close

Få de daglige nyheder fra Version2 og Ingeniøren. Læs mere om nyhedsbrevene her.

close
Ved at tilmelde dig accepterer du vores Brugerbetingelser, og at Mediehuset Ingeniøren og IDA-gruppen lejlighedsvis kan kontakte dig om arrangementer, analyser, nyheder, tilbud mm via telefon, SMS og email. I nyhedsbreve og mails fra Mediehuset Ingeniøren kan findes markedsføring fra samarbejdspartnere.
rumfart på den anden måde cs banner bloghoved

BPM100 - første svejsesøm

Kære læsere,

Hvis man følger CS på de sociale medier har man muligvis allerede opdaget det, hvis ikke, så bringer vi her lidt af en nyhed. Vi har nemlig i løbet af den forgangne uge lagt første snit og første svejsesøm til den kommende 100 kN motor! Det er dog ikke selve motoren vi er begyndt på men derimod den relativt store teststand til injektortest.

At designe en motor handler nemlig for en stor del om at designe selve injektoren. Tænker vi tilbage på forløbet fra BPM5, så startede vi med at teste enkelte injektorelementer førend vi dimensionerede den endelige injektor. Disse test blev brugt til nøje at bestemme trykfald og discharge koefficient for huller med forskellig diameter. Baseret på dette dimensionerede vi så den endelige injektor, som efter fremstilling også blev karakteriseret ganske grundigt.

Illustration: Thomas Pedersen

Karakterisering af injektorelementer til BPM5. Foto: Thomas Pedersen.

Fra BPM5 har vi derfor en fungerende teststand til karakterisering af injektorer. Men hvor BPM5 har et masseflow på ca. 2.5 kg/s få vil vores 100 kN motor have et masseflow på ca. 50 kg/s. For at få stabile målinger plejer vi at kører omkring hvert tryk i 10-20 sekunder, på den store motor betyder det at vi skal have 500-1000 liter vand igennem systemet for hver test! Dermed er den eksisterende teststand alt alt for lille.

Det er altså rimelig seriøse vandmængder der skal til og derfor bliver teststanden temmelig stor. Lad os tage et kig i SolidWorks.

Illustration: Thomas Madsen

Den kommende injektor-teststand bestående af i alt fire tanke. Illustration: Thomas Madsen.

Det ses at den består af fire tanke, hvorfor nu det? Jo, den billigste måde vi kan lave tanke på i CS er at indkøbe det største rør vores kære sponsor Sanistål har i kataloget og lave tanke ud af det. Det betyder at tankene blive lige omkring Ø600. Vi vil som sagt gerne kunne køre test af 10-20 sekunder, dermed skal der altså være plads til 250-500 liter væske i til både fuel- og oxidizer-siden og derudover skal der være plads til ca. lige så meget trykgas. Vi ender altså med at vi gerne vil have et effektivt volumen på hver side på mellem 500 og 1000 liter. For ikke at gøre tankene meget høje, så er hver side derfor delt op i en væsketank og en gastank, dermed får vi i alt fire tanke på hver ca. 400 liter.

For at sikrer os mod tryktab i rør er stort set alle rørføringer i 3”. Som det af nedenstående, så taber man næsten 1 bar per løbende meter 2” rør. Det er ikke så kritisk på teststanden, men når vi skal bygge Spica-raketten, så skal den slags tryktab minimeres ad hensyn til dimensionering og vægt af brændstoftankene.

Illustration: Thomas Pedersen

Tryktab per løbende meter rør som funktion af lysning.

Vi skal som sagt bruge ret store vandmængder per test. Det ses ikke på illustrationen, men der kommer til at stå en opskåret palletank under injektoren, således at vi kan opsamle og genbruge alt vandet.

Instrumenteringen på teststanden kommer primært til at bestå af en række tryksensorer til at måle tryk i tankene og i injektoren. Derudover skal vi naturligvis også måle flowet. Turbine flowsensorer i den her dimension koster en mindre formue, så vi har kastet os ud i at lave vores egne venturi-flowsensorer. Konceptet i en sådan er at en lokal forsnævring giver en lokal højere strømningshastighed og dermed et lokalt trykfald. Men en differenstryksensor kan dette trykfald måles og man kan beregne flowet. Det mener vi bestemt at vi kan bygge på egen hånd, så fremfor at købe en dyr turbine flowsensor, så køber vi nogle konusser, rør og differenstryksensorer og laver lidt elektronik dertil. Det bliver et lille ekstra projekt, men kan spare os rigtig mange penge. Det er faktisk et skægt lille projekt, som vi nok tager en blog om inden længe.

