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

close
By signing up, you agree to our Terms & Conditions and agree that Teknologiens Mediehus and the IDA Group may occasionally contact you regarding events, analyzes, news, offers, etc. by telephone, SMS and email. Newsletters and emails from Teknologiens Mediehus may contain marketing from marketing partners.
raketbyggerne fra dtu danstar

Brændstoftanke, hovedventiler og andre væskehåndterings-hovedpiner

En bi-liquid raket må nødvendigvis indeholde en masse grej og udstyr som gør det muligt at opbevare, kontrollere og levere de rette mængder af forskellige fluider til forskellige steder i raketten på de rette tidspunkter. Designet og fremstillingen af sådan et system kan medføre en række hovedpiner, særligt når man ikke i forvejen har et stærkt kendskab og netværk af leverandører ifht. fx ventiler, tanke og så videre.

DanSTARs raket skal køre med en 3.1 kN motor, og for at kunne levere sådan et skub skal der sluges noget brændstof - cirka 1.2 kg oxidizer i sekundet og cirka 0.3 kg brændstof. Udover at der skal flyttes forholdsvist meget væske igennem nogen ret små rør skal der være tryk nok på til at propellanterne kan overvinde kammertrykket og presse sig igennem de som regel ret små huller i indsprøjtningsmanifolden. Det betyder at det meste af væskesystemet skal kunne håndtere en forholdsvist stor tryksætning - i propellanttankene og begge feed lines, cirka 30 bar, og i tryksætningssystemet op til 300 bar.

Udover dette er der ret trænge plads- og vægt-krav - som regel så sidder ventiler og udstyr af denne kaliber i store industrianlæg, og her tænker man sjældent så meget over at det skal være letvægtsgrej eller at en ventil skal passe pænt ind i et snævert rør, som en raket i vores størrelsesorden jo nu engang er.

Illustration: Magnus Madsen

Herover ses det foreløbige fluiddiagram til raketten. Øverst har vi vores to tryksætningstanke, som føres igennem en fælles regulator til vores brændstoftank. Herefter føres udgangen fra brændstoftankene til motoren - alt i alt et system som faktisk er simplere end teststanden. Derudover er der selvfølgelig lidt sikkerhedsforanstaltninger, sensorer og så videre som skal inkorporeres.

Erfaringer fra teststanden

Alt i alt performede vores teststand ret pænt så vidt vi kan se - umiddelbart er det reelle eneste problem i forhold til at opnå tilstrækkelig massestrøm af tryksætningsgas til at opretholde trykket under affyring. Dette problem var heldigvis ikke noget særligt ved affyringen af demomotoren med dens meget lille masseflow, men er noget vi sandsynligvis er nødt til at rette op på inden vi kan køre en hotfire af den større motor til raketten.

Derudover er der selvfølgelig mange ting som fungerede fint på teststanden men som aldrig kan fungere i vores raket - totalt overdimensionerede tanke, kæmpestore hovedventiler og så videre og så videre. Disse er de største udfordringer vi står over for i forbindelse med fluidsystemet til raketten.

I forbindelse med opstarten af raketprojektet anslog vi at et massebudget på 20 kg og et længdebudget på 2 meter ville være tilstrækkeligt til fluidsystemet - dette er 1/3 af den totale vægt og næsten 2/3 af den totale længde. Det betyder også at fx 20% optimering af vægten af fluidsystemet giver mange flere sparede kilogram end hvis vi svarer 80% på elektronikken, og derfor er det helt åbenlyst et vigtigt sted at sætte ind hvis vi vil nå vores masse- og længdemål.

Brændstoftanke

Brændstoftankene udgør en stor del af længden og cirka en tredjedel af massen af det samlede fluidsystem. Udgangspunktet for deres udformning er hvilke tilgængelige endebunde som findes, da de umiddelbart er svære at fremskaffe i ikke-standarddimensioner. Den største passende endebund som passer i vores indre diameter på raketten er 154mm, og efterlader 22 mm til isolering og beslag. Ved at lave en common-bulkhead tank kan vi spare længde og en smule masse, og dette giver os en længde på cirka 1.2 meter på den samlede tank som indeholder både isopropylalkohol og flydende lattergas.

Illustration: Rasmus Pedersen

Idet det kræver specielt udstyr at fremstille kulfibertanke, og da alu-tanke ifølge diverse kilder kan være svære at gøre tætte ved små godstykkelser, vælger vi at udfærdige tankene i stål.

For at reducere vægten så meget som muligt ønsker at vi benytte os af en ståltype med høj flydespænding så vidt som muligt. Igen er endebundene begrænset til hvad der er tilgængeligt uden at skulle ud i en længere omgang bøvl, og her er det primært 316-legering som er tilgængelig i rustfrie endebunde. Vi estimerer den nødvendige godstykkelse ved hjælp af kedelformlen under antagelse af at en sfærisk endebund vil kunne holde til større internt tryk end en cylindrisk geometri, og kommer frem til at en endebund med godstykkelse 3mm burde være rimeligt overdimensioneret, men er let tilgængelig og ikke øger vægten med ret meget da vores diameter er meget lille i forhold til længden af tanken.

Til selve cylindersegmentet er vi lidt mere frie, da der "blot" skal specialfremstilles et rør. Her kigger på straks efter en legering med højere flydespænding, men som stadig har gode korrosions- og svejseegenskaber. Efter kort tids undersøgelse ligner en duplexstål - 4462 - en oplagt kandidat, og med en flydespænding på over 450 megapascal, over dobbelt af 316, vil det gøre det muligt at sænke godstykkelsen af tankvæggen markant. Med en safety factor på 2.25 og regnet ved tryk på 45 bar kommer vi frem til at lige under 1mm godstykkelse er tilstrækkeligt, og da det samtidigt er et pænt rundt tal som ikke er alt for langt fra de 3 mm endebunde de skal svejses på handler det nu blot om at finde værksteder som kan hjælpe med hhv. fremskaffelse af 4462-plade, valsning og svejsning af dette til et rør med 154mm OD og endeligt samlingen og svejsningen af tankene.

Før dette kan ske mangler der dog en del detaljer - blandt andet de forskellige fittings der skal til for at kunne tryksætte og tømme tankene, hvordan vi skal måle oxidizer-niveauet i tanken, hvordan vi forhindrer sloshing i tankene under flyvning og så videre og så videre.

Ventiler

Som nævnt er industriventiler tit nogen ordentlige skrumler - dem vi bruger på teststanden fungerer udemærket, men deres yderdiameter er større end raketten, og de vejer cirka 3 kg stykket. For at løse dette problem arbejder vi på højtryk med at designe og teste ventilaktuatorer baseret på blandt andet RC-servoer, i håbet om at de kan give os en løsning som er simplere, lettere, fylder mindre og som er billigere.

I øjeblikket er disse baseret på et ventilhus fra Swagelok - her hersker ikke nogen tvivl om at selve huset kan leve op til de krav vi stiller, og vi kan derfor fokusere på at lave en aktuator som på hurtig og pålidelig vis kan åbne når vi ønsker det i den grad vi ønsker det.

Illustration: Magnus Madsen

Som aktuator kigger vi i øjeblikket på at bruge en kraftig servo fra Savox, som er rated til at kunne levere 5 Newtonmeter.

Routing

Resten af systemet burde være forholdsvist straight-forward - den største udfordring bliver selve pladsmanglen i røret og hvordan man router tubes og placerer de forskellige komponenter og beslag på en sådan måde at man optimalt gør brug af pladsen. Inden alt for længe begynder vi at modellere raketten i CAD, og i den forbindelse vil vi nok lege en del med forskellige konfigurationer for at finde frem til den korteste fluidsektion vi kan.

Herefter er der primært et nervepirrende step tilbage - at låse sig fast på design og dimensioner og sætte gang i fremskaffelse og fremstilling. Idet tankene nok kommer til at koste adskille titusinder af kroner skal vi nok lige have kørt et par design reviews inden vi når dertil.

MagnusMadsen
er 21 år gammel og læser til diplomingeniør i maskinteknik på DTU. Han arbejder blandt andet med design og konstruktion af raketten og dens fluidsystem i DanSTAR - og kan kontaktes på mnm@danstar.dk

Der mangler en ordentlig røvfuld kommaer i teksten for at gøre den læsevenlig, men det er altså temmelig pinligt at bruge punktum ved kommatal.

