В городском лагере на каникулах или даже на занятиях в кружке можно предложить ученикам смоделировать и построить ракету — и такое занятие станет их первым шагом в космическую инженерию. Создатели Летней инженерно-космической школы Г.Р.И.М., которая традиционно проводится в июне в Школе №67 для учеников 6-7 классов, поделились с нами своими подходами к тому, как заинтересовать школьников космосом. Сделать это можно, например, проводя занятия по моделированию ракет и их полетов в специальных программах – в такой как OpenRocket. Как построить этот урок, рассказывает Надежда Григорович, заместитель директора Школы № 67.
Участники Летней инженерно-космической школы Г.Р.И.М. Фото из архива школы
О программе OpenRocket
OpenRocket — это бесплатный симулятор моделирования ракет, который позволяет проектировать и моделировать ракеты перед их постройкой и запуском. Скачать его можно с официального сайта.
OpenRocket предназначен для ракетостроителей, которые хотят проверить характеристики модели ракеты перед ее фактической сборкой и запуском. Программа точно рассчитывает аэродинамические свойства ракет и моделирует их полёт, выдавая широкий спектр технических результатов.
Программу можно условно разделить на две части:
Проектирование ракеты
На этом этапе мы проектируем модель ракеты, выбирая из спектра компонентов: корпус; стабилизаторы; обтекатель; внутренние компоненты (весовой компонент) и двигатель.
В этот момент можно увидеть двухмерное изображение строящейся ракеты и различную техническую информацию, такую как размер, масса, апогей, максимальная скорость, максимальное ускорение, устойчивость, центр тяжести (ЦТ) и центр давления (ЦД). Это позволяет получить представление о характеристиках еще до запуска каких-либо симуляций.
Моделирование полета
На этом этапе можно запустить одну или несколько симуляций полета ракеты, выбрав одну или несколько конфигураций двигателей. Каждая симуляция возвращает широкий спектр данных о полете ракеты. К сожалению, графическая визуализация полета ракеты сейчас в программе недоступна.
OpenRocket предназначен для ракетостроителей, которые хотят проверить характеристики модели ракеты перед ее фактической сборкой и запуском. Программа точно рассчитывает аэродинамические свойства ракет и моделирует их полёт, выдавая широкий спектр технических результатов.
Программу можно условно разделить на две части:
Проектирование ракеты
На этом этапе мы проектируем модель ракеты, выбирая из спектра компонентов: корпус; стабилизаторы; обтекатель; внутренние компоненты (весовой компонент) и двигатель.
В этот момент можно увидеть двухмерное изображение строящейся ракеты и различную техническую информацию, такую как размер, масса, апогей, максимальная скорость, максимальное ускорение, устойчивость, центр тяжести (ЦТ) и центр давления (ЦД). Это позволяет получить представление о характеристиках еще до запуска каких-либо симуляций.
Моделирование полета
На этом этапе можно запустить одну или несколько симуляций полета ракеты, выбрав одну или несколько конфигураций двигателей. Каждая симуляция возвращает широкий спектр данных о полете ракеты. К сожалению, графическая визуализация полета ракеты сейчас в программе недоступна.
Занятие «Еще мы делаем ракеты…»
Итак, мы решили провести занятие по моделированию ракеты. Для этого нужны компьютер с предустановленной программой OpenRocket и электронная доска.
На первом этапе мы предлагаем просто познакомить учеников с тем, из каких частей ракета состоит, а также рассказать им про такие понятия как стабильность полета, центр масс и центр давления. Эту теорию вы можете самостоятельно посмотреть в интернете.
После теоретического знакомства с устройством ракеты необходимо показать ребятам технологию моделирования в программе OpenRocket – интерфейс, основные функции – и пошагово показать сам процесс моделирования. Предварительно вы, конечно, должны ознакомиться с программой самостоятельно.
На втором этапе начинается непосредственная практическая работа самих учеников. Самостоятельно познакомившись с интерфейсом программного обеспечения, ребята должны затем смоделировать учебную ракету и произвести ее запуск в симуляторе. Вы можете задать им определенные условия: например, добиться стабильности в пределах от 1,4 до 2 калибров.
Ученики создают первую версию модели, проверяют у нее положение центра тяжести и центра давления, а также проверяют получившуюся стабильность. Затем запускают ее в симуляторе, проводят отладку и корректируют модель, затем проводят второй запуск в симуляторе, при необходимости проводят еще одну отладку – и так до момента, пока запуск не пройдет успешно.
