raketbyggerne fra dtu danstar

Mindre snak, mere ild

Illustration: Alexander Vesterhauge

Når et nyt projekt stables på benene starter alting som regel med at være lidt abstrakt - man har en plan, en tidslinje, et mål, en vision. Man starter fra ingenting og skal lave noget i virkeligheden, og man mangler en masse erfaringer, netværk og viden.

Man kan afsøge gamle bøger, spørge rundt, afprøve og en masse andet, men i sidste ende så kommer der tidspunkter hvor tingene skal sættes på spidsen, og man finder ud af om det man har arbejdet på virker eller ikke virker.

Et af disse tidspunkter var for DanSTARs vedkommende i går, da vi kørte vores anden dag med hotfire-tests af vores demonstrationsmotor på vores nybyggede testanlæg.

Illustration: Alexander Vesterhauge

Optakten

Vi har forsøgt at nedsætte en relativt ambitiøst tidsplan, og den har vi da også næsten holdt, dog med få forbehold. Først et sæt ventiler der havde 8 ugers levering og som skubbede vores vandtests med et par uger, og derefter et par dages uventet troubleshooting som også rykkede et par dage fik vi kørt vandtests den 23. august som beskrevet i et tidligere indlæg.

Vores første rigtige affyring blev ligeledes rykket cirka en uge frem, og blev placeret den 5. september i stedet for den 29. august. Her kørte vi fra 6:30 til 21:00 på testpladsen ved siden af Hempel nord for DTU, og fik en masse gode erfaringer med hvordan man kondukterer hele det arrangement som skal foregå når man prøver at få et meget lille kammer til at larme rigtig meget.

Illustration: Alexander Vesterhauge

Vores første dag var en blandet succes - dog fik vi ikke gang i motoren med andet end stikflammer som ikke just er det man ønsker, men de mange gode erfaringer blev heldigvis skrevet ned og brugt til at revidere vores plan og fremgangsmåde for næste testdag. Fyldt med gåpåmod på trods af en lang dag uden de store resultater besluttede vi os for at lørdag den 8. september, 3 dage efter vores første afprøvninger var næste oplagte tidspunkt.

Før dette kunne lade sig gøre havde vi lige et par hurdles - for det første løb vi tør for både lattergas og nitrogen i løbet af dagen, og indså ret hurtigt at vi reelt ikke havde penge på kontoen til at købe mere. Samtidigt fik vi et opkald om at den 300 bars booster vi havde fået lov til at låne desværre skulle til Hamborg tidligt næste morgen. Derudover var dataloggingen stadig ikke helt i hus - særligt vores loadcell og vores kammertryk ville vi gerne kunne følge med i, gerne med lidt højere sampling rate end tidligere.

Illustration: Alexander Vesterhauge

Heldigvis stiger handlekraftigheden kraftigt i takt med at man står overfor en deadline - et initiativ blev sat i værk og på cirka 24 timer blev en alternativ datalogningsløsning udviklet og sat op ved hjælp af Labview og National Instruments-udstyr. Mens den ene ringede til AGA for at bestille mere gas ringede to andre rundt for at finde pengene, og en hurtig køretur til Amager, så havde vi fået lånt grej hos Bay Kompressor så vi kunne tilkoble vores nitrogenflasker direkte til vores tryksætningssystem. Problems solved!

Den 5. havde vi haft lidt rod med en del besøgende, og særligt da det var vores første interne test tilføjede dette en forstyrringsfaktor som var lidt større end forventet. Dog valgte vi alligevel at takke ja da en af de garvede gutter fra Copenhagen Suborbitals, Jacob Larsen, tilbød at komme og lege med. Dette viste sig heldigvis meget hurtigt at være den rigtige beslutning - med mere end 10 års erfaring har CS selv været igennem møllen et par gange, og dette kom til stor gavn, både i forhold til hvordan vi skulle troubleshoote vores fluidtilførsel samt da antændingen nægtede at gribe ordentligt fat.