Håber jeg er straightforward nok.

Ellers et spændende project ...undskyld projekt.

  • 2
  • 8

Lyder sandsynligt :-) Det går nok lidt for hurtigt med at køre paragraffer afsted i indlæg som dette. Vil mene pinligheden af komma vs punktum er begrænset.

  • 10
  • 0

Spændende at se at I tør binde an med common bulkhead. Det giver jo anledning til nogle restriktioner omkring tryksætning antager jeg. Hvor stort tryk i fuel-tanken kan den klare førend endebunden bøjer den forkerte vej?

  • 3
  • 1

Umiddelbart er der to states som er mulige så vidt jeg kan se: enten er vi ved at påfylde lattergas, hvilket betyder at der er større tryk i oxidizer-delen end i fueldelen - alternativt er der samme tryk i både fuel- og oxidizer-siden (da de tryksættes af samme regulator), hvilket vel reelt burde give mindst belastning på den midterste endebund.

Men godt spørgsmål - idet vi har antaget at der ikke er nogen måde det kan blive et problem er det ikke noget vi har regnet på. Er det noget i tidligere har kigget på som et potentielt problem?

  • 1
  • 0

Hvis i kører med samme tryk i begge tanke, så er der vel ikke behov for en dyr sfærisk endebund som common bulkhead.
Den burde vel kunne være en flad plade mellem de 2 cylindere, da selv en flad plade af f.eks. 2-3 mm kan tåle en hvis (relativ lille) forskel i tryk, så der er plads til trykændring under flight.

Eller er der noget jeg overser?

  • 1
  • 1

Vi kører med samme tryk i begge tanke, men under påtankningen af lattergassen opstår et relativt højt tryk (nok op til 20-25 bar), og her vil den foreslåede løsning nok ikke være en fordel.

Derudover så er hele pointen med at lade endebunden bestemme diameteren af tanken at endebundene er meget billige - cirka 200 kroner per endebund, hvilket betyder at alle 3 endebunde udgør noget i omegnen af en 1-2% af de samlede omkostninger - hertil kommer at Sanistaal sandsynligvis er villige til at sponsorere dem.

  • 2
  • 0

Jamen, det giver jo god mening. Tak for svar!
Jeg havde den (forkerte) opfattelse, at endebundene faktisk var ret kostbare.

Fedt at i får sponsorere med om bord.
Det bliver spændende at følge jer :)

  • 1
  • 0

Interessant at høre om hvad I arbejder med !

Lad ikke skrivelysten blive påvirket af dem som primært gerne vil påpege trykfejl eller forslag til grammatiske ændringer :-)

  • 3
  • 2

Men godt spørgsmål - idet vi har antaget at der ikke er nogen måde det kan blive et problem er det ikke noget vi har regnet på. Er det noget i tidligere har kigget på som et potentielt problem?

Der kan jo ske mange uforudsete ting under forberedelse til opsendelse, der er i hvert fald et scenarie, hvor det kan blive et problem.

Antag at raketten står på rampen, tryksat og klar til start og elektronikken går ned. Så har I en tryksat raket som bliver varm i solen. På et tidspunkt bliver lattergassen så varm at burst disc'en på tanken går. Så er der lige pludselig 1 bar i ox-tanken og 30 bar i fuel-tanken. Er bulkheadet stærkt nok til det?

  • 2
  • 0

Ja, det kan jeg godt se - Det er jo umiddelbart lidt et irriterende fejlscenarie på mange måder, hvilket jo netop er en rigtig god grund til at forberede sig på det. Tak for input - jeg undersøger sagen :-)

  • 2
  • 0

Det er et ganske realistisk fejlscenarie, som kræver overvejelse. Det skete for SDSU sidste år. De mistede krontrollen over raketten på rampen, desværre havde de ikke burst disc på LOX-tanken, så det endte med tanksprængning og totalt tab af raketten.

  • 2
  • 0

Det lyder ret utroligt - havde de ingen sikkerhedsventiler? Vi har jo umiddelbart en 35 bars sikkerhedsventil som gør at lattergassen vil koge af indtil man på et eller andet tidspunkt når en ligevægt med en vis mængde lattergas, en vis temperatur og 35 bar i lattergastanken. Umiddelbart kan trykket kun falde under dette hvis der er en læk i systemet/hul i tanken.

