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

Nyt fra styrehuset

Serien af BPM-5 motor tests har givet gode muligheder for at udvikle og teste de jetvanes, som skal forsøge at holde næsekeglen opad. Vi har gjort det før til SAPPHIRE, men NEXØ-I er en anderledes udfordring på mange punkter:

1) BPM-5s masseflow er under det halve af SAPHHIREs.

2) Brændtiden bliver til gengæld ca. 50 s. imod SAPPHIREs ca. 11 s.

3) BPM-5 brænder ca. dobbelt så varmt som SAPPHIRE (ca. 2200K vs. 1050K ved dyse exit).

4) BPM-5’s udstødningsgas er fri for solid fuel partikler, som er hårde ved jetvanes.

Punkt 1 giver en udfordring med at få styrekraft nok, og derfor har vi fra starten opereret med de største rorflader vi rimeligt kunne få plads til. Punkt 2 og 3 kalder på en anden termisk løsning end at forlade sig på en kobbervanes varmeledning og varmekapacitet. Men selvfølgelig skulle vi prøve, og flot var det jo

Illustration: CS

Næsten alt kan brænde, hvis man gør sig umage. Foto: Carsten Olsen

EC-17 grafit roret i samme test holdt, men eroderede som forventet gradvist. Vi valgte efterfølgende at gøre det lidt tykkere så der er mere at slide af, på bekostning at det drag det koster. Efter denne opvarmningsøvelse var det så tid til at måle de ønskede hhv. uønskede kræfter, sådan en vane genererer: Styrekraft og drag. Til det formål blev en enkelt vane monteret på teststanden, komplet med servomotor, så den kunne vifte frem og tilbage under en burn. Vanen blev monteret på en ramme, hvis vandrette kræfter overfører gennem to lastceller, på hver side af motoren. Den ses på flere billeder her: I princippet vil drag være summen af lastcellernes visning, og styrekraften en mekanisk bestemt faktor gange differensen. Bo har kalibreret opstillingen med et dynamometer, så vi får det bedste ud af det.

Foto: Mads Stenfatt

Over to forskellige test dage, fik vi kørt den samme jetvane i 4 burns. I den tid har den oplevet ca. samme akkumulerede belastning som forventes i flight, hvor rakettens brændstoftanke er større end teststandens.

Foto: Thomas Pedersen

Elektrisk foregår jetvanetesten ved, at en CSDuino kører vaneservoen i en forudbestemt sekvens, imens den sampler outputs fra lastcellerne. Dens polycarbonat kabinet har et dybt ternet mønster under bunden. Det stammer fra elefantristen i nederste mandskabskurv på hedengangne VTC3s tårn, hvor den havde samme tjans ved statisk test af HEAT-2X. Vanestyrekraft afhænger primært af vanens vinkel og kammertrykket. Kammertrykket får vi fra en anden CSDuino, nemlig ECU’en i test standen, og sammenstillet ses her måledata fra det første burn den 31.

Den røde kurve viser vanens forprogrammerede bevægelsesmønster. Udslaget når ±17.5 grader, som er lidt mere end vi regner med at ville bruge. Det er bevidst, at vanen står stille i midterpositionen i en del af perioden, da det kan være en hjælp til at identificere og korrigere termisk drift i lastcellerne, som nemt opstår i løbet af burnet. De viste data er dog ukorrigerede. Den blå kurve er det, vi er ude efter: Styrekraften. Den målte kraft i N er her divideret med det øjeblikkelige kammertryk, og det er så et tilfælde, at talværdien ligner vanens udslag i grader. Sammenhængen er generelt nydelig, og det hjælper selvfølgelig på målingens kvalitet, at kammertrykket er så stabilt som vist, så vi kipper med hjelmen til booster teamet. Jeg har ikke filtreret det, den viste trykkurve har 60 Hz båndbredde.

Sammenhængen på næsten 1:1 er et stærkt fremskridt i forhold til SAPPHIREs vanes, som leverede ca. 0.42 N/(bar*grad). Det har vi god brug for, når nu NEXØs kammertryk er lavere. Det ses også at vanens styrke aftager, antageligt pga. ablation. Desuden fremgår servoens reaktionstid af målingen. Den røde kurve skal forsinkes 35 ms for at falde sammen med den blå. Vanens relative styrke og servoens tidsforsinkelse indgår begge direkte i den aktive styrings inderste reguleringssløjfe (attitude), og også derfor er disse måledata en forudsætning for det videre arbejde.

