Dynamisk regulering af en raketmotor

Kære læsere,

Lørdag den 4. februar havde vi den store fornøjelse for alvor at gøre vores ”Dynamic Pressure Regulation” dynamisk. Indtil da havde vi udelukkende brugt DPR-systemet til at opretholde et fastsat tryk i brændstoftankene og dermed et fast tryk i raketmotoren. Ved denne test ville vi i stedet bruge systemet aktivt og lade motoren gennemløbe forskellige kammertryk og OF-forhold ved at variere trykket i brændstoftankene.

Ved at opsamle data fra varierende OF-forhold og kammertryk får vi detaljeret kendskab til brændstofforbrug, kammertryk og trykkraft som funktion af fødetryk. Det et en vigtig forudsætning for at kunne tømme brændstoftankene synkront ved sommerens flyvning med Nexø II. Det var derfor også BPM5 #3, som var i ilden da det er denne motor, der skal flyve på Nexø II.

BPM5 #3 klar til at køre inde i test-containeren. Foto: Mads Stenfatt.

Ved de sidste par tests har vi lånt en kapacitiv væskestandssensor, som vi har brugt til at måle væskestand i LOX-tanken. Det virkede rigtig godt, men vores lånetid var begrænset, så vi måtte aflevere den igen. Sådan en fyr koster omkring 12.000 kroner, så vi valgte naturligvis at lave vores egen udgave og den skulle i lørdags stå sin prøve. Jeg vil ikke skrive så meget om den her, for der skulle gerne komme en specifik blog inden længe om denne DIY LOX level sensor.

Vores hjemmegjorte LOX level sensor kalibreres i et rør fyldt med LOX. Foto: Emil Møller.

Overordnet set så gik testdagen ganske fint. Fulgte man streamen bemærkede man nok at vi havde et par mindre problemer. Det var i begge tilfælde fejl, som vi ikke umiddelbart er stødt på før. Den første fejl relaterede sig til hovedventilerne, som ikke ville åbne under vores sædvanlige pre test checkout. Problemet blev løst ved at power cycle teststanden. Den anden fejl relaterede sig til reguleringsventilerne, som lukker den rigtige mængde helium ind i brændstoftankene. Under tryksætning til både test 3 og 4 ville den ene af dem ikke åbne korrekt, så Booster teamet måtte ind til teststanden og debugge. Vi indså hurtigt at hele tryksætningssystemet var blevet meget koldt efter de første to tests, der sad faktisk is på reguleringsventilerne. Det har vi ikke lige set før, men omstændighederne omkring denne testdag var også lidt anderledes end normalt. Det er første gang at vi køre mange lange burns på en dag og vi må bare erkende at efter et langt burn, så er DPR-systemet altså koldt. Det er jo sådan set ikke overraskende når man ekspandere gas fra 200 bar og ned til omkring 20, ja så bliver ventilen og rørføringen kold. Det er så bare første gang at vi efter et langt burn skal køre igen, derfor har vi ikke set det før. Løsningen var blot at varme reguleringsventilerne en smule, så kørte de igen.

Se og hør hvordan testdagen gik i denne videoreportage fra dagen.

BPM5 #3 er vores mindst brugte motor. Det meste udviklingsarbejde er blevet lavet på BPM5 #1 (Franken 5) mens BPM5 #2 blev kørt en del forud for dens flyvning med Nexø I. Men BPM5 #3 havde faktisk kun kørt én enkelt gang forud for denne test. Den havde altså blot 7,5 sekunders drifttid og 33 kNs impuls på bagen inden sidste weekend. Med de opgraderede tanke på teststanden og et velfungerende DPR-system fik vi i denne omgang clocket 122 sekunders yderligere drift og hele 617 kNs!! Og lad os så få kigget på de data vi fik i hus!

Test 1

Ved dagens første test satsede vi på at holde et OF-forhold omkring 1.3 og så gå fra 12 til 16 bar i kammertryk. I alle test stepper vi i øvrigt op i tryk hvert 6. sekund. Størrelsen af trykstigningen variere lidt fra test til test.

Data fra Test 1.

Som det ses er der ret meget data fra sådan en test, lad os lige løbe igennem hvad de enkelte grafer viser.

Øverst til venstre har vi tanktryk, kammertryk og det tryk som DPR-styringen sigter efter. Øverst i midten har vi diverse trykfald i systemet, der er trykfald over injektoren for både fuel og LOX, der er tryktab i rørføring mellem tank og motor og for fuel er der tryktabet i kølekappen. Øverst til højre har vi så trykkraften, både det rå 10 kHz signal og en filtreret udgave af dette. I midten til venstre har vi temperaturen af fuel før og efter kølekappen samt forskellen mellem disse. I midten har vi det akkumulerede brændstofflow som output fra flowmetrene. I midten til højre har vi så brændstofflow og OF-forhold. Nederst til højre har vi specifik impuls, på basis af trykkraft og brændstofforbrug. Nederst i midten har vi tryk i højtrykssystemet og gasforbrug som funktion af tid. Nederst til højre har vi væskestand i LOX-tanken. Læg mærke til at tidsaksen på de to sidste grafer er noget længere, da de også inkludere tryksætningen.

Kigger man på både kammertryk og trykkraft ses effekten af trykstigningen hvert 6. sekund meget tydeligt, det er faktisk nogle meget pæne kurver, hvis jeg selv skal sige det. Det ses også at vi har kørt lidt højere kammertryk end vi sigtede efter, vi ligger mellem 13,1 og 16,8 bar og dermed en trykkraft mellem 4500 og 6000 N. Det er så vidt jeg lige husker ny rekord for vores BPM5 motor, der jo er designet til at yde 5000 N ved 15 bar kammertryk.

