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

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

En åbning til rummet

Af Daniel Nørhave

Siden februar er vi seks maskiningeniørstuderende fra DTU, som har arbejdet på at designe en luge til kapslen på det helt store skud, Spica.

Som vores fagprojekt, der er et større projekt på 4. semester, har vi valgt at tage fat på denne opgave, som igennem tiden har vist sig at være en større udfordring. Her tænker jeg eksempelvis på uheld som Gus Grissoms splashdown med Liberty Bell 7, hvor lugen sprang af, og kapslen var ved at synke. Denne episode endte heldigvis godt med en redning af Grissom i tide. Modsat har vi skrækeksemplet med Apollo 1, som nok kan betegnes som den værste lugerelaterede ulykke til dato. Der er derfor gået rigtig mange tanker ind i processen med at få designet en luge, der kan klare selv de utænkelige situationer. Vi har kigget både mod Soyuz-kapslen - som ikke er meget mere end et mandehul - til de meget avancerede luger på de senere Apollo kapsler. Helt fra starten har vi tænkt på at gøre designet så enkelt som muligt, så der er færrest mulige komponenter, der kan fejle, og derudover har det været en prioritering at have en 100% mekanisk løsning, så alt kan betjenes af astronauten uden elektronik.

Krav og kriterier for lugen blev i de første uger specificeret i samarbejde med Copenhagen Suborbitals. Ind- og udstigningstiden igennem lugen, kræfter og tryk, som påvirker kapsel og luge samt funktionaliteten af åbningsmekanismen, blev vendt, og hermed var grunden til projektet lagt. Det er disse krav og kriterier, som har formet og dimensioneret lugen.

Illustration: CS

Det endelige design af lugen ses her med tilhørende karm

Karmen boltes fast på selve kapslen, og lugen sidder på indersiden af denne, så trykforskellen, der opstår, når kapslen rammer de 100 km, blot pakker lugen tættere ind imod karmen. Den centrale låsemekanisme kan drejes med et håndtag (som ikke ses på denne model), og derved låses de 6 paler fast i indspændingerne i karmen. På ydersiden kan låsemekanismen også åbnes - her kan ethvert værktøj med en halv-tomme fitting for enden bruges. En hældning yderst på palerne gør, at jo mere håndtaget drejes, jo mere pakkes lugen ind mod karmen.

Der skulle dog mange overvejelser til, før vi nåede frem til dette design. Vi starter derfor helt ved starten.

At designe et lugehul til verdens mindste bemandede kapsel,

..kan være en større udfordring. Som den første del af designet skulle formen på lugehullet bestemmes. Der blev kigget meget på tidligere løsninger, men der findes ikke nogle kapsler i denne størrelse (diameteren af Spicas kapsel er blot 955 mm). Derfor gik vi som det første igang med at lave en form-model af kapslen i træ, og herefter lavede vi forskellige lugehulsudforminger med papstykker, som kunne sættes fast på træmodellen. På denne måde kunne størrelsen og udformningen af lugehullet bestemmes ud fra hvilket design, der var nemmest og hurtigst at komme ud af.

Løsningen blev et lidt atypisk design, som skyldes måden, hvorpå kapslen ligger i vandet efter splashdown. Da astronauten kommer til at ligge på ryggen med fronten op mod lugen, var den mest ideelle form, som vi kom frem til - smal i bunden og bredere i toppen. Derved kan astronauten lægge vægten på den smalle del med armene, mens skuldrene nemt kommer igennem den brede del af lugehullet.

De største kræfter ved splashdown sker også i den nederste del af kapslen, da den største overliggende masse findes her. Derfor er det fordelagtigt at have en mindre udskæring i bunden end i toppen. Vi har lavet CFD-beregninger til at bestemme kræfterne og accelerationerne, som opstår i kapslen ved splashdown (her er dog regnet med en helt stiv konstruktion), og vi kommer frem til en maksimal kraft på 51,1 kN samt en maksimal acceleration på 14,9 g. Dette er dog, hvis kapslen rammer vandoverfladen med 15 m/s, hvilket er worst-case-scenario, og derfor er udregningen rimelig konservativ.

Det kunne også ses, at kapslen dykker hele 4,3 meter ned under vandet ved splashdown, pga. den lange og smalle form. Derfor opstår der også et tryk på ydersiden af kapslen, som er blevet taget højde for i designet.

