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

close
By signing up, you agree to our Terms & Conditions and agree that Teknologiens Mediehus and the IDA Group may occasionally contact you regarding events, analyzes, news, offers, etc. by telephone, SMS and email. Newsletters and emails from Teknologiens Mediehus may contain marketing from marketing partners.
raketbyggerne fra dtu danstar

Nu skal der bygges raket!

Hvert år afholdes i New Mexico en konkurrence ved navn Spaceport America Cup. Her deltager over hundrede hold fra alverdens universiteter i en dyst om at bygge, dokumentere, affyre og generhverve raketter. Konkurrencen er opdelt i 6 kategorier - målene er enten at nå 10 000 fod eller 30 000 fod, og raketterne inddeles efter off-the-shelf motorsystemer, studenterudviklede faststofraketter og studenterudviklede hybrid og bi-liquid-raketter.

I 2019 stiller DanSTAR op som det første danske hold til konkurrencen. For lidt over en uge siden havde vi for første gang en succesfuld afbrænding af vores første, nedskalerede raketmotor, og vi har nu ifølge vores interne deadline ret præcist 5 måneder før vi skal have en færdigsamlet og færdigtestet raket som har lavet sin første flight demonstration. Med andre ord - forholdsvist travlt!

Vi har nu heldigvis opbygget et forholdsvist solidt startpunkt - et netværk af sponsorer som i stor grad har gjort det muligt at være der hvor vi er nu, et fungerende test-anlæg til raketmotorer samt erfaringen med at operere det, og generelt en meget bedre fornemmelse af hvad det er for et mål vi har sat os.

Med det sagt, så er der utrolig lang vej fra et anlæg der vejer på den anden side af 130 kg til en fiks og aerodynamisk raket der vejer under 60, kan flyve stabilt og nå en højde på lidt over 9 kilometer.

Opstarten

For at give os selv den bedste chance viderefører vi så meget vi kan fra den første motor, primært valget af brændstof og oxidizer samt nominelt kammertryk. Samtidigt er test-anlægget oprindeligt designet efter en motor af den størrelse vi nu skal til at udvikle (lidt over 3 kN), og blandt andet vores flowmetre som ikke kunne bruges under kørslen af den lille motor, der nu kommer i operation. Demomotorens meget lille størrelse har i mange tilfælde også givet ekstra problemer, for eksempel i forbindelse med antænding - når kammerets kværk er under 12mm, så fylder selv en stjernekaster pludseligt meget. Hvis der skal ordenligt bål i motoren kan vores næste motor med tre gange så stor throat-diameter forhåbentligt give os et lidt bedre udgangspunkt.

Da vi om 5 måneder gerne vil have en færdig raket, inklusiv juleferie, eksamensperiode og så videre, og da vi har lært af vores teststands-projekt at det er fornuftigt at teste og verificere så meget som muligt, så kræver det at vi inden for de næste 2-3 måneder har en del undersystemer klar til afprøvning in-house. Hvis man smækker bare et par ugers fremstillings- og leveringstid på disse, så skal der trykkes på speederen i designprocessen for at holde de deadlines. Denne proces blev i går, den 17 september, skudt i gang med et fællesmøde for alle DanSTAR-medlemmer som officiel start på vores raketprojekt.

Illustration: Alexander Vesterhauge

Der er naturligvis en del undersystemer i sådan en raket, som de fleste sikkert er klar over - nogen har vi kigget lidt på allerede, særligt fluid og propulsion, mens de fleste har lang vej endnu - vi har indtil videre opdelt dem som følger:

Propulsion

Ingen fremdrift, ingen raket - motoren er selvfølgelig en af de mest kritiske komponenter i en raket, særligt når man har et særligt højdemål. Hvis man ikke har styr på sine massflows og sin fremdrift, så er der dårlige chancer for at ramme præcist. Derfor er der indtil videre dedikeret 30 ECTS-point i løbet af semesteren til udvikling - 20 point i form af en bacheloropgave vedrørende design og produktion, og 2x5 point i form a injector-design.

Den nuværende plan hedder 3d-printet motorkammer i aluminium, belagt indvendigt med en siliciumdioxid-keram for at mindske varmeoverførslen. På kammerens ydervæg er indlagt en række kølekanaler som fører brændstof henover kammervæggen på vejen ind i kammeret, præcist som i de fleste andre regenerative kølingssystemer. Injectoren bliver monteret i toppen af kammeret - alt peger i øjeblikket på at vi kommer til at bruge en pintle-injector. Det totale massflow er i nuværende form 1,43 kg/s med OF på 4.

