#1 Lars Juul
Rigtig godt skrevet!
menu close Teknologiens Mediehus
person Konto arrow_drop_down
Af Jørgen Skyt
(blog 1 af 2, om at starte en bi-propellant raketmotor)
Hvilken rask knægt har ikke, på ét eller tidspunkt, været fascineret af ild!
Jeg har i hvert fald. Jeg glemmer aldrig min begejstring, da min storebror hældte benzin ud i en labyrintisk rende på en jordvold i baghaven og satte ild til, så flammerne løb op og ned og ud og rundt i hele labyrinten. Det var skide flot!
Mor delte ikke vores begejstring.
Jeg tror dog dråben flød over, da jeg opdagede, hvor spændende Zink-Svovl blandinger kunne være. Det gav nogle fantastiske, paddehatteskyer! Jeg anede ikke, at det var et almindelig brugt raketbrændstof. En dag opdagede jeg, hvad der sker, når denne reaktion kapsles ind i en tændstikæske. Det var kun i pap, herreste gud!
Alt imens lægen ringede rundt til byens forretninger, informerede min mor skolen, om det passerede. Jeg glemmer aldrig min fysiklærers spydige: ”Nååårh, Jørgen … har du så lært noget?”, da jeg en uges tid senere mødte op til undervisning med sårskorper i ansigtet, øjenlåget stadig hængende – og en lidt skarpere frisure, end det flagrende hår, jeg plejede at bære. Byens forretninger havde siden, som ved et trylleslag, helt udsolgt inden for svovl- og zinkpulver!
Det er jo egentlig lidt synd, når unge mennesker ikke får lov at lege med ild under kontrollerede forhold. Jeg har selv gjort mit bedste, for at lære mine egne børn om ild og om håndtering af sortkrudt og lignende. Bortset fra nogle enkelte tilfælde af spontane angstudbrud, har der til dato kun været materielle skader. Også i undervisningssammenhæng, har jeg med en vis succes brugt ild som den katalyserende faktor, der kan få elever til at lytte. Eksempelvis, når jeg har ladet unge på produktionsskole jonglere med brændende butan-snebolde og kaste ildkugler med blide, en mørk aften.
Om det ikke er farligt? Jo, for pokker da! Ellers var det ikke interessant for unge mænd, der har brug for at udfordre kræfternes magiske verden! Hvis man ikke MÅ prøve det med ”voksentilladelse”, under kontrollerede forhold med en kompetent vejleder, hvor galt vil det så ikke gå, når man bare VIL prøve det i al hemmelighed, uden vejledning og uden at ane, hvad man laver?
Om der er læring i det? Jo, for pokker da! Frostsne kan man ikke lave snebolde af. Punktum. Men hvis man sprayer en lille spand frostsne med flydende lightergas, så danner man en tung, fast sne-grød af butan (der koger ved -0,5 grader Celcius) og propan (der koger ved -43 grader Celcius). Propanen koger øjeblikkelig af til atmosfæren (”please don't smoke”), mens butanen klistrer sneen sammen til en grød, der opfører sig som tøsne, ved en konstant temperatur på -0,5 grader, indtil al butan er borte. Denne sne kan brænde, men bliver aldrig ulidelig varm at røre ved. Så kan man stå ude på den frostkolde plæne og kaste med brændende snebolde til hinanden og overraskes over, at man ikke brænder sig. Er der ikke læring i dette?
Med hensyn til den brændende ammunition ved de underholdende blidekast, vil jeg mene der er umiddelbar dokumentation for læringen heri. I videoen herunder, har de unge svært ved at forstå, hvorfor jeg med et brandtæppe slukker den ild, det har været så svært for dem at tænde. Man kan høre, at de der har fanget pointen med at slukke den tændte ild (for at varme olien op, så ilden kan overleve under kastet), bringer denne oplysning videre til de andre. De har guddødeme fanget pointen! De har fået en lille snert af en indsigt, der kan få stor betydning i deres fremtidige liv. Dét er læring. Selvom det bare var en aften, hvor vi skulle hygge os.
Der er noget mytisk over, at kunne kontrollere dette inferno af varme og destruktive kræfter. Ligeså dødbringende en fjende, ilden kan være, lige så livgivende en ven, kan den være. At kunne kontrollere ilden, er den væsentligste egenskab, der adskiller mennesker fra dyr.