Det overordnede design er bestemt af åbningsmekanismen,

..som også er en af de vigtigste dele af lugen. Åbningsmekanismen skal let kunne betjenes af astronauten, og i tilfælde af, at astronauten ikke er ved bevidsthed, skal lugen også hurtigt kunne åbnes udefra. Låsemekanismen sidder derfor på en aksel, som løber igennem lugen. Ved hjælp af en fjeder, som presser ned på en o-ring, pakkes låsemekanismen, når lugen ikke skal åbnes eller lukkes. Ved åbning af lugen skal astronauten trække i håndtaget for at fjerne skralden fra spærhjulet, som sidder på akslen - derved presses fjederen yderligere sammen og løftes også fra o-ringen. Herefter kan håndtaget drejes, og lugen åbnes. Da der skal lægges lidt kræfter i for at presse fjederen sammen, åbnes lugen heller ikke tilfældigt på noget tidspunkt.

Det er 6 paler, der skubbes ud i indspænding, som låser lugen fast, når der drejes på håndtaget. Disse har en hældning på spidsen, som gør, at neoprenpakningen (på 10 mm) mellem luge og karm bliver presset sammen til 5 mm. Herved pakkes stadig nok, selv hvis der opstår eventuelle skævheder mellem den valsede luge og valsede karm. Selve lugen er lavet i 4 mm aluplade, og herpå er der svejst 4 mm ribber i alu. Ved Finite-Element analyse har vi bestemt en fordelagtig placering af disse ribber.

Som sagt bliver lugen spændt fast på en karm, som for at lette vores produktion er lavet i stål. Dog skal den endelige karm højst sandsynligt være lavet i alu ligesom lugen, for at spare på vægten. Denne karm er designet, så der er mulighed for at kunne bruge sprængbolte til at sprænge både luge og karm af, hvis lugen mod alle odds skulle fejle. Vi er ikke selv gået ind i arbejdet med spængbolte, men karmen giver mulighed for at gøre det. På nuværende tidspunkt er det blot almindelige maskinskruer, der holder karmen på plads. Hvis man senere finder ud af, at der ikke ønskes sprængbolte, kan karmen gøres til en integreret del af kapslen, men lige nu er det lavet for at have et redundant system til åbningen af lugen.

Efterhånden kunne vi begynde at konstruere komponenterne,

..som vi igennem ugerne har designet og dimensioneret. Først skulle en teststand på benene, så lugens tæthed kunne testes, når den blev færdig i produktion. Denne blev lavet som et udsnit af en cylinder, hvor den krumme flade har den samme krumning som Spicas kapsel.

Først er et hul i bagsiden blevet skåret ud, så der er mulighed for at komme ind til lugen bagfra. Herefter blev testanden tryktestet til 1,5 bar, før der blev skåret ud til den rigtige luge foran. Dermed kendes det tryktab, som skyldes af teststanden selv. Når vi i løbet af denne uge kommer til at trykteste med lugen foran på teststanden, kan vi således sammenligne tryktabene, og se hvor tæt lugen er i sig selv.

I starten af juni begyndte vi produktionen af selve lugen i Skylab på DTU. Det er også i samarbejde med Skylab, at vi laver lugen, og de har derfor sponsoreret en stor del af komponenterne, som er brugt til konstruktionen. En af vores helt store udfordringer har været at få lugens krumme flade til at passe på karmens krumme flade. De er begge valset i en manuel valse, og på karmen er svejst en flange, som gør at pakningen ikke pakkes mere end 50%. Imidlertid er der på lugen svejst ribber. Alle disse svejsninger får materialet til at slå sig, så skabeloner til bl.a. at få palføringer til at sidde korrekt, har været en stor hjælp. Derudover er der også blevet brugt længere tid med en stor hammer for at finjustere.

Skabelonen, som ses på billedet, gør, at palføringerne får den helt rigtige position i forhold til hinanden. Palføringerne er udstyret med lavfriktionsbøsninger i bronze med grafitspor og sørger for, at palerne rammer indspændingerne på karmen korrekt.

