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

Data fra BPM5 test

Kære læsere,

Lørdag den 5. maj havde vi vores BPM5 motor i ilden på Refshaleøen endnu engang og det var som altid en fornøjelse! Vi havde lavet et lidt mere publikumsvenligt setup denne gang og mange havde valgt at lægge vejen forbi og hilse på og høre motoren brøle. Se iøvrigt vores fotoalbum fra testen her.

Illustration: Mads Stenfatt

Teststanden var i denne omgang flyttet til den store plads foran S2. Foto: Mads Stenfatt.

Hovedformålet med testen var at verificere den kode i Engine Controlleren der skal styre motoren på Nexø II. Som tidligere skrevet så har vi implementeret en ny feature i trykstyringen på Nexø II. Lørdagens test bestod primært i at verificere denne feature og se motoren kører korrekt med den let modificere kode i Engine Controlleren.

Illustration: Carsten Olsen

BPM5 brøler igen. Foto: Carsten Olsen.

Kort fortalt, så virkede koden helt efter hensigten, vi fik endda (utilsigtet) testet en sikkerhedsfeature, mere om det lige straks. Lad os gå direkte til at kigge på data fra dagens første test.

Illustration: Thomas Pedersen

Data fra lørdagens første test, hvor hovedformålet var at verificere Engine Controllerens funktion. Grafik: Thomas Pedersen.

Data overload? Frygt ikke, vi går igennem de 12 grafer stille og roligt. Første plot er tanktryk, injektortryk og kammertryk. Det første man nok lægger mærke til er et kammertryk på 16 bar. Vante læsere af bloggen vil vide at BPM5 nominelt bør køre 15 bar, så hvad er det nu for noget? Svaret ligger i kurven over tryk i fueltanken, den ses at ligge stabilt på omkring 23.5 bar. Det er alt for højt... Det bør ligge omkring 20 bar. Ligesom det korrekt nok gør før motoren går i mainstage omkring T+5 sek. Ved overgangen til mainstage ses trykket i fueltanken straks at stige til de 23.5 bar, det er DPR-styringen som bringer trykket helt derop. Men hvordan kan jeg så både påstå at DPR-styringen virkede korrekt når vi rammer et tryk der er ca. 3.5 bar for højt?

Jo, nu bliver det lidt mere kringlet. DPR-styringen sker med input fra trykket i injektoren (i hvert fald efter overgang til mainstage). For fueltanken er det naturligvis injektortrykket i fuel-siden der er inputtet. Det er også plottet, som den røde kurve der ligger og roder nede omkring 4 bar. Engine controlleren har altså fået et input der siger at trykkt i fuel-injektoren er 4 bar. Det er naturligvis ikke korrekt, det er mellem 17 og 18 bar, men sensoren har altså påstået at det var ca. 4 bar. Dermed har DPR-styringen hævet trykket i fuel-tanken helt op til sin maks tilladelige grænse, som var defineret til 23.5 bar. DPR-koden har altså gjort helt som den skulle. Hævet trykket i fuel-tanken i et forsøg på at bringe fuel-trykket i injektoren op omkring 17-18 bar. Den har den ikke nået før den ramte en sikkerhedsgrænse på 23.5 bar.

Hvorfor er udlæsningen på fuel-injektoren så så lav? Jo... det viser sig efter testen at vi istedet for at montere en 40 bar sensor på den port har monteret en 250 bar sensor... Dermed har det gain der er programmeret ind i Engine Controlleren været alt for lavt. En ærgelig menneskelig fejl, som vi skal finde en bedre procedure til at undgå.

For testens vedkommende betød det så at vi fik afprøvet at sikkerhedsgrænsen fungerer.

Det betyder også at vi har kørt med højt tryk på fuel-siden og dermed kørt med mere fuel end ønsket og dermed lavt OF-forhold.

Kigger vi derimod på LOX-siden i samme plot, så ser det meget bedre ud. Med en korrekt sensor monteret ser vi at trykket i LOX-tanken havner lige omkring 19.6 bar, det er stort set lige i skabet. Så LOX-regulatoren har kørt helt perfekt. Jeg har inkluderet LOX-regulatorens fejl, altså forskellen mellem aktuelt og fastsat tryk som plottet nederst til højre. Som det ses har vi maksimalt en fejl (under mainstage) på 0.2 bar gående mod 0 omkring MECO, det er helt perfekt!

Såfremt vi ellers får monteret sensorene korrekt er vi sikrer på at fuel-siden vil performe på samme måde. Og dermed mener vi at koden, på trods af testens fejl, er valideret tilstrækkeligt. Vi vil dog gennemgå Nexø II endnu engang for at se at alle sensorer sidder korrekt og at Engine Controlleren er programmeret med de rigtige gains og offset for hver enkelt sensor.

Lad os gå videre til næste graf. Den viser diverse trykfald i systemet, både trykfald i rørføringer fra tanke og til motoren og trykfaldet over injektoren. Altsammen vigtig information når man sigter efter et bestemt kammertryk. Den 3. graf viser motorens trykkraft. Da vi kørte lidt højere kammertryk end planlagt, så ender vi faktisk lige i underkanten af 6000 N!

Rykker vi videre til række to, så ser vi først volumenflow udlæst fra de to flowsensorer og dernæst masseflow og OF forhold baseret på volumenflow. Som det ses er fuel-flowet højere end tiltænkt og OF-forholdet ender da helt nede på 1.