Der har altid været noget magisk over ilden; en magi der spiller nært sammen med vore følelser. Ild forbindes med drømme, med store sejre - og med kærlighed!
”To lys på et bord” af Otto Brandenburg siger næsten alt. ”Ring of Fire” af Johnny Cash?
Vi er vilde med ild – det er det, der gør os til mennesker! Dyr er sædvanligvis rædselsslagne for den. Men kvinder da? Ja, for pokker! Hvis ilden præsenteres i den rette sammenhæng, så er der ikke et øje tørt! :-)
Jeg havde dog et uheldigt tilfælde en del år tilbage, hvor jeg tændte bål på en haveflise for nogle unge gæster fra Grønland, der var på visit hos min veninde. Drengene kedede sig bravt i de voksnes selskab, så jeg lærte dem om ”at gøre ild”. Lige dér på min venindes haveflise. De var begejstrede og har aldrig glemt det siden, har jeg hørt - men min veninde fandt det bestemt ikke heldigt, at jeg havde valgt hendes haveflise. Ligesom de, har hun heller aldrig glemt det! Der er åbenbart også noget, der hedder ”rettidig omhu”, hvad angår brugen af ild. Så jeg lærte, at ”ild skal præsenteres med følelse”:
Ild opstår ikke af sig selv. Det kan kræve hårdt arbejde, stor materialeindsigt og kan være en teknologisk bedrift. Eller ren og skært held, som i tidlig Pleistocæn, hvor mennesket lærte sig at håndtere ilden, men i starten sandsynligvis ild, der var opstået som følge af naturkræfternes tilfældige vold. Eksempelvis ved lynnedslag i et træ. Jeg kan i den forbindelse anbefale læserne at se - eller gense - den underholdende og ordløse ”Quest for Fire”/”Kampen om ilden”, der kan findes på flere, lovlige streamingtjenester. En film, der netop cirkler om dét, at ”gøre ild” i Pleistocæn.
Brandtrekanten fortæller om betingelserne for ild. Der skal være noget brændbart, noget varme og noget iltende tilstede, for at ild kan opstå og bestå.
Faktisk er der også en fjerde faktor, man ofte glemmer, men som de fleste spejdere kender alt til:
Den ved forbrændingen dannede varme skal overstige varmetabet fra udstrålingen og den ved tilførsel af brændstof og iltningsmiddel tabte varme!
Et godt eksempel er, at man kan slukke en mindre ild, ved at puste på den: Den kølende effekt af den store luftmængde, overstiger den ved forbrændingen producerede varme – og til slut går ilden ud. Hvor mange har ikke prøvet at tænde en gasbrænder med en lighter, blot for at opleve, at lighterflammen blæses ud?
Jeg har personlig deltaget i et forsøg, hvor vi slukkede en brand ved at tilføre store mængder trykluftforstøvet benzin. Altså både brændstof og iltningsmiddel i en god blanding – bare så kolossale mængder og så hurtigt, at fordampningsvarmen simpelthen frøs ildens arne.
Derfor kan man heller ikke ”bare lige” tænde en raketmotor med en gnist eller en lille fidibus, oppe i raketmotoren: Når der åbnes op for hanerne og adskillige kilogram forstøvet, flydende ilt og alkohol blæses ud gennem injektoren, så falder temperaturen voldsomt.
Ved en af 2015 sommerens mange testkørsler på BPM-5, havde vi en igniter, der ikke tændte og vi fik muligheden for at se fænomenet i virkeligheden.
Der er pænt koldt i kammeret, når LOX forstøves og koger ved -183 grader. Der dannes en tæt sky af ethanol-sne i en suppe af flydende ilt, der endelig pjasker ud gennem dysen, eller helt kort: ”Velkommen til picnic på Enceladus”!
Der skal virkelig pumpes nogle Joule ind i sådan sky, før forbrændingen kan være selvopholdende!
Tænding af en BPM-5 raketmotor sker derfor i flere skarpt koordinerede tempi:
1) Vi indleder med at tænde igniteren (en pyroteknisk indretning, der laver en fontæne af magnesium gnister, der spredes ud i brændkammeret, lige under injektoren).
2) Når vi har konstateret, at igniteren arbejder som den skal, går vi over til ”prestage”, hvor der tilføres en beskeden brøkdel af fuldt flow. Men ”prestage” er i sig selv delt i to, startende med ”priming”, hvor kølekappen fyldes med alkohol, kort før vi åbner for LOX. Derefter bliver der skruet op for begge haner, til vi har et stabilt, men beskedent flow (omkring 10%) på både alkohol og LOX.