De sidste test

..skal laves i denne uge, og vi regner med at tage til Refshaleøen for at lave tryktest med indre luftovertryk. Vi har tidligere lavet test ved Skylab, hvor vi brugte vand til at tryksætte med, da overtrykket kunne opnås blot ved at bruge vandhanen. Dog ønskes en mere realistisk test med luft nu, hvor lugen bliver sat på og eventuelt også en test, hvor vi laver et undertryk inde i kaplsen for at simulere kræfterne, der opstår lige efter splashdown, når kapslen er neddykket i vand.

Dette bliver også afslutningen på vores projekt, som skal forsvares d. 22. juni. Herefter overleveres rapporten og erfaringerne med at designe lugen til CS, så der er noget at tage udgangspunkt i, når der for alvor skal til at udvikles på Spica. Forhåbentligt giver dette projekt et lille skub i den rigtige retning mod den første amatør-astronaut i rummet.

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

Fra CS side har vi været rigtig glade for samarbejdet med både de seks studerende men også DTU Skylab, som har været en stor hjælp gennem projektet. Vi håber at kunne tilbyde flere lignende projekter sammen med Skylab fremover :-)

  • 8
  • 0

stjæler det ikke en forfærdelig masse plads inden i kapslen? Der skal jo også være plads til lugen, efter den er åbnet/fjernet.

Hvorfor alt det besvær med bøsninger med stempelstang og en plejlstang til drejeskiven på midten? I stedet for de temmelig voldsomme og tunge bøsninger ville jeg bare lave en kort ring af afrundet materiale helt yderst på lugen og så lade stempelstængerne gå direkte ind til drejeskiven uden plejlstang. Det vil godt nok give en lille, sideværts vinkeldrejning af stempelstængerne, samtidig med at de bevæger sig indefter eller udefter; men pga. de korte ringbøsninger er det uden betydning. Derved kan drejeskiven samtidig komme helt tæt på lugen, så der bliver væsentlig mere plads til astronauten (stængerne kan bare gå igennem ribbeforstærkningen i dennes neutralakse).

Grunden til, at I må benytte lavfriktionsbøsninger, er, at kræfterne på lugen får stempelstængerne til at "kante" i bøsningerne. Det sker også, når I drejer skiven, hvorved der opstår et sideværts drejende moment. I mit forslag er der ingen "kantning", da stempelstængerne blot holdes/styres af ringbøsningen helt yderst og drejeskiven i midten. Det betyder også, at man langt bedre kan udnytte den kraftforstærkning, der opstår, når stempelstængerne ved starten af drejningen, hvor kraftbehovet er størst, stort set går radialt ud fra drejeskiven.

  • 1
  • 1

PS. Der er ingen, der siger, at den spidsning (på stempelstængerne), der skal få lugen til at tætne til sidst, skal gå radialt. Den kan lige så godt gå helt eller delvist sideværts på karmen, så man udnytter den sideværts drejning af stempelstængerne.

  • 1
  • 2

Man kunne eventuelt vælge at trykstængerne er dem med forskellige længe for at undgå for stor sideværts påvirkning af låsetapperne.

  • 0
  • 0

PS. Der er ingen, der siger, at den spidsning (på stempelstængerne), der skal få lugen til at tætne til sidst, skal gå radialt. Den kan lige så godt gå helt eller delvist sideværts på karmen, så man udnytter den sideværts drejning af stempelstængerne.

Hvis man gør det, vil det kræve enten, at alle stængerne er lige lange (svært på det viste design) eller, at de enkelte flader på karmen der fanger stængerne skal designes individuelt for at kompensere for forskellig længde.

mvh Flemming
(der glæder sig til at se lugen i real life)

  • 4
  • 0

Hvis man gør det, vil det kræve enten, at alle stængerne er lige lange (svært på det viste design) eller, at de enkelte flader på karmen der fanger stængerne skal designes individuelt for at kompensere for forskellig længde.

... eller ved at stempelstængerne ikke lejres med samme vinkel i forhold til drejeskiven.

Den største vinkeldrejning sker i starten af drejningen og er naturligvis størst på de korte stænger; men lejringspunktet skal ikke flyttes så meget i drejeretningen (med uret på tegningen), før den totale vinkeldrejning bliver den samme, og lejres de samtidig i en anelse mindre radius, kan man samtidig få den langsgående bevægelse til at være ens. Det er bare et spørgsmål om geometri.

  • 2
  • 0

Ja, flot arbejde og flotte fotos. Der er nu noget særligt ved at se tilblivelsen af godt kram (siger jeg som programmør og dermed skaber af immaterielle ting).