Efter et langt tilløb til den store motor er vi dog nu endelig gået i gang. Bevares, det er ikke motoren selv, men noget af den infrastruktur der skal lede hen imod den. Det føles helt fantastisk og vi glæder os rigtig meget til de kommende måneder hvor meget mere af motorens design endelig vil falde på plads. Og vi skal se om vi ikke kan oppe os her på bloggen og få jer med på rejsen.

Slutteligt et par billeder fra weekendens arbejde i værkstedet.

Illustration: Sarunas Kazlauskas

Jop i gang med at svejse rammen sammen. Foto: Sarunas Kazlauskas.

Illustration: Sarunas Kazlauskas

Den halvt færdige ramme til teststanden. Bemærk lige størrelsen. Alt bliver stort til den her motor! Foto: Sarunas Kazlauskas.

ThomasPedersen
er civilingeniør fra DTU fra 2006 og har en Ph.D. indenfor mikro- og nanoteknologi fra DTU Nanotech, og er nu ansat samme sted som seniorforsker. Thomas har bygget raketter siden 1999 og blev en del af Copenhagen Suborbitals i 2009. Han er et af flere medlemmer af Copenhagen Suborbitals, der skriver på denne blog.

Hej.

Godt at høre fra jer :-)
Hvorfor er test standen ikke designet med DPR fra start?

  • 0
  • 0

Hej Steven,

Det her er jo "bare" teststand til vandflow i injektor - her her DPR ikke nødvendigt. Vi er pt. igang med at få styr på et design af den RIGTIGE BPM100+ prøvestand - og der vil DPR blive tænkt med. (Jeg får helt kuldegysninger over at tænke på hvor store højtryks heliumtanke der skal bruges :-) )

  • 4
  • 0

Hej Steven,

Vi har valgt at gøre vandflow-teststanden så simpel som mulig. Derfor har vi udskiftet styring af tryk med et simpelt og stort gasvolumen. Så kan vi tilnærmelsesvist opretholde et korrekt arbejdstryk over hele testen på simplest mulige vis.

  • 5
  • 0

Det er spændende med en forøgelse af Spicas kapacitet.
Der tænkes vel ikke på ændring af motorens (og rakettens) fysiske dimensioner for at optimere løfteevnen.
Hvor meget mere end 100 kN kan der mon opnås indenfor de givne fysiske rammer?

  • 0
  • 0

Hej Ole,

Grunden til jeg skriver 100+ er at vi ikke er sikre på at 100KN kommer til at være helt nok - det kommer jo alt sammen til at hænge på hvor meget raketten kommer til at veje. Som det ser ud lige nu bliver det nok svært at holde de 300 kg kapsel som vi havde regnet med. Erfaringerne fra Nexø viser også at vi skal have en del margen at arbejde med. Men hey, jeg regner ikke med at der er nogen der vil pive over en motor med STØRRE trykkraft :)

Det kommer jo alt sammen an på hvor stort et kammertryk vi kan komme op på. De tests vi lavde med DPR på BPM-5 viste jo feks. at vi kunne presse det design op på 6KN. Men når det er sagt er der jo ikke noget der er så simpelt. Alt hænger jo sammen - man kan ikke bare øge fødetrykket på et givet motordesign. Men jeg er sikker på at vores motorkyndige kommer op med en snedig løsning. :)

  • 6
  • 0

Ok, tak for svar til jer begge :-)

Tænkte at den også var til motor test.

  • 0
  • 0

Det er den ikke. Jeg fik ikke skrevet det i teksten, men denne teststand kommer kun til at køre ved op til 10 bar, hvilket er rigeligt til injektortest. Men til motortest skal vi have nogle stærkere tanke, da vi til motortest skal op omkring 22 bar fødetryk på brændstoffet.

  • 1
  • 0

Hvorfor ikke lave disse tanke med det samme i stedet for at lave to sæt?

Det diskuteres stadig hvordan BPM100 teststanden skal laves. Det ender muligvis med at blive en fast installation udenfor København. Altså en fast installation hvor tankene ikke uden videre kan tages med tilbage til værkstedet. Imellem motortest vil det være nødvendigt med flowtest på forskellige injektorer, dermed har vi brug for ét sæt tanke til vandflow og ét sæt til en statisk teststand.

  • 3
  • 0

HEAT1600 var baseret på 4 x 65 kN, så jo, det er ca. 1/3 trykkraft. Men den raket har vi som bekendt droppet for en del år siden.

Det virker bare ikke som om, i har droppet ideen om at sende ca. den samme vægt/payload op som med den store raket, når i skriver, at i ikke er sikre på, at BPM100 er kraftig nok.
Der skal nok en del til, før i overvejer at gå turbine vejen igen, men er det så en yderligere opskalering til BMP200 eller BPM300 vi snakker om eller 4 x BPM60-80, hvis i når op i HEAT1600 størrelse igen?