3) Først når vi ved kammertrykmåling registrerer, at ilden har ordentlig fat under ”prestage”, kan vi gå over til ”mainstage”, hvor vi åbner helt for ventilerne.
Hvis igniteren ikke leverer varme nok, skal vi skrue så langt ned for ”prestage”, at vi stort set ingen køling har af kammervæggen. Ved for lavt flow kan vi desuden risikere, at det injektordesign vi har valgt, ikke kan forstøve LOX og fuel som ønsket; injektoren er jo designet til ”mainstage”. Det kan give dårlig og ustabil forbrænding, med blandt andet gennembrænding af den indre kammervæg til følge, hvis der fx er uforholdsmæssig højt oxygenoverskud et enkelt sted, hvor vi derfor kan få en ”hot spot” og gennembrænding på brøkdele af et sekund. Så vi SKAL altså være HELT sikre på, at vi har både indledende flow og ”Oomph” nok på, før vi åbner for sluserne, med det cirka 10 gange større flow i ”mainstage”.
Det ville jo være pænt ærgerligt, hvis vi i denne transitionsfase risikerede at blæse ilden helt ud i ekspansionsdysen, hvorfra flammefronten før eller siden ville propagere tilbage i kammeret, med en helt ekstrem kompression og en destruktiv ”hard start” til følge. Det er dét brandmænd kender som ”backlash” - bare på steroider!
Den 21 december 1939 var natten kold og klar ved Kummersdorf Vest, da von Braun, Riedel, Dornberger og en anden tekniker, Heinrich Grunow drog hen til en udendørs teststand. Tre beton plader, fem meter lange og tre meter høje, dannede en åben indkapsling, der kunne lukkes med et par metaldøre. Taget, lavet af træplader med tagpap, blev fjernet forud for testen. Indenfor i testindkapslingen befandt sig den første raketmotor von Braun udviklede under Dornbergers ledelse, en ca. 50 cm lang pæreformet motor, lavet af duraluminium og designet til at yde en trykkraft på ca. 3kN. Rør og ledninger førte fra teststanden til kontrolrummet på den anden side af en væg, hvor teknikerne Riedel og Grunow sad i sikkerhed under testen, mens de ledte brændstof og iltningsmiddel ind i forbrændingskammeret. I mellemtiden bragte Dornberger sig i sikkerhed bag et træ.
Som det yngste medlem af gruppen, antændte von Braun raketmotoren med en dåse brændende benzin for enden af en 4 meter lang kæp, som han førte hen til skyen af flydende ilt og alkohol, der blæste ud af dysen. Øjeblikkelig lød et øresønderrivende brag, teststanden blev opslugt i et flammehav og eksplosionen flåede ståldørene af deres hængsler og gloende metalstykker fløj i alle retninger. Mens flammerne døde hen, eksponeredes et kaos af forvredne metalstykker og forkullede kabler. Da Riedel og Grunow kom ud fra kontrolrummet, fandt de såvel Dornberger som von Braun mirakuløst uskadte. Årsagen var den forsinkede tænding, der skete i dysens åbning, hvorfra flammefronten propagerede op i det helt fyldte forbrændingskammer, hvor alt brændstof antændtes på et splitsekund, resulterende i den altødelæggende eksplosion. (Oversat, let omskrevet, fra ”Breaking The Chains Of Gravity” af Amy Shira Teitel)
Disse ”hard starts”, hvor motoren yder væsentlig mere end den er designet til i et splitsekund, er slet ikke usædvanlige. Vi har selv oplevet det, da det er et ganske naturligt forekommende fænomen under indkøring af en ny motor, inden alle parametre er helt på plads. Men ”hard starts” kan være alt fra ”et lidt for stort knald” over ”deformationshærdning af kammeret” til ”en altødelæggende eksplosion”. Uanset gradbøjningen, så forsøger man at undgå dem helt, da allerede den ”milde” grad kan skade vejeceller, rørføringer og svække samlinger og pakninger.
Det altafgørende er at undgå de ”hard starts”, hvor motoren ødelægges, eller der er risiko for, at nogen kan komme til skade. Det undgå vi ved omhyggelig gennemtænkt ”rettidig omhu”.