На первом этапе мы предлагаем просто познакомить учеников с тем, из каких частей ракета состоит, а также рассказать им про такие понятия как стабильность полета, центр масс и центр давления. Эту теорию вы можете самостоятельно посмотреть в интернете.
После теоретического знакомства с устройством ракеты необходимо показать ребятам технологию моделирования в программе OpenRocket – интерфейс, основные функции – и пошагово показать сам процесс моделирования. Предварительно вы, конечно, должны ознакомиться с программой самостоятельно.
На втором этапе начинается непосредственная практическая работа самих учеников. Самостоятельно познакомившись с интерфейсом программного обеспечения, ребята должны затем смоделировать учебную ракету и произвести ее запуск в симуляторе. Вы можете задать им определенные условия: например, добиться стабильности в пределах от 1,4 до 2 калибров.
Ученики создают первую версию модели, проверяют у нее положение центра тяжести и центра давления, а также проверяют получившуюся стабильность. Затем запускают ее в симуляторе, проводят отладку и корректируют модель, затем проводят второй запуск в симуляторе, при необходимости проводят еще одну отладку – и так до момента, пока запуск не пройдет успешно.
Рефлексия
После успешного запуска необходимо обсудить с учениками, как прошли их моделирование и симуляции. Вот пара вопросов, которые можно задать:
– Сколько итераций изменений вам потребовалось? Что бы вы делали по-другому, проектируя новую ракету? Данный вопрос поможет определить, каким образом учащиеся связывают реальную модель и реальный прототип и помогают выявить характеристики, влияющие на модель.
– В каких еще отраслях используется принцип стабильности/устойчивости? Данный вопрос помогает выделить, какие физические величины играют роль в определении стабильности, обозначить их взаимодействие, и дает возможность перенести эту модель на другие отрасли.
– Сколько итераций изменений вам потребовалось? Что бы вы делали по-другому, проектируя новую ракету? Данный вопрос поможет определить, каким образом учащиеся связывают реальную модель и реальный прототип и помогают выявить характеристики, влияющие на модель.
– В каких еще отраслях используется принцип стабильности/устойчивости? Данный вопрос помогает выделить, какие физические величины играют роль в определении стабильности, обозначить их взаимодействие, и дает возможность перенести эту модель на другие отрасли.
Лизавета Курапина, методист Кружкового движения:
Данное занятие хорошо показывает жизненный цикл работы с инженерным проектом от знакомства с принципами его работы до проектирования и проведения испытаний. Проведение расчетов в специальном симуляторе позволяет учащимся проще познакомиться с несколькими физическими величинами, а также пронаблюдать в моделируемых расчетах, как от их воздействий на определенные параметры ракеты изменяются ее характеристики.
Само по себе занятие может проводиться и на летней школе, и в кружке: можно даже провести небольшое соревнование по симуляционным полетам, которое покажет, кто смог применить полученные знания и реализовать модель ракеты лучше.
Также занятие может являться частью целого модуля по знакомству с ракетостроением, и после проведения теоретических расчетов учащимся могут предлагаться наборы для сборки гидропневматической ракеты. Тогда учащиеся проделывают, помимо теоретических расчетов еще и сборку ракеты, и потом дорабатывают свою модель в программе с учетом итогов сборки и сверки характеристик с расчетной моделью. Следует еще один цикл испытаний в симуляторе, и если все прошло успешно, ракета допускается до реальных испытаний (запусков).
Занятие помогает педагогам разобраться в теме моделирования реальных процессов и отрефлексировать с учениками их опыт в этой области.
Окно проектирования ракеты в OpenRocket
Интерфейс программы интуитивно понятен. Обычно сборка ракеты начинается с выбора головного обтекателя. При нажатии на соответствующую кнопку перед вами открывается окно конфигурации этого элемента.
В выпадающем списке параметров можно выбрать необходимые характеристики формы, размеров, материала и т.д.
По аналогии происходит сборка и всех остальных компонентов: корпусной трубы, стабилизаторов, парашюта, полезной нагрузки, двигателя.
В выпадающем списке параметров можно выбрать необходимые характеристики формы, размеров, материала и т.д.
По аналогии происходит сборка и всех остальных компонентов: корпусной трубы, стабилизаторов, парашюта, полезной нагрузки, двигателя.
Рисунок 1. Схема модели ракеты в программе OpenRocket
На рабочем поле отображаются основные характеристики модели: размеры, масса, центр тяжести (ЦТ), центр давления (ЦД), стабильность, максимальная высота полета, максимальная скорость и максимальное ускорение.
Также есть возможность получить 3D-изображение ракеты в разных ракурсах:
Также есть возможность получить 3D-изображение ракеты в разных ракурсах:
Рисунок 2. Модель ракеты в черновом виде в программе OpenRocket
Моделирование полета
Когда модель ракеты готова, можно приступить к моделированию полета.
К сожалению, на данный момент в программе OpenRocket нет графической визуализации полета ракеты, но можно построить графики по разным параметрам, что тоже будет выглядеть достаточно наглядно.
Для этого надо перейти во вкладку «Моделирование полета».
Надо обратить внимание на то, что OpenRocket имитирует полет идеальной ракеты в идеальном виртуальном мире: это модель того, как ракета взаимодействует с физическими законами реального мира. Как модель она полезна, но несовершенна. Симуляция в OpenRocket может отличаться от реальности по многим причинам, например
● местная плотность воздуха на момент запуска (зависит от местной температуры и атмосферного давления);
● несоответствие скорости и направления местного ветра, а также порывов ветра, заданных в симуляции;
● изменение скорости ветра на высоте или смещение ветра во время полета;
● несоответствие модели, заданной в симуляции, реальной модели.
Когда модель ракеты готова, можно приступить к моделированию полета.
К сожалению, на данный момент в программе OpenRocket нет графической визуализации полета ракеты, но можно построить графики по разным параметрам, что тоже будет выглядеть достаточно наглядно.
Для этого надо перейти во вкладку «Моделирование полета».
Надо обратить внимание на то, что OpenRocket имитирует полет идеальной ракеты в идеальном виртуальном мире: это модель того, как ракета взаимодействует с физическими законами реального мира. Как модель она полезна, но несовершенна. Симуляция в OpenRocket может отличаться от реальности по многим причинам, например
● местная плотность воздуха на момент запуска (зависит от местной температуры и атмосферного давления);
● несоответствие скорости и направления местного ветра, а также порывов ветра, заданных в симуляции;
● изменение скорости ветра на высоте или смещение ветра во время полета;
● несоответствие модели, заданной в симуляции, реальной модели.
Рисунок 3. Графики симуляции полета модели ракеты в программе OpenRocket
Если вы вносите изменения в параметры вашей модели ракеты, то каждый раз заново проводите симуляцию полета и строите новый график. Таким образом можно подобрать оптимальные характеристики, а также можно проследить закономерности зависимости параметров полета от тех или иных характеристик ракеты.
Летней инженерно-космической школы Г.Р.И.М. Фото из архива школы
Школа Г.Р.И.М.
В программу Г.Р.И.М. включены и теория (математика, физика, астрономия,), и практика (ракетостроение, знакомство с БПЛА, программирование, 3D-моделирование, робототехника). Наставники устраивают экскурсии в музей космонавтики, Институт Космических Исследований РАН, планетарий, Музей авиации в Монино и, конечно, выезд за город на запуски моделей ракет. Участников школы с их ракетными и другими космическими проектами можно увидеть среди победителей Всероссийской олимпиады школьников по физике и робототехнике, НТО «спутниковые системы», вузовские олимпиады (МГТУ им. Баумана, МФТИ, Высшая проба, МИФИ), олимпиада «Ломоносов», «Инженеры будущего» («Интеллектуальные помощники и чат-боты», «Аэрокосмические системы. Беспилотные и пилотируемые летательные аппараты»), Ракетостроительного чемпионата «Реактивное движение» и другие.
«Летняя школа у нас работает как ознакомительный этап, — говорит Григорий Корсиков, наставник Летней инженерно-космической школы. — Ребята приходят посмотреть, чем вообще можно заниматься технически. Мы не просто рассказываем, как устроена ракета. Сначала нужно понять принцип: что такое центр масс, почему важны стабилизаторы. Потом ребята моделируют свою ракету в программе, запускают ее в симуляторе, смотрят, что получилось, что пошло не так, и дорабатывают. И если после этого кто-то говорит: „Хочу дальше, хочу в кружок, хочу на Ракетостроительный чемпионат“, значит, все получилось».