  • 0
  • 2

Det virker bare ikke som om, i har droppet ideen om at sende ca. den samme vægt/payload op som med den store raket, når i skriver, at i ikke er sikre på, at BPM100 er kraftig nok.

Det har vi skam også.

HEAT1600 var baseret på en ide om at sende en "klassisk" kapsel med en diameter på 2 meter op. Vi mener ikke det er realistisk for os at bygge en raket af HEAT1600 størrelse og derfor er vi vendt tilbage til en kapsel i stil med den oprindelige "Tycho Brahe" kapsel som Kristian Bengtson designede og byggede tilbage i 2010. Med det design kan vi bygge en væsentlig mindre kapsel og dermed væsentlig mindre motor.

  • 10
  • 0

Er der gjort tanker om hvorvidt BPM 100(+) skal testes lodret eller vandret?

Det er en hel del nemmere at gøre vandret, så det er jeg ret sikker på at vi ender med.

Med hensyn til den endelige kraft af motoren, så afhænger det jo alvorligt af hele rakettens vægt, som endnu ikke ligger fast. Min egen overbevisning er dog at raketten og kapsel skal være så lille som mulig for at det er realistisk at bygge. Så pt kigger jeg på om vi kan ende med et design, hvor motoren endda er mindre end 100 kN.

  • 3
  • 0

Kan du skrive lidt om forskellene mellem vand og brændstof i testopstillingen, og hvordan der kan regnes om mellem disse medier, så de rigtige konklusioner kan drages ?

Med hensyn til flow af vand versus ethanol, så er der blot en forskel i densitet. Vi har 25% vand i ethanolen ad hensyn til køling, det giver en densitet på 857 kg/m^3 og det er ligetil at korrigere i forhold til data fra vandflow. Der er en mindre korrektion i forhold til densitet fra temperatur, den er tilsvarende for vands densitet.

For LOX er det lidt værre. Der er igen en densitetsforskel, nominelt har LOX en densitet på 1141 kg/m^3 ved atmosfæretryk og kogepunktet. Og skal man regne vandflow om til LOX-flow er det igen blot densiteten man skal korrigere. Men LOX ændrer signifikant densitet med tryk og temperatur, og det er ganske væsentligt at have med i regnestykket. Sammenhæng mellem temperatur og tryk for flydende ilt kan fx findes i en gammel NBS Technical Note 361: https://archive.org/details/saturatedliqui...

  • 5
  • 0

Mange tak for god forklaring.
Jeg havde forventet, at væskernes viskositet, måske også overfladespænding mv., spillede en rolle.

  • 0
  • 0

, så vi har kastet os ud i at lave vores egne venturi-flowsensorer. Konceptet i en sådan er at en lokal forsnævring giver en lokal højere strømningshastighed og dermed et lokalt trykfald. Men en differenstryksensor kan dette trykfald måles og man kan beregne flowet. Det mener vi bestemt at vi kan bygge på egen hånd, så fremfor at købe en dyr turbine flowsensor, så køber vi nogle konusser, rør og differenstryksensorer og laver lidt elektronik dertil.

Jeg vil anbefale at I i stedet for konusser bruger en orifice plade. Det er en flad plade med et veldefineret hul. (drej den af i drejebænken) som I spænder ind mellem 2 flanger.
Måleprincippet er velbeskrevet og formlerne passer med virkeligheden.
Det har jeg troen på, at I kan få til.

  • 1
  • 0

Jeg vil anbefale at I i stedet for konusser bruger en orifice plade. Det er en flad plade med et veldefineret hul.

Det har vi også kigget på. Ulempen ved den løsning er at den medfører et større trykfald end konus-typen. For en teststand er det ikke et problem. Men hvis vi får udviklet noget der virker, så har vi en plan om at implementere det i Spica-raketten, så vi har flowmeter også under flyvning. Her vil det større tryktab være en signifikant ulempe.

  • 2
  • 0

Hej Thomas

Jeg vil anbefale at I i stedet for konusser bruger en orifice plade. Det er en flad plade med et veldefineret hul.

Det har vi også kigget på. Ulempen ved den løsning er at den medfører et større trykfald end konus-typen


Det her lyder som en simpel fysik opgave:

Flow møder en restriktion.
dP = v2 x C hvor C = f(hul diameter)

Med hvilken nøjagtighed kan I måle dP?
Hvad er v2?
Herefter laver I et hul med den diameter, der passer.
Den fleksibilitet har I ikke med konusser.

  • 0
  • 0