejskovi, že rakety vybavené tímto časovačem pojmenuji po něm. Vznikla tak první raketa s označením Ňufi, tedy Ňufi 1. Teprve však v modernizované verzi Ňufi 1T dosahoval tento stroj slušné úspěšnosti startů a přistání na padáku, viz obrázek 3. Poslední letová verze měla označení Ňufi 1TM. Tato raketa byla vybavena pouzdrem pro minikameru zaznamenávající průběh letu. Dne 26. října, tedy pouhých 11 dnů od prvního vypuštění rakety Kamikadze 31, proběhl první start s kamerou na palubě. Jeden z prvních startů s kamerou na palubě si můžete prohlédnout na videu číslo 1. Případně se můžete pokochat pohledem na záznam pořízený ze země, viz video 2.


Video 1


Video 2

Druhá generace raket

Povzbuzen úspěchy Ňufiho 1TM, rozhodl jsem se pro konstrukci větší rakety, dvoupetkové. Zásadní problém spočíval ve spojení dvou jedenapůllitrových petláhví v jeden celek. Pomohl klasický šroub s odvrtanou dírou v ose a matice. Tímto šroubem s maticí jsem spojoval dno petláhve, do kterého byla vyvrtaná díra, s vrškem, do něhož byla vešroubována další petflaška. Při použití dvou petek, každé o objemu 1,5 litru, vznikla raketa s třílitrovým obsahem. Dostala název Ňufi 2. Došlo i ke změně startovací základny. Louky nad hvězdárnou už nestačily, přesunuli jsme se proto na modelářské letiště v Janové. První lety nebyly příliš úspěšné. Raketa startovala dost neochotně, dosažená výška neodpovídala představám. Na vině bylo závaží, které jsem příliš předimenzoval. Po vyladění hmotnosti závaží a uskutečnění některých dalších změn, vznikla modernizovaná verze Ňufi 2T, viz obrázek číslo 4. Samozřejmostí byl časovač s padákem a pouzdro pro kameru na palubě. Dne 8. listopadu proběhl let s kamerou. Záznam letu ze země i z paluby si můžete prohlédnout na videu č. 3 a videu 4. Dosažená výška rakety byla cca 74 metrů. Pro výpočet výšky používáme simulátor dostupný na http://cjh.polyplex.org/rockets/simulation/. K ověření výpočtu jsme jednou použili laserový dálkoměr a v současné době hlavně záznamy z kamery umístěné na palubě raket. Ňufi 2 ve všech verzích patřil k naším nejúspěšnějším raketám. Jediný „kreš“ při zaseklém strojku časovače snižuje úspěšnost jeho letů pod 100 %.


Video 3


Video 4

Třetí generace raket

Kdo si myslí, že následný stroj další generace bude třípetkový, typuje správně. Původní Ňufi 2T se po přidání další petky o obsahu 1,5 litru změnil na raketu s označením Ňufi 3. Kdo by čekal, že tentokrát bude vše vychytané a bez problémů, typuje špatně. Pouhé přidání jedné petláhve a úprava závaží na hlavici, způsobily nové problémy projevující se při letu této rakety. Na tak velkou raketu byl tah sedmimilimetrové trysky již příliš malý a stroj proto nedosáhl dostatečné akcelerace a z toho vyplývající stability po startu. Zvětšením průměru trysky ze 7 na 9 mm jsme zvýšili tah z 50 N na 85 N. Dosažená výška rakety se zastavila nad hranicí 90 metrů a stabilita rakety se také zlepšila. Rádi bychom s tímto strojem „dobyli“ raketový vesmír, který začíná od 100 metrů výše. Pro tento účel jsme startovací rampu vybavili jakýmsi pístem, což je dutá trubka, umístěná do trysky rakety. Tato trubice brání v úniku velkého množství vody v prvních okamžicích po startu, kdy je spotřeba tohoto „paliva“ největší. Vnitřkem duté trubky je raketa tlakována před startem. Ušetřená voda při startu pak pomáhá raketě k zvětšení celkového dostupu, tedy výšky. Po této úpravě dostal Ňufi nové označení 3T, viz obrázek číslo 5. V této konfiguraci bylo ještě před koncem roku 2010 dosaženo výšky přes 100 metrů. Ovšem takto vylepšená raketa byla v prvních okamžicích startu náchylná na boční vítr. Došlo proto ke zvětšení startovací vodící tyče z jednometrové na dvoumetrovou. Poslední úpravou rakety bylo zvětšení plochy padáku, tedy jeho výměna + konstrukce nové hlavice určené pro nový typ padáku. Vzniklo proto označení rakety Ňufi 3TM. Po úspěšných testech došlo i k letu s kamerou na palubě, viz video číslo 5. A přirozeně nemůžou chybět ani záběry ze země, které dávám k dobru na videu číslo 6. S raketou Ňufi 3TM se, na rozdíl od předchozích strojů, počítá i v budoucích startech. Jde tedy o první stroj, který po výrobě svého nástupce neodešel do „důchodu“. Počítáme s ním jak s pokusným exemplářem pro ověřování mechaniky separací stupňů, případně jako s druhým kusem pro letové dny. Není vždycky dobré spoléhat se pouze na jedinou kartu – proto raději do Janové vozíme dvě rakety. V současné době má za sebou raketa jediný letový „kreš“, a to při utržení nového typu padáku v okamžiku jeho otevření. Padák byl dodatečně vybaven dvojicí šňůr spojujících raketu a gumovou brzdou zmenšující trhnutí vznikající při otevření padáku. Tento vylepšený padák dostal označení Komarov 2. Poslední katastrofa, která potkala Ňufiho 3TM se stala na rampě, kdy došlo k explozi prostředního segmentu (petláhve) rakety. Výbuchem byl zničen i spodní segment stroje, ale na výrobu nejpracnější hlavice vydržela. Oprava nebude velkým problémem. Do budoucna máme v plánu pro tento stroj vyrobit novou hlavici s elektronickým časováním. Půjde tedy o typové označení rakety Ňufi 3TMA.