Sidste graf i denne række viser et mål for performance, nemlig motorens specifikke impuls. Her ligger vi imellem 180 og 190 sekunder, hvilket det lave OF forhold taget i betragtning er ganske nydeligt. Med et korrekt OF-forhold kan vi hive den op til lige omkring 200 sek.

Rykker vi ned til række tre, ser vi nu temperaturstigningen i brændstoffet, som jo bruges til at køle motoren før det brændes af. Vi ser at vi ender med en temperaturstigning på lige under 40 grader. Normalt ligger vi en anelse højere omkring 45 grader, men det kan sagtens tilskrives det lave OF-forhold. Næste graf er en direkte afledt af temperaturstigningen og masseflowet af brændstof, den viser nemlig hvor stor en effekt brændstoffet optager på sin tur gennem kølekanalen. Ved MECO ligger vi på omkring 180 kW som brændstoffet fjerner fra kammervæggen (!).

Sidst graf i denne række bruger vi ikke til meget i analysen af motorens performance. Den viser mængden af LOX i tanken og kurven kommer fra den fine kapacitive LOX-sensor som Emil og Meincke har lavet. Ja, jeg nævnte det også sidst, men den sensor er så signifikant en opgradering af teststanden at den fortjener at blive nævnt igen. Den er simpelthen u-undværlig når man skal tanke LOX på sin teststand. Eller raket for den sags skyld. Nexø II er naturligvis udstyret med en flight udgave af denne sensor.

I sidste række ser vi først duty cycle (eller relativ åbningstid) for vores HYDAC DPR-ventiler. Som det ses går fuel-ventilen hurtigt helt åben og så står den ellers og skifter mellem helt åben og helt lukket i DPR-styringens forsøg på at drive trykket op og dens møde med sikkerhedsgrænsen på 23.5 bar. På LOX-siden ser vi en mere forventelig kurve, hvor ventilen går mod fuld åben omkring MECO.

Næste graf i rækken trykket i DPR-tanken, som jo på teststanden er to stk 12 liter dykkerflasker. De er før testen går i gang tryksatte til 190 bar med helium. En stor del af gassen forbruges mellem T-20 og T0 sek, hvor brændstoftankene tryksættes til 20 bar. Det faldende tryk i tankene er årsagen til at DPR-ventilerne (i dette tilfælde LOX-sidens DPR-ventil) langsomt bevæger sig mod at skulle åbne helt for at levere gas nok.

Sidste graf er som tidligere nævnt fejlen på DPR-styringen, altså forskellen mellem aktuelt tryk i injektoren og det ønskede tryk.

Ser vi bort fra den uheldige sensor-forvirring så er det en helt godkendt test, som validerer at Nexø IIs Engine Controller er klar til at flyve.

Det var dog ikke den eneste test vi lavede i lørdags. Nu hvor vi havde kørt teststanden i stilling, så skulle der naturligvis eksperimenteres en smule og det blev der så sandelig også. Vi fik kørt i alt 5 test med ialt ca. 85 sekunders drift (mainstage) og ydet en total impuls på 476 kNs med BPM5 #3. Dagens andet testprogram bestod af at eksperimentere med forskellige brændstofblandinger. Vores standardbrændstof består jo af 75% ethanol og vand for resten. For at eksperimentere lidt og lære nyt til input for design af BPM100, så testede vi også 85% ethanol, 92.5% ethanol og derudover 92.5% med tilsat TEOS og 75% med tilsat TEOS for at se om dette skulle have en udpræget effekt på varmeoverførslen til kammervæggen.

Alt dette er der dog så meget kød på at jeg vil slutte dagens blog her og vende tilbage med spændende resultater omkring dette i næste uge. Som en lille cliff hanger vil jeg lige vis et billede af motoren efter en kørsel med TEOS. So det ses er hele indersiden coated med et fint hvidt lag silicium dioxid.

Illustration: Carsten Olsen

Efter en kørsel med blot 1% TEOS er motoren belagt med et fint lag SiO2. Foto: Carsten Olsen.

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.

Når i skyder DPR-raketter op i fremtiden, kan i så lave den indledende tryksætning af LOX- og fuel-tank fra en ekstern trykkilde, så i undgår at spilde tryk fra den/de indbyggede DPR-tanke?

  • 1
  • 0

Det kan man relativt nemt. Nexø I blev jo tryksat fra tanke på Sputnik. Det kan vi essentielt set gøre med Nexø II også, men dens helium-tank er så stor at det ikke er nødvendigt.

Til Spica vil vi bestemt overveje at tryksætte tankene fra Sputnik igen. Det afhænger lidt af om vi kan finde en DPR-tank hvor det giver mening at gøre det på den måde, altså en tank som i virkeligheden er "for lille" så det er nødvendigt at tryksætte tankene fra Sputnik. Det afhænger altså helt af hvad der er tilgængeligt på markedet for højtrykstanke i Spica-dimensioner.

  • 5
  • 0

Congratulations to the smoothly executed test. However, I am a bit worried that there always seems to be a little error. An incorrectly installed parachute line and a wrong pressure sensor are just the latest examples. I think one of the major challenges of spaceflight is getting the amazing number of details right. What is your approach to get this difficult problem under control?

  • 1
  • 0