Derfor beder vi også om forståelse for, at vi bruger store ressourcer på alle sikkerhedsaspekter omkring hver eneste test. Der kan altid opstå små fejl, forglemmelser eller misforståelser. Det er derfor vi i Copenhagen Suborbitals til stadighed udvikler og vedligeholder en stram organisation omkring alle tests, med dedikerede opgaver og procedurer, med alt fra sikkerhedsafstande, radiokommunikation over risikovurderinger til samfundshjælp for uforvarende pensionister på tur med pudlen. Vi gør, hvad vi kan, for at tage alle ulyksalige muligheder in mente og handler kontant og øjeblikkeligt på de ”issues”, der måtte opstå.
Vi ønsker naturligvis, at igniteren sidder ordentlig fast, indtil mission control beslutter, at den har udtjent sin rolle. Dette har til dato været løst, ved at montere igniteren på en lang pind, der blev blæst ud af kammeret, når vi nåede ”mainstage” hvor nogle plasticstrips blev smeltet over.
Det er en pudsig lavteknologisk løsning, som har vist sit værd gennem mange år, blandt andet på den russiske Soyuz rakets 32 motorer, hvor der sidder en næsten identisk igniterstok i hver. Så sent som d. 12. marts 2016 måtte en opsendelse aborteres, da det én af igniterne ikke kunne konstateres tændt: http://www.russianspaceweb.com/resurs-p3.html
Vi bruger en del tid og bekymringer, som det næsten kan tænkes af ovenstående – og også værkstedstimer og eksperimenter – for at sikre, at ”det, der kan ske” er noget, vi selv kontrollerer!
Det er ikke ”vigtigere”, end at ramme et equilibrium mellem produceret varme i kammeret og effektiviteten af kølevæskens evne, til at vedligeholde styrken af dyse og brændkammers indre væg. Det er heller ikke ”vigtigere”, end at teste den software, der skal styre de servomotorer, der drejer og justere Jetvanes, så raketten flyver lodret. Det er heller ikke ”vigtigere”, end at sørge for at toilet-kværnen i HAB fungerer optimal og korresponderer med skyllemængden i relation til kloakslangens kapacitet. Det er bare VIGTIGT, ligesom alt andet indenfor ”Rocket Science” er, i al sin tankevækkende kompleksitet.
Murphy og Sun Tzu i skøn forening siger: ”Du skal vælge dine kampe, så det garanterede udbytte af sejren, væsentligt overstiger det garanterede tab”. Alt har en pris. Før vi træffer et valg, om eksempelvis et ændret injektor-design, så skal vi være overordentlig sikre på, at fordelene ved ændringen væsentligt overstiger de omkostninger og ulemper, der følger af designændringen. Alt hænger sammen. Enhver designændring ét sted, får uafværgeligt betydning mange andre steder.
Det er ikke nok, at tænke i 3D, men det er en god begyndelse. Der skal også tænkes i, hvorledes fx tryk- og temperaturforhold ændres undervejs. Et glimrende eksempel er brugen af skydebomuld, der viser sig at være uegnet som trykskabende drivmiddel til fx udstødning af faldskærm. På grund af den særlige måde skydebomuld forbrænder på, fungerer det ikke på samme måde i nær-vakuum, som under atmosfærisk tryk ved jordoverfladen. Dette menes at være den primære årsag til, at vi mistede ”Sapphire” til Østersøens bølger, hin dag i 2014. Skydebomuld skal pakkes ind i en morter-lignende konstruktion, for at kunne fungere ved lavt tryk, hvilket tilfører yderligere kompleksitet og vægt til projektet. Test med skydebomuld ved 1 og ved 0,2 atm: https://www.youtube.com/watch?v=QnDZ_cO5Ln4
Der er således rigeligt med grunde til, at vi lader os inspirere så meget af hvad, ”de voksne” i branchen har forsøgt, testet og fløjet med. Hvis NASA har brugt millioner af dollars på nogle forsøg og skrevet en 200 siders rapport med testresultater, der siger at dette eller hint er for farligt, usikkert eller af en helt tredje årsag bare ikke fungere, så har vi ikke fattet meget af begrebet ”rettidig omhu”, hvis vi alligevel forsøger at gå ad dén vej.
