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

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

BPM100 status

Kære læsere,

Det er på høje tid med en update på BPM100 motoren. Lad os starte med at kigge lidt på dimensionerne og motorens specifikationer.

Først, så ligger det jo i navnet at det bliver en 100 kN motor. Men 100 kN er ikke bare 100 kN, når det kommer til raketmotorer. En raketmotors kraft er jo afhængig af det omgivende tryk. Jo højere vi kommer op i atmosfæren og jo mindre det omgivende tryk bliver, ja så bliver motorens kraft større. Hvor stort det bidrag er afhænger helt af hvordan motorens dyse er dimensioneret og kan let beregnes. Nedenfor har vi en illustration af en raketmotor og nogle af de overordnede parametre vi arbejder med samt formlen for den resulterende kraft fra motoren.

Illustration: G.P. Sutton

Trykforhold i en raketmotor. Fra G.P. Sutton ”Rocket Propulsion Elements 7th ed.”, John Wiley & Sons Inc.

Som det ses har vi et bidrag fra produktet af masseflow og udstødningsgassens middelhastighed. Dernæst har vi et bidrag fra produktet af exit-arealet og forskellen mellem det omgivende tryk og trykket i exit-planet. Det er klart at kraften er størst når p3 er 0, altså i vakuum.

Det er dog også klart at hvis p2 er mindre end p3, så har vi et negativt bidrag! Altså hvis dysens åbning er for stor, så giver det et negativt bidrag i lav højde, indtil vi kommer op i den højde som dysen ekspandere til. Så der ligger en lille optimeringsopgave i at få afstemt dysens ekspansion til at sikre at vi over hele flyvningen samlet set får størst udbytte af brændstoffet. Dertil har jeg lavet en række simulationer, alle kørt med en motor der konstant fødes med 45 kg brændstof. Dysens ekspansion er dog forskellig simulationerne imellem. Den mindste dyse er optimeret til sea level, altså med et exittryk (p2) på 1,013 bar, den næste er optimeret til 900 mbar, dernæst 800 mbar og så videre. Plotter man simulationernes apogee som funktion af dysens optimale ekspansion får man nedenstående.

Illustration: Thomas Pedersen

Apogee som funktion af dysens ekspansionstryk.

I venstre side af grafen er dysen optimeret til vakuum, i højre side er den optimeret til sea level. Som det ses, så giver meget store dyser optimeret til 300 mbar eller mindre et signifikant negativt bidrag og samlet set når raketten bare ikke særlig højt. Omkring 600-700 mbar ligger optimum for vores 100 kN motor. Går vi tættere på en dyse optimeret til sea level ekspansion så høster vi ikke nok af gassernes ekspansion i dysen. Ad fabrikationshensyn vil vi nok vælge at have optimal ekspansion til 700 mbar. Det svare i øvrigt til lufttrykket i ca. 3000 meters højde. For sjov skyld har jeg skitseeret de forskellige dyser op nedenfor, så man kan se dem i forhold til hinanden.

Illustration: Thomas Pedersen

BPM100 dyser optimeret til tryk fra 1 atmosfære og til 100 mbar.

Regner vi med at kunne opnå 90% af den teoretiske performance for LOX og 75% ethanol og optimerer vi dysen for ekspansion ved 700 mbar, så vil motorens kraft som funktion af højde se ud som nedenfor. Vi starter altså ved sea level med lige omkring 90 kN. Ved optimal ekspansion i en højde af ca. 3000 meter når vi omkring 96 kN og kort før MECO i ca. 32 km højde når vi omkring 108 kN. Så motoren burde nok nærmere hedde BPM108.

Illustration: Thomas Pedersen

Motorkraft som funktion af højde.

BPM100 bliver designet som en omstrømningskølet motor ligesom BPM5. Der er dog nogle signifikante forskelle. Vi vil prøve at lave motoren i rustfast stål denne gang. Det har godt nok en dårligere varmetransport, men der er andre folk derude der bygger motorer i rustfast, så det må vi også kunne. Det sparer den noget langsommelige process med at nikkelplatere brændkammeret. Noget som vi vil få svært ved i denne størrelse.

Men hvor stor bliver motoren så? Jeg har lavet en grov skitse af den inderste del herunder. Den totale længde er 900 mm, kværker er 250 mm i diameter. Den cylindriske del har en diameter på 420 mm. Til sammenligning er BPM5 100 mm i diameter på den cylindriske del!

Illustration: Thomas Pedersen

Den indre kammergeometri.