Illustration: Alexander Vesterhauge

Efter en lang dag havde vi eksperimenteret med alt fra plastikposer fyldt med flydende kvælstof for at pre-chille vores motor, finkontrol af vores hovedventiler og antændingsmekanismen (AKA hvor mange stjernekastere der skal til for at tænde en meget hurtigt flydende gasblanding) - dog uden det resultat vi ledte efter. På den anden side af klokken 18 kan trangen til at give op for dagen godt melde sig. Heldigvis endte beslutningen med at falde på at lave en sidste test, dog på lidt utraditionel vis - i stedet for at lave småjusteringer på igniterens brændtid eller om ventilerne skulle åbnes 28% eller 29% blev der pludselig kastet nogen lidt vildere løsninger på bordet.

Illustration: Alexander Vesterhauge

Paprør og papirsservietter

Således ender historien med vi heldigvis havde et kraftigt stykke paprør som vores Swagelok-rør blev leveret i med på pladsen - dette, sammen med en sammenfoldet serviet, kunne på ret elegant vis passes op i vores motoren som er designet med aftagelig dysse som giver let adgang til kammeret. Nu vil igniterens knist ikke møde en kold, blank kobbervæg, men i stedet en barriere af tætpresset cellulose - kombiner dette med liberalt flow af oxidizer under vores prechill, og pludselig går ignition-sekvensen fra at ligne en vissen flamme til at ligne en lille hybrid-raket.

Illustration: Alexander Vesterhauge
Illustration: Alexander Vesterhauge
Illustration: Alexander Vesterhauge

Når vi nu alligevel var i gang med at afvige kraftigt fra alle tidligere eksperimenter, og da vores masseflows ved små ventilåbninger ikke passede med det forventede, så kom næste "gode" ide - hvorfor skralder vi ikke bare begge ventiler op på fuldt flow så hurtigt som muligt når først der er godt gang i paprøret - således har vi bedst chance for at opnå korrekte OF-forhold da injektoren er designet efter 100% flow, og således kunne det jo være at vi øgede chancen for at vores motor ville brænde inden i kammeret i stedet for udenfor.

Til sidst var der ikke andet at gøre end at starte tryksætningen og få fjernet folk fra den bagvedliggende cykelsti før nedtællingen kunne starte. Det er ikke trivielt at beregne det lydniveau en raketmotor af et givent design genererer, og jeg tvivler på at nogen af de knapt 20 mennesker som hele dagen havde slidt for at få gang i motoren havde gættet på at et så buldrende spektakel samtidigt kunne være så sød musik i ørene - der var i hvert fald overhovedet ingen tvivl om at der nu var fuld skrald på afbrændingen inde i kammeret.

Illustration: Alexander Vesterhauge

Hvis man ikke troede sine ører, så kunne man da også blot kigge på skærmen i mission control hvor et IP-kamera placeret cirka 30 centimeter fra motorens dyse lige så fint viste de 4 blå shock diamonds som formede sig for enden af vores demonstrationsmotor - eller blot kigge down-range, da man uden problemer kunne se de varme gasser forlade motorkammeret cirka 35 meter væk i det skumrende mørke.

De færreste nåede dog nok at kigge begge steder - forbrændingen varede kun knapt 3 sekunder, på trods af at det for de fleste føltes som meget længere. Flammens farve indikerer med rødt at pappet først blev brændt af med meget stor hast, hvorefter den skifter til en fin blålig nuance med et grønt efterskær - et efterskær som antageligvis stammer fra den lidt skarpe kant som er lige ved motorens hals og hvor temperaturen potentielt hurtigt lokalt blev høj nok til at oxidere kobberet.

Og således fik DanSTAR lavet sin første raketmotoraffyring efter omtrent 12 forskellige forsøg.