Det er dog ikke gået så godt med at holde OF-forholdet omkring 1.3. Vi rammer faktisk ret skævt og ender nede omkring 1.0. Men det er jo også netop derfor at vi kører disse tests, så vi kan lære noget og justere ind. Det lave OF-forhold gjorde at vi ændrede planen for de efterfølgende tests en smule for at bringe OF-forholdet op.

For nuværende er DPR-styringen kun lavet med et P-led i reguleringssløjfen. Det ses at det giver anledning til et offset mellem det ønskede tryk (target) og så det faktiske tryk i tankene. Det er et nogenlunde konstant offset på ca. 2 bar, som vi tager højde for i planlægningen af testen, men vi skal have udstyret reguleringen med et I-led, så vi forhåbentligvis kan komme helt af med dette offset.

Forbruget af helium ses som sagt nederst i midten. Under tryksætningen af de to tanke ved T-50 s og T-40 s er forbruget naturligvis højt, det peaker omkring 550 standardliter/s. Men læg lige mærke til hvor hurtigt det går! Det tager ca. 5 sekunder at tryksætte hver af brændstoftankene, det er simpelthen så lækkert. Læg i øvrigt mærker til de fire toppe mens motoren kører, det er naturligvis de fire skift i fødetryk der giver anledning til disse. På trykkurverne kan vi tillige se at det tager ca. 1,5 sekund at rampe tankene op til det nye tryk.

For den første test ses grafen med brændstofflow at være en lille smule ulden, i hvert fald på fuel-siden. Jeg ved ikke lige hvad det skyldes, det ses ikke i de tre efterfølgende tests.

Brændstoffets temperatur ændrer sig ikke nævneværdigt med det stigende kammertryk, der er muligvis en svagt stigende tendens. Det er i givet fald forventeligt da varmetransporten til kammervæggen stiger med kammertryk. Det ses dog ikke særlig tydeligt.

Signalet fra den kapacitive LOX level sensor ses at være klippestabilt. Der er en lille spike på det tidspunkt hvor tanken tryksættes. Vi så præcist det samme med den professionelle udgave vi havde til låns. Det lidt finurlige ved kurven er at den går hen og bliver negativ. Det er lidt underligt, da sensoren slutter 17 liter fra bunden af tanken, dermed er dens minimum faktisk 17 liter. Alligevel bliver signalet negativt. Det er muligvis noget kalibrering vi skal have kigget på. Det tror jeg Emil og Mads vil komme ind på i deres kommende blog om sensoren.

På trods af at vi tilsyneladende har kørt med et lavt OF-forhold så ser vi alligevel på kurven over specifik impuls at vi rammer op lige omkring 190 s ved højeste tryk. Det er sådan set ganske pænt!

Sammenligner man i øvrigt med data fra foregående tests vil man også lægge mærke til at vi har forkortet pre stage varigheden ret meget, den er nu kun på 500 ms. Der er jo ingen grund til at raketten står og spilder brændstof på at køre i ”tomgang”, så vi vil gerne bringe denne ned til et minimum. Med kun 500 ms er vi nok meget tæt på at have fundet et sikkert minimum.

Test 2

Proceduren for Test 2 var helt den samme, vi øgede dog trykket i LOX-tanken en smule for at komme højere op i OF-forhold. Det hjalp noget, men ikke helt nok.

Data fra Test 2.

Kurverne ligner til forveksling dem fra Test #1, vi ser dog som sagt at LOX-tanken ligger højere i tryk, det giver højere LOX-forbrug og højere OF-forhold, så vi denne gang ligger mellem 1,12 og 1,25.

Test 3

Igen øger vi primært trykket på LOX-tanken for at få OF-forholdet op.

Data fra Test 3.

Vi har nu fået OF-forholdet op på 1,26-1,36, så det går den rigtige vej. Den specifikke impuls er dog ikke helt enig, den er nu faldet til 183 s for det højeste tryk. Igen lidt underligt.

Test 4

Dagens sidste test, igen øger vi primært trykket i LOX-tanken.

Data fra Test 4.

Nu er OF-forholdet omkring 1,39-1,47 og den specifikke impuls er 189 s ved 16,5 bar. Brændstoffets temperaturstigning i kølekappen er dog pludselig steget ganske markant, den ligger omkring 70 grader, hvor den på de foregående test lå nogenlunde stabilt omkring 45-50 grader. Det er klart at den vil stige som følge af et stigende OF-forhold (varmere forbrænding og relativt mindre fuel til at køle), men det er godt nok en markant forskel.

Som vi ses fik vi masser af gode data i hus fra denne test, målt i total impuls er det faktisk vores "største" BPM5 testdag nogensinde. Der udestår stadig lidt databehandling for at få det fulde udbytte af testen. Derudover skal vi inden opsendelse af Nexø II havet opgraderet DPR-styringen, så vi undgår det tydelige offset mellem target tryk og faktisk tryk. Det vil formentlig indebære endnu en statisk test inden vi kan opsende Nexø II.

Derudover går vi lige nu og grubler over muligheden for en all up statisk test af Nexø II inden flight. Fejlen på Nexø I kunne muligvis have været fundet, hvis vi havde kørt statisk test af hele raketten. Det gør det jo besnærende at køre en fuld test på Nexø II. Omvendt, hvis noget går galt ala HEAT-2X, så står vi uden raket til sommer. Den er lidt svær... Men vi skal træffe en beslutning meget snart.

Thomas Pedersens billede
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.

Kommentarer (26)

Hej

Er der nogen planer for at variere thrust under flyvningen til sommer? F.eks. Med fuld skrald først, for så at drosle lidt ned og forlænge burnet, når man er nået op i fart?.

mvh

  • 3
  • 0