PS. Jeg synes jeg har set den luge-form tidligere.

  • 1
  • 0
  • her kan ethvert værktøj med en halv-tomme fitting for enden bruges.

Hvis det var min konstruktion ville tommer under enhver form være bandlyst...
Fint projekt iøvrigt, selvom det er svært at vurdere funktionaliteten.

  • 2
  • 0

Til dem der ikke lige følger med på Facebook kan vi berette, at der i går kom en raket ombord på Sputnik. Det gav mulighed for at tage dette fantastiske billede af flåden:

https://picasaweb.google.com/1146573655145...

I dag står den på "Harbor Acceptance Test", hvor alle systemer checkes igennem mens flåden stadig ligger til kaj

  • 3
  • 0

Jeg synes Kanstrup har en pointe i sit "men ..."

Vi taler om 6 ingeniørstuderende fra den fineste tekniske højskole i Danmark. Og så rækker ambitionsniveauet ikke til mere end de vandtætte døre jeg lavede bøsninger og beslag til i min læretid på Esbjerg havn for 40 år siden.

Hvis man gør det, vil det kræve enten, at alle stængerne er lige lange (svært på det viste design) eller, at de enkelte flader på karmen der fanger stængerne skal designes individuelt for at kompensere for forskellig længde.

Det argument køber jeg ikke. Tro mig når I først bygger døren så bliver beslagene designet individuelt med vinkelsliber, hammer, fil og pinolsliber.

  • 1
  • 0

Hej Henrik

Tak for feedback.

Afhængig af fremstillingsmåde kan man nu sagtens undgå de nævnte finjusterings værktøjer ;o)

Hvis både luge og karm er CNC-fremstillet, vil man sagtens kunne lave noget, "der passer".

At de ingeniørstuderende er kommet op med noget, der minder om din læretids vandtætte døre, er måske blot en indikation af, at det system egentlig er KISS og velafprøvet - CS's ambition har jo aldrig været at genopfinde den dybe tallerken, men at tage eksisterende teknologier og kombinere dem på en måde, der kan bringe en mand over Karmann linjen.

Om den endelige luge kommer til at se ud nøjagtigt som den viste prototype er vel tvivlsomt. Jeg kan sagtens følge Kanstrups argument om, at den fylder meget ind i kapslen, men der jo heller ingen, der siger, at plejlstænger nødvendigvis behøver at gå parallelt med låsestængerne, og på den måde kunne centerhjulet jo komme langt nærmere væggen.

mvh Flemming

  • 2
  • 0

Godt gået !

Eller også er der bare gået inflation i 12-taller?

Efter min mening fylder det lugearrangement alt for meget, kan have problemer med "kantning" i de meget korte bøsninger, og har alt for mange skarpe kanter og fremspring vendende ind mod astronauten. I bare en lille detalje som plejlstængernes forbindelse til stempelstængerne har man oven i købet vendt den spidse ende af boltene ind mod astronauten (se videoen).

  • 0
  • 2

ikke at lyde som en gammel sur mand Carsten ;o)

Selvfølgelig kan der laves forbedringer på designet, men censorerne har åbenbart vurderet resultatet i forhold til den tid, der var til rådighed for opgaven til et 12-tal - husk der er hverken et bachelor eller et master projekt.

At "alting var meget bedre i gamle dage" og at "nutidens unge for topkarakterer for ingenting", "flødebollerne er meget mindre end i gamle dage" o.s.v. er bare noget, vi gamle røvhuller må lære at leve med - hvor ondt det end måtte være ;o)

God weekend.

mvh Flemming

  • 2
  • 1

Selvfølgelig kan der laves forbedringer på designet, men censorerne har åbenbart vurderet resultatet i forhold til den tid, der var til rådighed for opgaven til et 12-tal - husk der er hverken et bachelor eller et master projekt.

I min tid blev topkarakteren (13) giver for den helt usædvanlig gode præstation, og jeg mener faktisk ikke, at man gør de unge en tjeneste ved ikke at fastholde dette. Det gør bare, at de får et chock, når de kommer ud i erhvervslivet, hvor der stilles helt anderledes krav. Her havde man f.eks. nok forestillet sig en rimelig tynd luge med en helt plan inderside og indfældet håndtag. Det er godt nok ikke noget master- eller bachelor projekt, men så hellere en papmodel, der viser hvad vej, man kunne tænke sig at gå.