Kvantitative resultater

Illustration: Rasmus Pedersen

På grafen ovenfor ses tryk- og thrust-målingerne fra kammeret under affyringen. På y-akserne er trykket i forhold til atmosfæren i bar samt vores motors fremdriftskraft i Newton - på x-aksen tiden i sekunder. Som det ses på kammertrykket varer forbrændingen i cirka 2.5 sekund. (EDIT: 4.5 sekunder) Det nominelle kammertryk ved fødetryk på 30 bara på begge linjer er 20 bara - i testen var fødetrykket noget lavere, og vi ender med et kammertryk som ser ud til at være relativt stabilt i de 2.5 sekund (EDIT: 4.5 sekunder) på omkring 17 barg. Vores thrust er enten meget svingende under affyringen - alternativt er der en del elektrisk støj som forstyrrer dataopsamling. Antager vi at det er støj ser det ud til at motoren genererer omkring 180 Newton ved disse fødetryk.

Illustration: Magnus Madsen
Illustration: Rasmus Pedersen

EDIT: Thermocouple data er tilføjet efter første publicering af blogindlægget.

Selvom affyringen blot varer 4.5 sekund ifølge vores datasæt, så når temperaturen tilsyneladende stadig at klatre et godt stykke i vejret: vi når således næsten 140 grader celsius, en temperaturstigning på 25-30 grader celsius i sekundet.

Kvalitative resultater

Illustration: DanSTAR
Illustration: DanSTAR

Det lykkedes oveni vores data heldigvis at få noget forholdsvist god video - her kan man sidde og nyde lidt ekstra visuel information, som for eksempel de shock diamonds som dannes ved dysens udgang, set ovenfor.

Illustration: Magnus Madsen
Illustration: Magnus Madsen
Illustration: Magnus Madsen

Derudover er det interessant at observere flammens farve i løbet af forbrændingen - først en rødlig flamme, som vi formoder stammer fra paprøret som bliver brændt hastigt af til at starte med. Derefter har vi et blåligt skær, måske en ren oxidizer-fuel-blanding som brænder forholdsvist rent, før den skifter over i det grønlige skær som stammer fra kobberet.

Tak!

Til sidst: Af hjertet tak til alle de virksomheder og mennesker som hjælper os eller har hjulpet os, om det så er med materialer og komponenter, penge eller værkstedstid. DanSTAR var ikke kommet nogen vegne uden jer. Vores samarbejdspartnere kan ses her.

ADVARSEL: Lyden er ret høj - overvej at skrue lidt ned før du ser videoen.

Husk at følge os på Facebook hvis i vil have mere højfrekvente bidder af fremskridtet!

Magnus Madsen er 21 år gammel og læser til diplomingeniør i maskinteknik på DTU. Han arbejder blandt andet med design og konstruktion af raketten og dens fluidsystem i DanSTAR - og kan kontaktes på mnm@danstar.dk
sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Det er virkelig flot, hvad I har opnået.

Udfordringen med at tænde en så lille bi-propellant væskemotor med et kammer der suger så meget varme til sig som jeres kobberklods er meget stor. Ikke alene varmen fra ignitoren, men også varmen fra den indledende forbrænding, før selvopholdelse er opnået, forsvinder ud i klodsen. Så ideen med at isolere med et paprør grænser til det geniale. At I på denne måde faktisk starter motoren som en hybridmotor og går over til ren bi-propellant lidt senere, gør jo ikke det fjerneste. Det er en super fed løsning.

Skal I lave flere test, kan I jo lave en egentlig isolering, monteret/limet direkte på indersiden af kammervæggen. Eller udstøbe et tyndt lag epoxy på kammervæggen.

Og tak for at I har leveret hele pakken så hurtigt efter test. Kommer der mere om temperaturen i kobberklodsen og målinger på erosionen?

  • 7
  • 0

Mange tak!

CS får delvist credit for paprørsløsningen - den ide blomstrede vist mellem et af vores medlemmer, Oliver, og Jacob da vi begyndte at løbe tør for gode muligheder. At det tilsyneladende virkede perfekt i første hug er ret dejligt.

Idet demonstrationsmotoren netop er til for at demonstrere er det nok begrænset hvor mange yderligere tests vi kører med den, men planen er at vi skal lave i hvert fald en offentlig demonstration. Vi kører dog nok med samme paprørsløsning, men det er en interessant tanke at have med i bagagen til fremtidige motorer at en "ablativ" igniter hvis man kan kalde den det, som ikke kan blæses ud og som sikrer fuldstændig forbrænding af alt hvad der findes i kammeret, åbenbart er en ret pålidelig løsning.