Video 5


Video 6

PRDA

Počátkem roku, kdy nebylo možné pro nízké teploty létat, doléhají na vodní raketýry různé abstinenční příznaky. Já se trápil se svojí novou raketou Vítek 1 a novou rampou, kolega Petr Stolařík, bastlíc své první stroje, doma úspěšně rozstřelil okno (viz obrázek číslo 6). Při mrazivých večerech, kdy by rozumný raketýr vodní raketu do vzduchu nevyhnal, zrodil se nápad vytvořit vlastní logo a pojmenovat naši raketovou agenturu. Vznikla PRDA. Tedy Petko Raketové Dobývání Atmosféry. Logo vidíte na obrázku číslo 7. V současné době musí být každá raketa vybavena alespoň jedním logem PRDA. V opačném případě jde o jednoznačné separatistické tendence.

Čtvrtá generace raket

Zajímavostí je, že všechny předchozí typy raket od Kamikadze 31 až po Ňufi 3T (schopný dosáhnout výšky nad 100 metrů) jsme vyrobili v období od 15. října 2010 do 16. listopadu 2010. Tedy za pouhý měsíc! Co následovalo? Výroba nové rakety s oddělitelnými pomocnými motory (boostery), jejíž konstrukce nám zabrala téměř 2 měsíce! Přičemž spolehlivost nového stroje byla „vychytaná“ až po dalších dvou měsících nejrůznějších testů, letů a bohužel i „krešů“. Jak je vidět na obrázku číslo 8, jde o čtyřpetkovou raketu (4 x 1,5 litrů) s třemi pomocnými boostery (3 x 1,5 litrů), které pomáhají akceleraci stroje v první fázi letu. Tyto pomocné motory se odpojí od centrálního stupně ve chvíli, kdy skončí doba jejich motorového letu. Nová raketa nese označení Vítek 1. Stroj by měl být podle zavedené praxe pojmenován podle autora časovacího mechanismu padáku. Tím je spoluraketýr Petr Stolařík. Nakonec ale raketa dostala jméno podle Petrova syna, Vítka, nadšeného obdivovatele všeho raketového. Stroj Vítek 1 byl od počátku vybaven elektronickou hlavicí a zvětšeným padákem Komarov 1, později spolehlivějším typem Komarov 2. Pro tento typ rakety bylo nutné postavit novou startovací rampu. Její vývoj začal v polovině prosince 2010 a dokončena byla v lednu 2011. Součástí rampy je systém rozdělení tlaku do čtyřech motorů, dvoumetrová stabilizační tyč, posuvné startovací pozice pro boostery a univerzální nastavení pro rakety sestavené z 1,5 litrových nebo 2 litrových petláhví. Rampa je rovněž zkonstruována tak, aby bylo možné abortovat start rakety, tedy odtlakovat všechny stupně z bezpečné vzdálenosti, a to buď ručně nebo automaticky. Automatický abort je na první pohled velmi jednoduchý. Při porušení tlaku v jakémkoliv segmentu rakety nebo v rozvodu tlaku, dojde k samovolnému odtlakování celého stroje. Tedy u jednostupňové rakety bezproblémová záležitost. Nicméně v případě rakety s boostery musí dojít k odtlakování i všech pomocných raket. To znamená, že všechny stupně musí být spojené pomocí rozvodu tlaku umístěného v rampě a zároveň mezi stupni nesmí být žádná zpětná klapka běžně zabraňující průtoku vody do zmiňovaného rozvodu. Přestože v systému žádné zpětné klapky nejsou, k průtoku vody do rozvodu tlaku nesmí přesto dojít. Samostatnou kapitolou by byl popis konstrukce nových trysek. Rozloučili jsme se s gumovými tryskami a vysoustružili hliníkové, osazené těsnícími o-kroužky. Také tlakování raket se nyní děje z mnohem bezpečnější vzdálenosti, a to 5 metrů od místa startu.
Co se týká rakety samotné: ta má na výšku (včetně rampy) slušných 180 cm. Boostery jsou vybaveny vlastním padákem, centrální stupeň zmiňovanou elektronickou hlavicí a zvětšeným padákem typu Komarov. Každá z trysek u všech motorů má průměr 10 mm. Při plném natlakování poskytují úctyhodný tah 4 x 104 N. Ovšem první lety neprobíhaly vůbec ideálně. Po problémech se separací boosterů jsme řešili další, mnohem závažnější problémy s trháním padákových šňůr, případně selhání mechaniky otevírající padákovou sekci. Po prvních čtyřech letech jsme měli na kontě dva totální „kreše“. Raketu jsem v podstatě musel postavit 3x, z toho 2x téměř „od píky“! V současné době má letový kus ve své hlavici výkonnější elektromechaniku (snad) zaručující vymetení padáku. Padák, jak již bylo zmiňováno, byl nahrazen vyztuženým typem Komarov 2 s dvojnásobným jištěním, zesílenými šňůrami a gumovým brzdami. Raketa dostala označení Vítek 1T, viz obrázek číslo 9. Poslední série letů dopadly úspěšně, jak můžete zhlédnout na videu číslo 7. Na tlaku 7 barů bylo dosaženo letové výšky mezi 120 až 130 metry. Raketu ještě čeká ještě jeden zásadní let s plným natlakováním.