Den grønne kurve viser prisen. Vanen trækker åbenbart lidt skævt på lastcellerne i forhold til kalibreringen, men det fremgår at den i yderstillingen genererer ca. ligeså meget drag som styrekraft. I midterstillingen ses 7-9 N/bar, som for 4 vanes vil svare til 8-9% af BPM-5s thrust. Det vil aldrig blive tilladt på en BPM-100 motor; den tid, den glæde. Servomotoren var også under test. Dels målte vi dens temperatur, og her var vi positivt overraskede: Den selvopvarmede til ca. 16 C over Refshaleøens brise, steg minimalt under burnet, men lidt mere bagefter. Servoen sidder tæt på fuel manifolden, hvilket passer med observationen. Ethanol på vej ind har omgivelsestemperaturen under hele burnet, men når det er slut, tømmes manifolden, og motorvarmen breder sig ud i den. Det er ikke bekymrende under flight, hvor servoen er udtjent netop på det tidspunkt.

Der skal jo være gaffa tape et sted, og her er det så. Den tynde stål tråd er en thermocouple. Foto: Thomas Pedersen

Et andet godt spørgsmål er, om servoen er stærk nok. Vi kan se på data og video, at den kan dreje vanen, men ikke med hvor stor margin. Det ville være rart at have en moment måling på vane akslen, men det lader sig ikke nemt gøre, når vi også kræver at opstillingen er termisk repræsentativ. Principielt kan det nødvendige moment på akslen begrænses, ved at placere den tæt på styrekraftens angrebspunkt. Det er dog langhåret at bestemme i praksis, da udstødningsflowet er hypersonisk, og punktet i øvrigt afhænger af vanens vinkel. Akslen er nu placeret udfra et realistisk bud på, hvor langt vi tror angrebspunktet kan flytte sig frem. Servoen stiller principielt ikke krav om momentets fortegn, men jeg sover bedst hvis vanen er passivt selvoprettende (eller jeg tror, den er det).

Tilbage er et forhåndenværende søm: Vi måler strømforbruget. Det er ikke noget godt udtryk for moment, da servoen har et betydeligt inertimoment (høj gearing), og sit eget reguleringssystem. Men det er beroligende, at strømkurven ikke påvirkes mere af burnets forekomst mellem 0 og 6.5 s, og vi kan evt. udføre en sammenlignende måling med en mere veldefineret belastning.

Kort sagt er vi meget tilfredse. At nå frem til en brugbar jetvane, er den største milepæl i at bringe aktiv styring fra SAPPHIRE videre til NEXØ, og ikke en vi kunne tage for givet. Her 2 uger efter sidste test er der stadig mere at lære af data. Jeg vil f.eks. gerne vide, at vanens aftagende styrke virkeligt skyldes ablation, og ikke at styrekraften måske er mere end proportional med kammertrykket. Det kan afklares udfra data på flere burns, med samme vane.

Det er en spændende tid. Igennem CS’s historie har mange forskellige jetvanes haft meget forskellige skæbner. Dem NEXØ-I flyver med, kan måske ende hjemme hos dig. Ikke som i Peder Skram, men som i Indiegogo: http://www.igg.me/at/copsub

Flemming Nyboe er et af flere medlemmer af Copenhagen Suborbitals, der skriver på denne blog.
sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Hej Flemming.

Tak for en velskrevet teknik basker :-)

Jeg har ikke filtreret det, den viste trykkurve har 60 Hz båndbredde

Det er altså super godt gået!

I midterstillingen ses 7-9 N/bar, som for 4 vanes vil svare til 8-9% af BPM-5s thrust

Det bliver godt at se gimbal om en sommer eller 2

Glæder mig enormt til at se jer stævne ud fra Bornholm.
Krydser fingre for at tidsplanen holder.

Og - hvis nogen skulle have lyst til at poste et status billede af raketten, så vil jeg blive glad :-)

  • 17
  • 0

Tak for teknik blog.

Du nævner at det er udfordring at få styrekraft nok, men hvordan har i defineret hvor meget styrekraft der er brug for? Der skal vel maks korrigeres for skævhed i finner og vindpåvirkning, men er det de to parametre der er brugt til beregning eller er det empirisk ud fra det man så fra SAPPHIRE og hvordan har i så brugt de data til at komme over til NEXØ?

Hvad med roll kræfter? Regner i bare med at de kræfter der påvirker roret er ens fra inderst til yderst?

Hvis i, som du skriver, belaster servo med tæt på dens maksimale tilladte belastning burde det give et ret godt billede af hvor belastet den er (ud fra det strømforbrug der er vist ser det nu ikke voldsomt ud)

Har i knækket nødden med at få igniter til at slippe ud uden at modificere jetvanes på vej ud?