Som det se på tegningen har vi forsøgt at gøre fremstillingen lidt nemmere for os selv ved kun at have én svær sektion. Den øverste del er en simpel cylinder, dernæst følger en konus, som går over i en dobbeltkrum kværk som så igen går over i en konus. Den svære del er naturligvis den dobbeltkrumme kværk. Resten kan forhåbentlig laves i valsede plader. Men kværken, den er lidt mere tricky. Her er vi, i hvert fald på forsøgsbasis, gået en lidt ny vej; metal 3D print!

Den svære del af dysen (kværken) har en højde på kun 85 mm. Den kan med sikkerhed 3D printes, spørgsmålet er primært om vi kan finde en printservice der kan gøre det til en pris som CS kan betale. For at finde ud af dette har jeg for nogle dage siden sendt 1/16 af en kværk til print hos et fransk firma. Som det ses nedenfor har jeg tegnet en rudimentær kølekanal mellem to dobbeltkrumme flader.

Illustration: Thomas Pedersen

Skitse af emnet som er sendt til 3D print.

Firmaet printer i en rustfast legering og det bliver super spændende at få emnet hjem. Så snart det lander i DK, så skal vi først evaluere om det er noget vi kan svejse til, vi skal have målt styrken af materialet og muligvis lave en måling af varmeledningen i materialet. Jeg glæder mig super mig og vi vender tilbage med billeder af en update når efter planen ankommer om et par dage.

Thomas Pedersen 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.
sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Spændende. Et 3D metalprintet emne er i princippet enten bygget af varme lag eller også er emnet bygget i pulver og efterfølgende sintret.

Hvis emnet er "bygget" ved varm 3D "printning": Har I planlagt en efterfølgende varmebehandling ?

  • 2
  • 0

spændende ud :o)

Og ikke mindst fabrikationsmæssigt tilgængeligt.

Hvad er planen for fastgørelse af spacere i de manuelt fremstillede dele af motoren?

mvh Flemming

  • 3
  • 0

Er der noget om injektor?

(husk jeg godt vil være behjælpelig med modeller til flowsimulering) :o)

  • 3
  • 0

Tak for en fin status!

Det virker jo på mange måder til at BPM100 mere eller mindre er en opskalering i forhold til BPM5 - omstrømningskølet, lox/ethanol. Forhåbentlig er der dermed meget erfaring der tages med videre. Regner I med at motoren skal gimbles og hvad har det af betydning for motordesignet? Og kan tænding fungere på samme måde som tidligere?

  • 0
  • 0

Det har jeg ikke overvejet. Så det er da et godt spørgsmål. Ved du noget om hvordan man "bør" behandle 3D printet rustfast materiale (binder jet printed)?

Jeg kender ikke svaret, men jeg tænker at det må være at betragte som stress aflastet allerede som en del af sintrering processen?

En ulempe ved metal 3d print er at det ikke er helt dimensionsstabilt. Det bliver spændene at høre om det er et problem i denne anvendelse. Hvis resten er valsede plader der manuelt svejses på, så tænker jeg at i bare får det til at passe.

  • 2
  • 0

Overordnet set kan man nok kalde det en opskaleret BPM5, men der er også nogle fundamentale forskelle.

Injektoren har jeg fx ikke fortalt så meget om, men det bliver formentlig med coaxial swirlers, vi har i hvert fald planer om at lave en prototype og lave vand-flowtest af den. Men det er et helt emne for sig og oplagt til næste blog :-)

Tænding vil formentlig blive med en god gammeldags pyroteknisk løsning. Russerne bruger det jo på væsentlig større motorer stadigvæk og det er teknik vi kender. Vi har snakket om at lave en augmented spark igniter, men det er et lille projekt i sig at lave og vi har ikke behov for restart capability på motoren.

Motoren skal helt sikkert gimbles. Så den skal fødes via nogle trykbærende bælgslanger. Gimbeldesign er vi dog slet ikke begyndt på.

  • 5
  • 0

Hvad er diameter max og min på den svære del?

Kværkens indre diameter er 250 mm mens den ydre del af selve kværkdelen er 286 mm i diameter. Og så er det omkring 85 mm højt. Print-firmaet kan faktisk ikke håndtere så stort et emne, så det skal deles op i 3 sektioner af 120 grader, og så skal vi selv svejse de tre dele sammen. Hvis det altså er den vej vi går.

  • 4
  • 0

Planen er at lodde korrugeret kobberfolie mellem de to dele (tænk bølgepap).

Jeg har dårlige erfaringe med at slaglodde på rustfrit stål. Der er måske noget med det rustbeskyttende oxid-lag der gør at almindeligt loddemetal eller almindeligt fluss-middel ikke dur. Det ser rigtigt ud, metallet flyder og væder grundmetallet som det skal, men vedhæftningen er ikke ok.

  • 1
  • 0