På samme måde lader vi os glædeligt inspirere, når andre hobby-entusiaster udvikler og tester én eller anden anordning, der kunne løse én af vore udfordringer. Så hvis en ”konkurrerende raketklub”, der bygger en gigantisk raket, der sender astronauter, satellitter og cargo i kredsløb om jorden vælger, at deres rakets motorer alle skal startes med en træpind med påmonteret, spruttende fontæne, stukket op i motoren, så kan det vel tillades, at vi lader os inspirere, ikke?
Så vi har altså stadig en træpind, der stritter ind i brændkammeret og er sat fast med plastikstrips. Det lyder ikke særlig innovativt, men den eksisterende model er faktisk opstået som et resultat af en lang række iterationer. Under de mange tests er der lavet utallige, diskrete modifikationer i opbygningen, størrelsen, valget af materialer, montagemetoder og meget andet. At den så er endt med at ligne dén type, der blev brugt til at tænde de 32 monster-motorer på den ”rumgenstand”, der transporterede Andreas Mogensen op i kredsløb til sit ophold på rumstationen ISS for nylig, er noget vi først er blevet opmærksomme på indenfor de seneste dage. Så er det er da ikke HELT ringe ramt, vel?
De indkøbte, professionelt fabrikerede, ignitere havde uheldigvis den feature, at de ville blæse direkte ind på injektoren af aluminium og gennemskære den på kort tid. Løsninger efterforskedes og Jesper gik i gang med nogle inspirerende eksperimenter med ”deflektorer”, der blev testet. Om det var materialet, fremstillingsmetoden eller bare godstykkelsen, der fejlede, fandt vi aldrig ud af, men de brændte desværre igennem. Jeg lavede så nogle trebenede, ret tykke koniske deflektorer på drejebænken, der spreder igniterens magnesiumgnister ud foran injektoren, så denne ikke gennembrændes.
De kendes internt som ”Smølfe-barstole” og viste sig at fungere tilpas godt til, at de i det mindste kunne bruges til stabil motorstart under seneste sommers testafvikling. De er sidenhen gjort mindre, da de indkøbte pyrotekniske fyrværkerifontæner er blevet erstattet af nogle mindre, der er ”tilstrækkelige” og som giver vore sarte jetvanes bedre chancer for overlevelse.
Jeg var personligt hverken tilfreds med materialevalg eller profil (Bemærk errosionen på billedet herunder), men jeg måtte bare lytte til min lille ”russer”, der dansede rundt på skulderen og råbte: ”Det virker jo, Jørgen ... davaj, davaj!”.
Indtil videre er det gået fint, men vi er flere i foreningen, der aldrig har haft det rigtig godt med at have ting stukket op bagi. Uanset, hvor populært det åbenbart er i Rusland. Turen ud gennem dysen, foregår jo som et pistolskud og vi vil helst ikke have hverken kammervæggen eller de delikate jetvanes af grafit, skadet af en ”smølfestol på bersærkergang”.
Til en serie af BPM-5 tests konstruerede jeg derfor en ”Meincke-slæde” (ind i mellem er det svært at finde på kaldenavne til vore ”gadgets”, så de ender gerne med at få navn efter den, der er kommet med ideen, eller har arbejdet mest med den): en skinneanordning, hvortil var fæstnet en vogn, der greb om skinnerne og hvortil ”Wilson-kæppen” (!) med igniter var stripset fast, så den forlod motoren i en kontrolleret kurs.
På billeder ses tydeligt, hvor meget kompleksitet, denne konstruktion har tilført setuppet. For slet ikke at tale om, hvor meget den er i vejen under service og inspektion. Iøvrigt virker det faktisk ikke engang særlig godt, da rundstokken simpelt hen svirper som en ridepisk på vejen ud, blandt andet forårsaget af ”Meincke-slæden”'s store inerti (man kan næsten fornemme dens masse ud fra billederne. Beklager, men jeg måtte bruge, hvad vi havde på lager!) så vi har naturligvis fundet en helt anden løsning. På den anden side er det da absolut klædeligt, at den ikke bærer mit navn.
Resten af den omfattende snak om denne lillebitte flig af vore mange udfordringer, må vente til det kommende ”2. trin” af denne blog, hvor jeg vil lade læserne se mere til, hvordan ”de voksne” i branchen gør, hvad andre entusiaster eksperimenterer med, hvad det er, vi selv er kommet frem til og lidt om noget af det, vi i øvrigt går og pusler med bag tæppet, når scenelyset er fadet ud, mikrofonerne slukkede, publikum gået hjem og den sidste Taxa er kørt!
For denne gang, tak for opmærksomheden!