Video 7

Budoucnost

Jak vidíte na obrázku číslo 10, všechny generace raket jsem rozdělil do tří rodin. Program Ňufcury = jednostupňové rakety. Program Ňufini = jedenapůlstupňové rakety (osazené boostery). V současné chvíli máme splněnou polovinu programu Ňufini. Nakonec bude následovat program Ňufollo, tedy dvaapůlstupňové rakety. Mechaniku separací stupňů budeme testovat na zdokonalené raketě Ňufi 3TMA. Ovšem nejbližším krokem bude výroba rakety Vítek 2 (druhý stroj programu Ňufini). Již teď je zřejmé, že mimo zvětšení objemů boosterů a centrálního stupně, budeme patrně muset vyztužit centrální stupeň, zvětšit výkon tlakování, minimálně na 2 pumpy. A jsem si jist, že další překvapení nás čekají při prvních testech. V mnohem vzdálenějších úvahách je i laminace petláhví, použití kompresoru a jiných vymožeností.

Paralelní projekty

Nejsem sám, kdo v „PRDĚ“ vyrábí vodní rakety, i ostatní kolegové z astroklubu, případně astronomického kroužku vyrábějí své stroje. Proto se v závěrečné kapitole pokusím o souhrn všech raket, které jsou v současné době rozestavěné či letové. První práce kroužkařů byly rakety Atlantis a Goliáš, patřící do první generace raket. Šlo o jednopetkové rakety o obsahu 1,5 a 2 litry. Rakety byly vybaveny závažím na špici a stabilizačními křidélky. Oba kusy byly typu Kamikadze, tedy bez padáku. Tyto rakety létaly na podzim roku 2010 a jejich letové parametry jsou popsány v kapitole „První generace raket“. Dalším, tentokrát rozestavěným kusem členů astronomického kroužku je raketa Destiny. Třípetková jednostupňová raketa (3 x 2 litry), která je před dokončením, už jen čeká na osazení časovačem výmetu padáku.
Své rakety staví také kolega Petr Stolařík. V současné chvíli jsou ve fázi dokončení 3 typy. Třípetková jednostupňová raketa (3 x 2 litry), osmipetková jednostupňová raketa Štika (8 x 0,75 litrů) a toroidní třípetková raketa (3 x 2 litry). O zalétání a výkonech těchto raket budu dále informovat ve chvíli, kdy budou úspěšně otestovány v praktickém letu.

Novinky z posledních dnů

Dne 24. dubna proběhl na polygonu Janová raketový den tří raket. Jako první odstartovala raketa Vítek 1T. Na maximálním tlaku 7,5 baru bylo dosaženo rekordní výšky 160 metrů! Druhý let Vítka 1T proběhl na kombinaci vody a Jaru. Očekávaný „kouřový“ efekt nebyl bohužel tak silný, jak jsme čekali. Další raketou na startu byla Štika. Ta se ve své premiéře neodpoutala od rampy. Nicméně úpravy na rampě patrně nebudou zásadní. Posledním letovým kusem byl Goliáš s novou experimentální hlavicí Expo. Ta se ukázala jako dobré řešení pro menší typy raket. Tento letový den dokumentuje video číslo 8.


Video 8