  • 1
  • 4

ved ikke at fastholde dette.

Taget fra informationsmaterialet, dengang den nye skala blev publiceret:

Mange steder i udlandet er det i øvrigt sådan, at man kun kan blive optaget på en uddannelse, hvis man har topkarakterer. Men i 13-skalaen var topkarakteren en ”undtagelseskarakter”, der blev givet forholdsvis sjældent. I 7-trins-skalaen er der ingen undtagelseskarakterer.

Så det har været en særdeles bevidst tilgang.

  • 1
  • 0

@Carsten Kanstrup

Eller også er der bare gået inflation i 12-taller?

Jeg fik nu en del 13-taller ved 4 timers skriftlige prøver bare ved at regne rigtigt, så 13-tallet var nu også inflationsramt.

@Flemming Rasmussen

At de ingeniørstuderende er kommet op med noget, der minder om din læretids vandtætte døre, er måske blot en indikation af, at det system egentlig er KISS og velafprøvet


Jeg har intet problem i at man låner fra tidligere design, men jeg har 2 problemer her:

For det første erkender man det ikke, hvilket er et formelt problem.
For det andet foretager man ikke en sammenligning mellem kravspecifikationen på det oprindelige design og designet til Spica.
Lad mig nævne krav som Spica lugen ikke skal opfylde:
- kunne lukkes og åbnes mange gange
- kunne lukkes hurtigt
- kunne lukkes uden værktøj
- kunne lukkes indefra
- kunne lukkes af èn mand

Hvis både luge og karm er CNC-fremstillet, vil man sagtens kunne lave noget, "der passer".

Jeg har lavet nok luger til, at jeg får trækninger når ordet "luge" og ordet "sagtens" indgår i samme sætning.

  • 2
  • 1

For det første erkender man det ikke, hvilket er et formelt problem.
For det andet foretager man ikke en sammenligning mellem kravspecifikationen på det oprindelige design og designet til Spica.

Har du læst rapporten og var du til stede ved eksaminationen siden du ved hvad man ikke erkender?

Karaktergivning sker ud fra fagets læringsmål og ikke hvad du mener en færdiguddannet ingeniør bør kunne. Man forventer naturligvis mindre af et projekt der tidsmæssigt ligger før bachelor og kandidat projektet. De er andenårsstuderende! Det vil s** da være mærkeligt hvis pensionerede civilingeniører med et livs erfaring ikke kan komme på en bedre løsning.

  • 2
  • 0

@Baldur Norddahl

Karaktergivning sker ud fra fagets læringsmål og ikke hvad du mener en færdiguddannet ingeniør bør kunne. Man forventer naturligvis mindre af et projekt der tidsmæssigt ligger før bachelor og kandidat projektet. De er andenårsstuderende! Det vil s** da være mærkeligt hvis pensionerede civilingeniører med et livs erfaring ikke kan komme på en bedre løsning.


Når man er andenårsstuderende har man muligheden for at stille spørgsmålet: "Hvad skal denne her dingenot kunne?" Og man kan så mange ingeniørdiscipliner, at man kan teste de ideer man kommer op med. Det er sjældent vi "voksne" får den mulighed.

Det have været mere givtigt hvis de havde opfundet en ny slags luge indeholdende nye ideer. Det er ligegyldig, at vi gamle sure mænd så efterfølgende ville brokke os over at lugen ikke kunne fungere eller at de ikke havde fået topkarakter. De unge mennesker ville have lært noget, de kunne bære videre.
Og lur mig ikke om man ved CS kunne have høstet en halv god ide, som kunne bruges til den endelige luge.
Se det ville have været ambitiøst.

  • 0
  • 0

@Henrik Nielsen

Det typiske mål med projekter tidligt i en uddannelse omhandler processen og i mindre grad slutresultatet. De skal prøve tværfaglige færdigheder i praksis.

Jeg synes det er ret godt gået uanset om CS bruger designet eller ej. Det var et fuldent projekt der udmøntede i en prototype der godt kunne tænkes blive brugt. Set herfra giver det langt flere point en noget flyvsk, hvor de måske havde endt uden fungerende prototype og en rapport der måtte fokusere på hvorfor ideen ikke fungerede.

  • 1
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten