close

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

close
Ved at tilmelde dig accepterer du vores Brugerbetingelser, og at Mediehuset Ingeniøren og IDA-gruppen lejlighedsvis kan kontakte dig om arrangementer, analyser, nyheder, tilbud mm via telefon, SMS og email. I nyhedsbreve og mails fra Mediehuset Ingeniøren kan findes markedsføring fra samarbejdspartnere.
rumfart på den anden måde cs banner bloghoved

Så er vi på vej

Af: Martin Hedegaard Petersen

Kære læsere

Så er vi kommet godt igennem nytåret, og som alle andre har vi i CS' kapselgruppe også et nytårsforsæt: Vi skal ha´ lavet en god og brugbar 1:1 skalamodel af kapslen.

Illustration: Martin Hedegaard Pedersen

Som for alle andre gode nytårsforsæt startede vi ud for fuld damp her i weekenden med at fremstille de første stumper til det, der skal blive en boiler plate model i stål som beskrevet i en tidligere blog.

Denne første iteration af kapslen har to (!) primære formål: Det første er at eksperimentere med hvordan vores astronaut skal sidde (både placering og position). Vi havde inden jul et møde i kapselgruppen, hvor vores ”rum-historiker” Carsten Olsen gav et foredrag om astronautsædernes historie, fra de tidligste rummissioner (Gemini, Mercury) over de nuværende (Soyus) til de fremtidige (Blue Origin, Dragon, X), og hvordan de forskellige missioner har løst de udfordringer, der er ved at få en astronaut sikkert ud i rummet og tilbage til jorden (eller vandet, som det var tilfældet på de amerikanske missioner).

Illustration: Carsten Olsen
Illustration: NASA

Når vi så har placeret astronauten, kan vi se på, hvad der er den bedste placering af lugen, samt placering og størrelse af ”vinduer”. Det giver os et godt udgangspunkt til den næste iteration, hvor vi vil kigge nærmere på de rigtige materialer og fremstillingsprocesser.

Det andet primære formål er som PR platform, hvor vi får mulighed for at vise offentligheden, hvad det er, vi arbejder hen imod. Når vi nu har noget, der har den rigtige størrelse, så kan vi jo ligeså godt male den og få den til at se ”rigtig” ud.

Udover de to primære formål, er der en række andre, som vi vil kigge på, når det bliver aktuelt. Det kunne f.eks. være drop tests i vandet (lidt a la det vi gjorde med Tycho Deep Space), eller at teste stabiliseringssystemer eller noget helt tredje.

Som nævnt i tidligere blogs bliver SPICA (og dermed også kapslen) 955 mm i diameter. Så da vi skulle lave den cylindriske del af kapslen startede vi med en 1500 x 3000 x 2 mm stålplade, som vi valsede i vores gamle trofaste valse (som tilfældigvis var lige lidt over 1500 mm bred). Det viser sig, at omkredsen af en cirkel med diameteren 955 mm tilfældigvis er 3000 mm. Man skulle næsten tro, det var med vilje… Faktisk viste det sig, at pladen strakte sig lidt mere end 10 mm, da den blev valset, så diameteren endte med at være tættere på 960 mm, men egentlig syntes vi, at det var meget godt ramt i første forsøg.

Illustration: Mads Stenfatt
Illustration: Carsten Olsen

Problemet med vores valse er, at den kun har tre ruller. