En gang imellem besøger Flemming Nyboe hangaren på Refshaleøen, men typisk arbejder han på styringsprogrammet derhjemme i de sene aftentimer. (Foto: Copenhagen Suborbitals)
Simpelt computerspil træner dansk raket til at finde rette kurs
I de sene aftentimer skaber elektronikudvikler Flemming Nyboe det computerspil, der skal holde den danske rumraket på rette kurs. Det er en kamp med Newton, motorformler og aerodynamik på den ene side og vindstød, tyngdepunkter og lydmuren på den anden.
Sapphire-raket med styrefinner af kobber før statisk test. (Foto: Thomas Pedersen)
Multimedia
Galleri:
Se raketbyggernes styrefinner klare test
Video:
Se styrefinner blive udsat for jetstråle på 3000 kelvin
Tema
Læs også
-
Fremskridt i raketværkstedet: På vej med kæmperaket med styrefinner
Læs mere om
Elektronikudvikler Flemming Nyboe er for alvor gået i gang med at spille computerspil om aftenen. Men det er hverken 'Battle Field' eller 'Warcraft', men derimod et simuleringsprogram, hvor det gælder om at sende en raket op i luften og få den til at ramme samme sted, som den startede.
Programmet er under udvikling af Flemming Nyboe selv og bliver hele tiden finpudset med det formål at ende som styringsprogram i toppen på to styks Sapphire-raketter med en længde på 4,5 meter, der skal sendes 10 til 12 kilometers op til efteråret.
»Snart begynder jeg at påvirke raketten i programmet med vindstød, hurtigere rotation, ændret kammertryk – ja, måske endda en ødelagt styrefinne. Og så er planen at blive bedre og bedre til at ramme affyringsplatformen. Når raketten bliver ved med at ramme plet hver gang trods alle mulige påvirkninger, så er reguleringsprogrammet klar,« siger Flemming Nyboe alias GUIDO, hvilket er ‘Nasa-speak’ for den person i Mission Control, der står for styring.
Styringsprogrammet er helt afgørende for, at de danske raketbyggere Copenhagen Suborbitals (CS) kan nå deres mål om at skyde en bemandet raket ud i rummet. Sidste års test i Østersøen viste nemlig, at finner på ydersiden ikke holder retningen præcist nok. Derfor laver de nu en selvstyrende raket.
Genbruger system fra rumskib
Testen 3. juni 2011 viste, at raketbyggernes navigationssystem med tilhørende IMU fra Analog Devices og en ARM7-mikroprocessor, der sad i næsen af rumskibet Tycho Brahe, virkede over al forventning. IMU’en, der består af tre accelerometre og tre gyroskoper, gav hele tiden data om rakettens position i luften, og sammen med en tryksensor leverede den data til mikroprocessoren om alt fra kammertryk til hastighed, position og højde.
Og rakettens egne data svarede meget præcist til de data, som teknikere fra radarvirksomheden Weibel fik om bord på Mission Control-skibet Hjortø.
Derfor genbruger CS nu det samlede navigationssystem fra Tycho Brahe i de nye Sapphire-raketter for at give styringsprogrammet data under flyveturen. På baggrund af data ved styringsprogrammet nøjagtig, hvor meget kraft der skal overføres til de fire styrefinner, der er placeret i jetstrålen under raketmotoren.
»Det er ren Newton«
Det afgørende er, at programmet omregner data til brugbare størrelser. En udfordring er for eksempel, at rakettens tyngdepunkt ændrer sig undervejs, når raketten bruger brændstof og bliver lettere. Men styringsprogrammet modtager hele tiden data om rakettens kammertryk, og ved at bruge formler om raketmotorers ydelser sammenholdt med data fra raketbyggernes statiske test kan programmet udregne rakettens vægt og og tyngdepunktet.
»Egentlig er det ren Newton. Det hele handler om at beregne kraft og påvirkning. Og alt sker i den her,« forklarer Flemming Nyboe og peger på en ARM 7-mikroprocessor, der ikke er større end en fingernegl.
Mikroprocessoren kører ikke noget styresystem, som eksempelvis Linux, men udelukkende et operativsystem, som Flemming Nyboe selv har skrevet.
205 gange i sekundet gentager styringsprogrammet samme sekvens, der groft sagt lyder:
Mikroprocessor: Hvor dælen er vi?
Navigation: Ups, vi er xx meter fra optimal position.
Mikroprocessor: Hvilken vej vender raketten?
Navigation: Vi vender XX grader.
Mikroprocessor: Hvor mange kilo har jeg slanket mig?
Tilstandsestimering: Du har tabt dig. Nu vejer du XX.
Mikroprocessor: Hvor er mit tyngdepunkt så nu?
Tilstandsestimering: Det har flyttet sig XX.
Mikroprocessor: Føler mig afkræftet. Hvordan er kammertrykket?
Tilstandsestimering: Kammertryk er XX.
Mikroprocessor til ror: Stille! Hør efter! Bevæg XX ror xx grader.
Mikroprocessor: Hvor dælen er vi?
Navigation: Åhh, ikke igen ... Vi er xx meter fra optimal position.
Osv. ...
Undervejs skal programmet også tage højde for faktorer som, at luften bliver tyndere, og raketten dermed bliver mindre selvstabiliserende. Samtidig ændrer aerodynamikken sig ved lydmuren, og endelig bliver det vigtigere at flyve lodret end at ramme den optimale kurs, når motoren er tæt på at brænde ud.
Men selv om udfordringen lyder enorm, er Flemming Nyboe fortrøstningsfuld. Raketten er nemlig ikke nødt til at ende nøjagtig på affyringsplatformen, men kan ramme hvor som helst i en radius af 14 kilometer fra sit udgangspunkt for at blive inden for det tilladte nedfaldsområde i Østersøen.
»Så længe vi bare lader styrefinnerne rette ganske langsomt op, så gør vi det meget nemmere for os selv. Altså i modsætning til missiler, der skal lave hidsige manøvrer for at spore et fly, der prøver at ryste dem af,« siger Flemming Nyboe.
Kobberfinner køler sig selv
Også i raketværkstedet er en prototype til det mekaniske styresystem allerede klar og er blevet testet. Systemet består af fire styrefinner i massivt kobber, der bliver styret af servoer, der bruges til meget store modelfly. Servoerne klarede en statisk test af Sapphire-raketten, og data fra testen viser, at styrefinnerne leverede et meget tilfredsstillende tryk på de sensorer, som raketten var ophængt i.
Temperaturmålinger af kobberfinnerne ved en tidligere test viste en temperaturstigning til 250 grader celsius på 12 sekunder. Med den hastighed, som temperaturen stiger, vil kobberet nå de kritiske 1050 grader celsius efter 48 sekunder. Og det er faktisk ganske fornuftigt, da Sapphire-raketterne vil få burn-out langt tidligere end 48 sekunder.
Det er værd at bemærke, at kobber har et lavere smeltepunkt end jern, men alligevel er at foretrække.
»Havde man lavet styrefinnerne af jern, så havde de opført sig som en isterning, der bliver angrebet med en flammekaster,« siger Flemming Nyboe.
Men fordi kobber er ekstremt varmeledende, så vil det inderste af den massive styrefinne køle ydersiden, indtil temperaturen af hele blokken når smeltepunktet. Når det sker, vil det hele forsvinde på et kort øjeblik.
På den næste store raket, Heat 2X, vil styrefinnerne blive langt større end på Sapphire, og dermed vil kobberfinnen formentlig klare sig i længere tid, så raketbyggerne er overbevist om, at de har fundet det rigtige materiale, der ikke behøver ekstern køling.
Læs også: Mr. GUIDO i Q&A: Måske låser vi rorene ved alvorlig fejl