At man så stadig har et tryksat system med 35 bar i begge tanke uden adgang til elektronikken, som selvfølgelig er et problem - umiddelbart tror jeg det hedder at smække en bleed valve på hver side så vi manuelt kan tage trykket på en forsvarlig måde.

  • 1
  • 0

Hej Claus

Magnus har som ung studerende en fornemt projekt, der tjener faget til ære. Og han er så venlig at dele sit arbejde og sine udfordringer med os.
Hvis opmærksomhed på kommasætning er det eneste, du har at tilbyde, må jeg bede dig skrive direkte til Magnus. Det er ikke relevant for debatten.

mvh Henrik Heide
Redaktionschef

  • 5
  • 0

Måske en idé til et par linier efter artikler og blogindlæg.

"Bemærk! Diskussionen er tiltænkt indholdet af artiklen og ikke om man bryder sig om emnet, formen eller tegnsætningen.
Har man kommentar til dette kan man skrive en mail til forfatteren."

Mvh
Peter

  • 3
  • 0

Hvis opmærksomhed på kommasætning er det eneste, du har at tilbyde, må jeg bede dig skrive direkte til Magnus. Det er ikke relevant for debatten.

Jeg tillader mig at være uenig, da den stigende anglificering af sproget ikke skal holdes privat men derimod italesættes.

En ting er, når man mere eller mindre fravælger kommatering, men det er bestemt ikke irrelevant, hvorledes man adskiller decimaler, da man i en dansk tekst forventer komma og ikke punktum.

  • 2
  • 6

PS.
Hvordan sender man en privat kommentar til dig eller artiklens forfatter?

Ved første øjekast gives der ikke mulighed for dette på jeres brugerprofiler.

  • 0
  • 0

Har tilføjet min mail i min profil - hvis man var særdeles ivrig havde det nok heller ikke taget mange sekunder at finde den på DanSTARs hjemmeside :-)

Jeg tror ikke der er nogen her der opfordrer til inkorrekt sprogbrug eller forvirrende formuleringer - der er intet sted i ovenstående tekst hvor brugen af punktum i stedet for komma kan skabe forvirring eller forveksles med en tusindtalsseparator. Om jeg så vil forsøge at opretholde kadencen i mængden af information vi deler eller bruge min tid på at bekymre mig om der mangler et komma hist og her - mon ikke det første er mest brugbart.

  • 3
  • 0

Har tilføjet min mail i min profil
der er intet sted i ovenstående tekst hvor brugen af punktum i stedet for komma kan skabe forvirring
der mangler et komma hist og her

Fra artiklen:
DanSTARs raket skal køre med en 3.1 kN motor, og for at kunne levere sådan et skub skal der sluges noget brændstof - cirka 1.2 kg oxidizer i sekundet og cirka 0.3 kg brændstof.


Jeg skal gerne beklage mit bidrag til debatten, men ovenstående er netop det, jeg prøver at påpege (det er altså relevant med andre ord).

Jeg tvivler på, der er nogen, der forfatter en mail for at påpege en simpel korrektion. En kommentar er langt hurtigere, og man ved jo ikke, om andre finder den relevant. Mulighed for at lægge en kommentar direkte på brugerprofilen i stedet for i debattråden kan dog være nyttigt.

Hvad er 3.1 kN eller 1.2 kg, hvis ikke der er tale om 3,1 kN eller 1,2 kg?

Ang. læsbarhed er det vist mere end blot et komma hist og her. Følgende sætning tager f.eks. pusten fra mig (selv med et par kommaer hist og her):

"Med en safety factor på 2.25 og regnet ved tryk på 45 bar kommer vi frem til at lige under 1mm godstykkelse er tilstrækkeligt, og da det samtidigt er et pænt rundt tal som ikke er alt for langt fra de 3 mm endebunde de skal svejses på handler det nu blot om at finde værksteder som kan hjælpe med hhv. fremskaffelse af 4462-plade, valsning og svejsning af dette til et rør med 154mm OD og endeligt samlingen og svejsningen af tankene."

  • 2
  • 2