Motoren er designet til at yde 3.1 kN, og med det estimerede massebudget på raketten betyder det cirka 11 sekunders burntime, med en samlet impuls på cirka 34000 Ns - et pænt stykke under de 40960 som er det maksimalt tilladte til Spaceport America Cup.

Fluid

Fluidsystemet er fundamentet for at motoren har noget at arbejde med - og da trykbærende udstyr som regel ikke ligefrem er letvægtsgrej, så giver det en særlig udfordring at fremstille særligt tanke. Derudover så kræves det også at ventilerne er så lette som muligt, samtidigt med at de skal holde tæt ved stort flow og højt tryk, samt kunne åbne på forholdsvist kort tid.

Som udgangspunkt undersøger vi lige nu muligheden for at få fat i 129mm OD rør fremstillet i rustfri 4462 duplex plade, 1mm godstykkelse. Hertil kommer 3 styks slutmuffer, fremstillet i rustfri 316-legering med 2mm godstykkelse og OD 129mm. Vores tank kan således laves med en common bulkhead, et rør til tryksætning som går igennem oxidizertanken, og et gennemførselsrør der leder oxidizeren igennem brændstoftanken, alt i alt for at kunne nøjes med to indgange til tryksætning i top, og to udgange med oxidizer/brændstof i bunden. På billedet herunder ses et hurtigt mock-up af de nævnte tanke, som ender med at være lidt over 1.5m lange.

Illustration: Rasmus Pedersen

Med hensyn til ventiler, så går de nuværende eksperimenter på at benytte kuglventilhuse af forskellig fabrikant, hvorpå der med beslag monteres en kraftig RC-servomotor. Dette setup testes derefter så hårdt som muligt - ved kolde temperaturer, højt tryk, stort flow, kontinuær åbning/lukning og så videre. Vi finder derved hurtigt ud af hvorvidt dette er en realistisk løsning - måske ikke, men i tilfælde af at det virker har vi potentielt nogen af de mest kompakte og lette hovedventiler vi har set, fremstillet på ret simpel vis.

Resten af fluidsystemet minder meget om teststanden - dog med et par hager. Der skal stadig kunne tankes både lattergas og isopropanol på systemet, men i modsætning til teststanden skal for eksempel den ventil vi bruger til at tanke lattergas (som vejer over et kilogram) helst ikke sidde fast monteret. Derfor bliver der sandsynligvis liberalt anvendt quick-connects til visse dele af systemet som kun bruges under optankning og forberedelse.

Endeligt er der problemet med at måle væskestand i tankene, særligt på lattergassiden hvor der ret hurtigt koges store mængder af igennem vores sikkerhedsventil. Der kigges i øjeblikket primært på ultrasoniske og kapacitive løsninger, og da vi har samme problem på teststanden giver den sandsynligvis mulighed for at teste løsningen før vi skal bruge den i raketten.

Hull

Lidt hurtig serviet-matematik siger at et kulfiberrør med godstykkelse 1mm, ID150mm kan modstå cirka 24 kN orthogonal belastning ved en frithængende længde på 3 meter. Umiddelbart lyder dette som en sikkerhedsfaktor der gør noget, og vores umiddelbare plan er derfor at anvende sådant et kulfiberrør som den primære ydre struktur i raketten.

De forskellige undersystemer vil sidde i sektioner, som på en eller anden måde skal monteres sammen til den samlede raket som nok bliver omkring 4 meter lang. Indvendigt vil være en stor mængde beslag af forskellig art til at fastholde alt fra rørsystemer og tanke til elektronik.

Aerodynamics

Udover at en blankpoleret kulfiber-overflade overtrukket med blank folie i sig selv burde være forholdsvist medgørlig rent aerodynamisk skal det sikres at raketten er aerodynamisk passivt stabil, samt at der ikke sker uhåndterlig varmeudvikling og andre problemer som følge af luftmodstand i løbet af vores acceleration hvor vi vil nå hastigheder på den anden side af Mach 1. Fremgangsmetoden kommer formentlig til at bestå af afprøvning og empirisk fremgangsmetode ved hjælp af vindtunnel-eksperimenter og fysiske nedskalerede modeller af forskellige geometrier.