Hvis det ikke senere bliver gimbal har i så overvejet jetvanes der kan trækkes helt eller delvis ud af jetstrålen når der ikke er brug for den? Altså jo mere styrekraft der er brug for jo længere skubbes vanes ind i jetstrålen. ~10% tab er jo godt nok meget. Har i ide om hvor meget den tykkere profil påvirker tabet?

  • 5
  • 1

Hej Benny,

Du nævner at det er udfordring at få styrekraft nok, men hvordan har i defineret hvor meget styrekraft der er brug for? Der skal vel maks korrigeres for skævhed i finner og vindpåvirkning, men er det de to parametre der er brugt til beregning eller er det empirisk ud fra det man så fra SAPPHIRE og hvordan har i så brugt de data til at komme over til NEXØ?

Det er et rigtigt godt spørgsmål, som ikke har et særligt håndfast svar. Jetvanes mister jo styrekraften, efterhånden som thrusten aftager. Sidst på burnet mister vi derfor altid magten, og for både SAPPHIRE og NEXØ sker det i en højde, hvor det stadig kan blæse. Man kan kun sige, at jo bedre vanes er, jo mere kan systemet overkomme. SAPPHIRE var stærk nok til at klare sin turs påvirkninger pænt, og vi ved nu at NEXØ-I bliver ligeså stærk fra start, og desuden får glæde af styrekraft i et meget længere burn.
Udover de ting du nævner, skal vi korrigere for, at vi generelt ikke launcher lodret, og for skævhed af motorens naturlige thrustvektor ift. rakettens tyngdepunkt. Sidstnævnte var hovedårsag til HEAT-1X's afvigelse.

Hvad med roll kræfter? Regner i bare med at de kræfter der påvirker roret er ens fra inderst til yderst?

Det har været under overvejelse at måle angrebspunktets afstand fra roll aksen, med en mere sofistikeret opstilling, og en ekstra lastcelle. Vi har dog fravalgt det, og vil derfor operere med et skøn. Gain er ikke så kristisk som for pitch og yaw, da eventuel roll korrektion kun er et førsteordens system, idet vi ikke vil forsøge at styre vinklen, højst vinkelhastigheden.

Har i knækket nødden med at få igniter til at slippe ud uden at modificere jetvanes på vej ud?

Her må jeg blive dig svar skyldig, men jeg har hørt forskellige forslag, herunder at montere igniterpinden fast, så raketten selv løfter sig fra den. Jonas er dog ikke meget for, hvis motoren skal skifte til mainstage med en pind i kværken.

Hvis det ikke senere bliver gimbal har i så overvejet jetvanes der kan trækkes helt eller delvis ud af jetstrålen når der ikke er brug for den? Altså jo mere styrekraft der er brug for jo længere skubbes vanes ind i jetstrålen.

Det ville være en skøn mulighed, men jeg er skeptisk overfor den mekaniske kompleksitet. Paddle vanes har i sin tid været under overvejelse.

~10% tab er jo godt nok meget. Har i ide om hvor meget den tykkere profil påvirker tabet?

Jeg havde da håbet på lidt mindre, men på den lyse side bliver det jo bedre, efterhånden som de eroderer :-) Vi har ikke målt drag kræfter, før NEXØ vanens profil blev ændret.
Venligst, Flemming

  • 14
  • 0

jeg har hørt forskellige forslag, herunder at montere igniterpinden fast, så raketten selv løfter sig fra den. Jonas er dog ikke meget for, hvis motoren skal skifte til mainstage med en pind i kværken.

Jeg støtter Jonas. En lang pind med igniter i enden og ledning langs siden der udsættes for supersonisk jet bliver aldrig et godt koncept.
Et solidt metal "spyd" hvor igniter kunne gemmes i eller endnu bedre spyd med to kanaler hvor der kunne ledes furfuryl alkohol og salpetersyre (DSC hypergolsk brændstof) ville have været min favorit. Man kunne så vælge om den skulle trækkes ud inden mainstage eller bare fastmonteres.
Håber i finder en god løsning med den nuværende igniter

  • 2
  • 0

Hvad hvis igniteren laves som noget der minder om et romerlys. Så kan den vel placeres solidt lige neden for raketten og stadigvæk sende en kraftig tændladning op i raketten?

Eller er der en grund til at der skal placeres noget fastmonteret inde i brændkammeret for at få den startet?

/Hans

  • 0
  • 0

@Hans Wennerberg:

Det er opskriften på en hard start. "Romerlyset" vil skulle virke i stærk modvind fra propellanterne, så antændingen vil ske nedenfor brændkammeret og slå op i et brændkammer som er fyldt med ethanol/LOX.

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