Temperaturen i kobberklodsen er lidt kedelig - for det første virker det til at vores thermocouples har mistet deres termiske interface i forbindelse med en pre-chill test for et par uger siden, som gør at de reagerer meget dårligt på temperaturændringer (det er vores hypotese). For det andet havde vi som sagt kun 2.5 sekunder burntime, og lige umiddelbart tror jeg faktisk ikke at vi kunne registrere nogen som helst temperaturændringer som følge heraf. Jeg tjekker lige op på det med det samme.

Erosion - planen er at tage en masse billeder af motoren. Om der er kvantitative måder at måle erosion ved jeg ikke - del gerne erfaringer :-) Men den ser stadig pæn ud lige umiddelbart, selv i throaten.

  • 4
  • 0

Tillykke med testen. En ting er god ingeniørskab når man designer noget og ser det holder i virkeligheden, en anden ting er god ingeniørkunst(?) når man i en skarp situation formår at finde løsninger der fungerer. Begge ting er meget tilfredsstillende og rigtig godt at se det findes hos jer.

  • 4
  • 0

Så er der temperaturdata - jeg fik tydeligvis udtalt mig for hurtigt. Om målerne viser rigtigt kan jeg ikke svare på, men de har været ret uresponsive i løbet af fx prechills, så vi er noget overraskede over at se noget tilsyneladende pænt data.

Det bliver spændende at undersøge erosionen i morgen!

  • 1
  • 0

Det ville være rigtig spændende, hvis I kan lave en simpel illustration af et tværsnit af motoren med placering af de enkelte thermocouplers, så vi har noget at sammenligne med i forhold til den meget spændende graf, I har lagt ind i bloggen.

Iøvrigt er jeg lidt i tvivl om y-aksen på grafen over temperaturudviklingen: Der står Time [seconds], men det er vel strengt taget hundrededele sekunder, ikke? ;-)

Med hensyn til thrustkurven, så kan jeg godt forstå, I er i tvivl om, hvad den prøver at vise. Men med det setup I bruger har I præcis de samme udfordringer med sensorers registrering af mekanisk belastning som alle andre har og har haft. På et tidspunkt talte vi faktisk om at splitte vores teststand op i to, så motoren og dens lastcelle var mekanisk isoleret fra den øvrige konstruktion. Problemet er, at uanset hvorledes man konstruerer det, så vil hele teststanden svinge som en stemmegaffel, på en måde, det er meget svært at forudse. Så hver gang motoren trykker tilbage mod lastcellen vil der et øjeblik senere komme et spark den anden vej. Ikke bare én gang, men flere gange med forskellig forsinkelse, alt afhængig af teststandens "musiske" konstruktion.

Man kunne sikkert tænke sig til et system, hvor kobbermotoren er omkranset af en ring af vildt kraftige neodymiummagneter, der er spændt fast til betonplanet udenfor teststanden. Alternativt kunne man mere enkelt tilføje elementer til teststanden, der gjorde den uhyre meget tungere med vægte eller vandtanke, der strategisk baseret absorberede stemmegaffeleffekten.

Uanset hvad man kunne forestille sig, så vil man altid stå med et ualmindeligt svingende mål for thrust, da der ikke er en mekanisk isolering i forhold til resten af systemet. Kan I identificere en enkelt særlig udtalt kilde til disse svingninger, så tror jeg I vil kunne eliminere den.

Men det er et projekt i sig selv, der intet har med resten at gøre. Eller jow, det har det jo faktisk. Vi kalder det "rocket science" ;-)

  • 4
  • 0

Så er der flere illustrationer - tiden på thermo-data er sekunder, ikke hundrededele så vidt jeg kan se.

Stemmegaffel-effekten har vi ikke lige overvejet, men det giver jo god mening. Den skal lige diskuteres lidt mere fremadrettet.

  • 5
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten