Hvordan får vi raketten ned igen i et stykke?

Det er nemt at få raketten ned igen i tusind stykker – et stykke er lidt mere tricky.

Vores mission i Danstar er at bygge en raket, som flyver på flydende brændstof og deltage i raketkonkurrencen, Spaceport America Cup 2020. Planen er at lave en testaffyring af raketten til foråret, hvis vi kan få tilladelse til det. For ikke at sprænge budgettet vil vi meget gerne kunne bruge den samme raket til konkurrencen, som den vi bruger til testaffyringen. Desuden bliver 15 % af de mulige point til Spaceport America Cup tildelt for succesfuld recovery. Det er altså åbenlyst fedt på mange måder at få raketten ned igen i et stykke. Dette er formålet med det subsystem, som jeg har arbejdet på at implementere og teste, recovery systemet.

Vores recovery proces er typisk for raketter i vores størrelsesklasse. Den består af 3 hovedbegivenheder, ”events”.

• Nosecone ejection

• Drogue deployment

• Main chute deployment

Den første recovery event, afskydning af næsekegle, sker på rakettens toppunkt. Højdemålet til konkurrencen er 9 kilometer, hvilket raketten opnår efter ca. 45 sekunders flyvetid. Derefter falder den ned med faldskærm i ca. 5 minutter, før vi lander sikkert tilbage på jorden.

Se denne video som forklarer de tre recovery events nærmere, samt viser nogle små tests, vi har lavet.

Når jeg i løbet af teksten referer til ”drogue faldskærmen” eller ”droguen”, mener jeg den lille faldskærm, som bliver foldet ud først i recovery processen.

Hvis vi skulle teste hele recovery processen i en enkelt test, ville det kræve at vi smed hele recovery systemet ud fra en flyvemaskine for at få lang nok faldtid. Det har vi ikke haft mulighed for hidtil, så vi har testet de enkelte trin hver for sig, hvilket nok også er klogt at gøre, før man eventuelt hopper ud af en flyver med det.

I sommerferien testede vi åbningssekvensen af drogue faldskærmen og hovedfaldskærmen. Noget af det mest katastrofale, der kan ske under åbningen af faldskærmene, er, at nogle af linerne bliver viklet ind i hinanden eller hægter sig fast uventede steder. Dette kan betyde, at faldskærmene ikke folder sig ud ordentligt. Hovedformålet med de test vi udførte, var derfor at se, at alting foldede sig pænt ud uden sammenfiltrede liner. Ydermere kan vi bruge videooptagelserne til at estimere terminalhastighederne af faldskærmene med de anvendte dødvægte, så vi kan validere faldskærmens formfaktor (drag coeffecient) oplyst af producenten.

Drogue testen bestod i, at vi smed det assembly, som bliver blotlagt i toppen af raketten, når noseconen bliver skudt af, ud fra en høj bygning. Droguen ligger sammenfoldet direkte ovenpå den tønde, som indeholder vores hovedfaldskærm, så det var særligt vigtigt for os at se, at den måde vi havde pakket droguen og trevlet shock chorden (hovedlinen fra ankeret til faldskærmen) rundt om den, ikke forhindrede vinden i at få fat i den og folde den ud.

Vi bandt en murerspand fast til droguen i stedet for vores dyre carbonfiber nosecone, som kommer til at hænge der i virkeligheden.

Testen af hovedfaldskærmen var lidt mere vanskelig, da vi skulle simulere, at droguen trækker hovedfaldskærmen ud. Dette gjorde vi ved at binde hovedfaldskærmsposen fast til et gelænder og så smide en postsæk ud, som trækker tønden og sidenhen faldskærmposen af hovedfaldskærmen. I virkeligheden bliver det drogue faldskærmen, som agerer ankerpunkt i stedet for gelænderet, men ellers bliver dynamikken den samme.

Hovedfaldskærmen, ”shock corden” og hovedfaldskærmens anker til raketten er et helvede af snore og liner, når det hele ligger tætpakket i tønden. I denne test var det derfor særligt vigtigt at se, at det ikke blev sammenfiltret eller hægtede sig fast.
Testdagen var en ret spændende dag, som du kan se i videoen.

Testene var ganske succesfulde - faldskærmene foldede sig ud, uden at linerne blev filtret sammen.

Terminalhastigheden for drogue- og hovedfaldskærmen blev estimeret (med betragtelig måleusikkerhed) til henholdsvis 9,3 m/s og 2,9 m/s. Dette stemmer meget godt overens med forudsigelserne på 11 m/s og 3,2 m/s for test setups med en vægt på 5,3 kg og 14,1 kg. Producentens form faktor ser altså ud til at passe meget godt.

Udfoldelses- eller åbningshastighederne af faldskærmene i testene var meget lave, i forhold til det de bliver under den rigtige flyvning.

I drogue testen var åbningshastigheden ca. 0 m/s (den åbnede sig kort efter, vi kastede den ud). Selvom om droguen skal folde sig ud på toppunktet af rakettens bane, hvor den ikke har nogle vertikal hastighed, kommer den sandsynligvis til at have en lateral hastighedskomponent på mellem 20-90 m/s. Den høje laterale hastighed skyldes, at vinden har et roterende moment på raketten under flyvningen.

I hovedfaldskærmstesten var åbningshastigheden ca. 15 m/s, da dødvægten nåede at accelerere hovedfaldskærmen op, før den foldede sig ud. Hovedfaldskærmen udfoldes, mens raketten hænger i drogue faldskærmen, så åbningshastigheden under flyvningen bliver ca. lig med terminalhastigheden af raketten, når den hænger i drogue faldskærmen, hvilket er 36 m/s.

Det er under åbningen, at faldskærmene er udsat for den største belastning, da det er her hastigheden og dermed luftmodstanden på dem er størst (luftmodstanden skalerer med kvadratet på hastigheden). Vi kan altså ikke bruge disse tests til at sige noget om, hvorvidt faldskærmene og linerne kan klare de belastninger, som de bliver udsat for, da åbningshastighederne bliver meget højere under den virkelige flyvning. Producentens anbefalede åbningshastigheder er 76 m/s for drogue- og 31 m/s for hovedfaldskærm, men vores åbningshastigheder falder inden for producentens sikkerhedsmargen.

Det blev også klart under testene at det kloakrør, som skal sørge for at hovedfaldskærmen ikke falder ud, mens raketten falder med droguen, ikke var stramt nok. Som man kan se i videoen, faldt indholdet af røret ud under testen. Vi har nu produceret et nyt rør, som er strammere, men ikke for stramt – rakettens vægt fratrukket luftmodstanden på raketten er stadigt nok til at trække faldskærmposen ud.

Vi skal have udført nogle flere tests af nosecone ejection, og flere drop tests af faldskærmene ville heller ikke være dårligt, men ellers begynder den mekaniske side af recovery systemet at være klar. Vi har stadigt ikke fået testet systemet med den elektronik og software, som kommer til at styre det under flyvningen, hvilket vi også skal have gjort.

Alt i alt går det fremad med raketten. Det meste flight hardware ligger mere eller mindre færdigt ude på vores arbejdssted på DTU Skylab. Men i og med ingen af os har prøvet at bygge en raket før, er det svært at vurdere præcist, hvor meget vi mangler, før vi er helt mål og klar til at trykke på affyringsknappen. Indtil videre er vi dog fortrøstningsfulde for at vi bliver klar til at rejse til Spaceport America cup til sommer og sætte Danmark og danske studerende på verdenskortet indenfor raketbyggeri.