Recovery

Raketten bliver en dyr sag, og for at sikre at vi får vores udstyr tilbage i fornuftig stand samt at der ikke lander en raket i nogens baghave med et par hundrede kilometer i timen skal raketten udstyres med et recovery-system der sænker dens hastighed under tilbagefaldet, helt ned til maksimalt 9 meter i sekundet. Umiddelbart er vi nok ude i en faldskærmsløsning, men også her er vi umiddelbart meget tidligt i processen og skal undersøge muligheder og hvilken løsning der er mest pålidelig/simplest at implementere til vores behov.

Data collection and logging

Uanset hvor godt det går, så er det selvfølgelig en fordel at kunne sige lidt om hvad der gik hvordan og om ting som tryk og temperaturer lever op til vores forventninger. Umiddelbart vil der være mindre dataopsamling end på teststanden, men i og med at vi kigger ret aktivt på en aktiv regulering i form af for eksempel airbrakes bliver visse datatyper uundværlige, specielt under flyvningen.

Power Systems

Med et stort antal elektriske ventiler, motorer, sensorer og boards kræves en del forskellige spændinger og strømforsyninger - det er utroligt kritiskt at disse systemer fungerer uanset hvad, og vi kommer derfor til at have redundant batterisystem til vores recovery-funktioner.

Telemetry

Telemetrisystemer er smarte af flere årsager - realtids-kommunikation med raketten gør det muligt at se om systemerne opfører sig som forventet og potentielt gribe ind hvis de ikke gør. Derudover giver de os mulighed for at opsamle noget data i det tilfælde at noget skulle gå så galt at vi ikke kan generhverve raketten og dens SD-kort.

Main controller

Det hele skal selvfølgelig styres - ventilåbningerne, ignition, aktuering af de ovennævnte airbrakes eller hvilken løsning vi ender på, udløsning af faldskærm og meget mere. Vi kommer til at have mindst en off-the-shelf flight controller samt en redundant, enten specialudviklet eller også off-the-shelf.

Når gode råd er dyre

Raketteknologi er en sjov blanding af utroligt høje krav om pålidelighed, lav vægt, høj performance og, i vores tilfælde, en kort tidsfrist og forholdsvist ringe mulighed for at afprøve i lige så stor grad som man gerne ville i den ideelle verden. Derfor håber vi at der sidder nogen flinke mennesker derude som har gode input til de konkrete problemstillinger vi står overfor således at vi måske med lidt større sandsynlighed kan navigere i den rigtige retning. Kommenter derfor gerne nedenunder med spørgsmål, kommentarer, konstruktiv kritik eller andet! Håber at høre fra jer.

Derudover - husk at følge vores Facebookside, hvor vi poster lidt mere jævnlige opdateringer med billeder og så videre.

MagnusMadsen
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

Hey danStar

Det ser ud til at i har valgt at lave raketten passivt styret. Som regel kræves der en meget høj startacceleration for at dette kan fungerere. Har i tænkt jer at introducere spin på raketten, for at modvirke evt. skævheder osv? og hvilken startacceleration forventer i?
Mega fedt projekt jeg glæder mig til at følge med i :-)

Jakob

  • 1
  • 0

Hej Jakob,

Det er stadig lidt oppe i luften (haha) hvilken form for styring vi ender med at tage. På nuværende tidspunkt går tankerne mest mod at lave den passivt styret men med mulighed for at bremse raketten i form af drag-finner, når vi nærmer os de 30k ft. Som det ser ud nu med en cirka lift-off vægt på 80 kg og thrust på 3.1kN så giver det os en TWR på cirka 4. Dvs. vi letter med 3g. Tættere på MECO vil vi dog nærme os en vægt på cirka 60 kg, så der vil vi se en acceleration på cirka 4.2g.

EDIT: Og ja, hvis vi ikke laver den aktivt styret så er vi nødt til at introducere en form for spinstabilisering.

  • 1
  • 0

Er det korrekt forstået at I vil have et kulfiberrør yderst som skrog, også rundt om brændstoftankene? Hvorfor ikke benytte brændstoftankene som den bærende konstruktion og som yderste lag?

  • 2
  • 0

Det kommer sig primært af at der til Spaceport America Cup er en regel om at strukturelle elementer ikke må være fremstillet i rustfrit stål - antageligvis fordi at de af en eller anden grund vil have at folk ikke bruge tankene som yderskal.

  • 2
  • 0