Kære Læsere,
Dagens blog handler om noget så nørdet som at flytte raketbrændstof rundt i nogle rør og tanke.
Det kan godt være det ikke lyder ophidsende; men hvis man vil til Månen, kan emnet holde én vågen om natten, for det er faktisk meget vigtigt på en månetur - eller i det hele taget på rumrejse pr. raket.
De, der tog dén tur først, havde kun et meget lille samfund at finde svarene i. Det samfund var en lille søvnig by i Alabama ved navn Huntsville. Her boede i 60erne de tyskere, som amerikanerne fik som krigsbytte efter anden verdenskrig. Her brugte de dét, de havde lært, da de var Det tredje Riges fornemmeste våbensmede, til at bringe vor art til et andet himmellegeme. De var lærde folk - få steder i verden var ingeniørvidenskaben mere velanset end i det Tyskland, de kom fra, og få steder var de dygtigere teknikere. Meget - rigtigt meget - af deres arbejde foregik under et tæppe af "Strenges Geheimnis" og "Top Secret" - hvilket sætter snævre grænser for hvem, man kan spørge til råds, og hvor man kan hente informationer.
Set fra menneskehedens synspunkt er det fuldkommen gak. I et kontor lidt uden for Moskva sidder en anden raketingeniør, som måske har løst netop det problem, som tyskeren i Huntsville bokser med; men på grund af politik må de ikke hjælpe hinanden.
Jeg går ind for open source. Det andet der er altså skudt gennem hovedet.
Internettet er rigtigt effektivt til at ødelægge hele dette hemmelighedsbras og lære os værdien af internationalt samarbejde, tillid og gensidig hjælp.
Efter sidste test med TM65 sendte jeg spørgsmålet om helium- vs. nitrogen-tryksætning til behandling på "internettet"
Nærmere beskrevet på arocket, som er et forum primært for raketnørder med flydende brændstof i blodårene.
Kort og godt er summen af svarene, at det da er yndigt at være økoflipper og passe på sparsomme ressourcer som helium; men det vil give mange problemer at insistere på nitrogen som drivgas for LOX. Et andet sted på nettet, nemlig her på sitet, kom en venlig sjæl med en anden ide, som kan redde Madsens økoflip uden at sætte vores rakets performance og reproducerbarhed over styr. Det var såmænd bare den tanke at vi kunne lade være med at blæse He-gassen ud til fuglene efter et burn, men i stedet blæse den i en sæk, og fra denne sæk med vores kompressor banke den på flasker igen. Den vil naturligvis være forurenet med 02, men vores Bauer Junior kan tåle at køre med op til 40 % 02, og vi har grej til at måle O2-indholdet. Er det under 40, kan vi umiddelbart genvinde ædelgassen. Så er den bare en fjeder, vi bruger hver gang, vi tester.
På den facon kan vi godt køre på helium og stadig have økohatten på. At vi sparer raketvennerne ca. 4000 kr. pr ton raketbrændstof, vi bruger, er også positivt. Nogen ville sige ligegyldigt i det store spil. Men det betyder, at vi er på helium i LOX tanken næste gang, vi skyder TM65. I prøvestanden, hvor vi brænder 90 % af det raketbrændstof vi bruger, kan vi sagtens genvinde det og derved spare rundt regnet halvdelen af vores drivmiddeludgift.
Så dagens hovedhistorie: Den med hvordan vi kan få brændstof fra vores tanke til vores nye TORDENSKJOLD motor.
Efter TM65 testen blev der regnet en del på en 1600 mm booster. Fordi - på en eller anden måde skal vi jo derop, hvis vi vil til rummet med benplads i liggesæde. Denne lille analyse viste, at højtrykstankene til drivgas, som faktisk er ganske små, ville være meget kostbare og være meget tunge. De ville optage et helt modul på ø 1600 x 1600 mm af raketten. Den mindst dårlige løsning på dét viste sig at være komposittanke til lastbiler, der kører på naturgas. Der skulle for 200 - 250.000 kr af dem ombord. Der skulle også en meget slem regulator til at styre trykket under burnet. Skulle trykgassystemet ikke gå helt ballistisk i vægt og pris, måtte vi desuden acceptere at skulle regulere en hel del ned for trykket under et burn, således at kun de første tyve - tredive procent af tanken skulle op på 20 bar, resten kunne nøjes med at ende på 8 - 9 bar.
Hov! - Det trykforløb minder faktisk meget om en simpel adiabatisk ekspansion. På HEAT raketten fyldte vi kun LOX tanken 66 % og lod resten være en boble af helium ved -183 C. Under aftømningen af sådan en tank falder trykket "naturligt" til 8-9 bar af en ekspansionskurve, som ikke ligger langt fra det en ret avanceret regulator skulle levere "kunstigt"
Her ser vi trykforløbet på XLR3B. Det var vores portotype på TM65, som blev kørt med pressure blow down i efteråret 2010.
Kammertrykket er med grøn farve og tanktrykket med rød. Tanktrykket falder meget i starten, så man skal altså dimensionere med lidt tungere tanke, men sparer vægt og omkostninger til højtrykssystemet. Se diagram nedenfor.
Grafik: Steen Andersen, Copenhagen Suborbitals.
Hm - og hvis de kloge på Arocket har sendt os tilbage på helium alligevel - og ham her på sitet har sendt os ned ad en vej, hvor vi i alle fald forsøger at genvinde helium - så kunne det jo være en god og frem for alt simpel løsning på, hvordan vi nemt får de sidste 50% af TORDENSKJOLDs hestekræfter ud af stalden.
Vi ser, at den lille XLR3B ryger lidt over de nominelle 12 bar kammertryk. Det kan vi sagtens tillade os i kortere tid, og vi skal nok også forvente, at TM65 starter lidt over nominel trykkraft, og lander noget under. Men det er altså meningen. Den burde ikke få hedeslag på denne side af 15 bar / 90 kN eller 125 %
Hvad er forskellen - lad os se det på en tegning:
Dette er det normale koncept, som TM65 kørte på. Tankene er fulde, og har man nok helium kan man køre med konstant tryk i hele burnet.
I det professionelle system med højtryksregulatoren har vi noget vægt gemt i højtrykstanke og regulator - samt evt. varmeveksler i dysen for at spare på denne vægt.
Dette nedenfor er så en CSificeret, forenklet måde at lave tryktanksraketter. Det kinky i sagen er, at vi gør dette med cryogent drivmiddel og altså køler heliumet ned til -183 C før, vi tryksætter. Vi har også hittet på en kølespiral (ikke vist her), som gør, at vi kan holde hele systemet koldt indtil afgang. Normalt køler LOX sig selv ved fordampning; men når det er tryksat kan det ikke fordampe, og tempratur og tryk ikke længere kontroleres. Derfor skal kølespiralen til. Forvirret? Jamen, - det er jo bare rocket science! Det bliver meget værre af LOXens termodynamiske egenskaber. CS er faktisk de eneste i Danmark, der har bygget og fløjet raketter med LOX som oxydationsmiddel.
Bemærk, at vi har fjernet alt højtryksgrejet og tappet 33% af tankene, så de selv kan rumme trykgassen.
I HEAT systemet med pressure blow down har vi noget vægt i den del af vores tank, som nu ikke kan bruges til drivmiddel. Thrustkurven er nogenlunde den samme. Man kan så regne på, hvad der er tungest, og gætte sig til, hvad der er billigst og enklest at bygge, og lande på benene med et system, der ikke har nogen højtrykskomponenter og ingen kringlede kapasitetsproblemer.
Vi skal stadig have en to trins start af TORDENSKJOLD. Derfor skal vi også stadig snakke tysk og starte ud i "vorstufe" og rampe op til "hauptstufe". Det kræver, vi piller lidt ved motorens ventiler, så vi kan åbne en bypass forbindelse på hhv. fuel og ox rørene og starte op fra 24 bars tanke, uden at få det store flow som hovedventilerne ville give. Det ville TORDENSKJOLD nemlig muligvis reagere på ved at sprænge i luften. Som systemet, vi brugte sidst, kan vi med dette tage starten i to trin. Når først vi er i gang, kan maskinen godt klare hurtige lastændinger, men indtil man har forbrænding til at skabe et modtryk, skal man ikke være for hidsig på gaspedalen med en raketmotor.
Kort og godt, når vi næste gang inviterer til TM65-test, har jeg god grund til at forvente rundt regnet dobblet op effekt, men noget kortere brændtid. Jeg glæder mig allerede!
De blogs man kan læse her på mit lille hjørne af ing.dk fortæller en historie om et udviklingsforløb. Nogen vil synes, vi griber det fornuftigt an; andre at det er noget rod. "Hvorfor bygger vi det ikke bare, som det skal være fra starten?" Men det er på ingen måde en forud fastlagt plan. Vi bevæger os gennem udviklingen af vores motorer med konstant støtte fra eksperimenter, research, råd og ideer fra nær og fjern - og mange gåture under den høje himmel på Refshaleøen. Det er dér von B og jeg løser vores forskelligheder, vores problemer og finder der fodslag som er helt afgørende. Så kan vi møde CSerne med nogle forslag og se ud som om, at "det har vi da vist altid." Bloggen inviterer læseren ind at se tvivlen og overvejelserne, den nye gode ide, og nogle gange må man se den "gode" ide ændret eller forbedret udfra noget, vi har lært undervejs.
En kendt europæer sagde engang, at han var stolt af, at han som politiker ALDRIG nogen side havde behøvet at skifte standpunkt i nogen sag. Hans navn var Adolf Hitler.
Jeg er dybt uenig. Jeg tror man lærer hele vejen - og skal lade eksperimentet styre.
Det er ligesom at se ud af ruder og i spejle, når man kører bil - og styre derefter. Dem, der planlægger køreturen hjemmefra, og kører en planlagt tid i én retning, så drejer x grader og kører en vis tid i en anden retning med blændede ruder, ender oftest i grøften.
Viser noget andet sig bedre, end dét man har lagt ud med, så skift. Spild ikke tid på at stå fast på marginale eller direkte dårlige beslutninger. Vi sætter os ikke ned dag ét og skriver slagplanen bag skrivebordet. Vi udtænker i stedet eksperimenter, der kan lære os vejen, og vi spørger gladelig andre til råds, da ideer og viden er lige god om den er dansk, tysk, amerikansk eller russisk.
I CS har vi i denne sommer chancen for at høste så meget skøn raketflyvning med de meget pålidelige og dejlige hybridmotorer. Dem vi nu har udviklet til et stade, vi kan kalde færdigt. Samtidig kan vi tage rigtigt hul på at få TM65 til at spille helt rent. Det er så skønt!
Peter Madsen
Kommentarer (26)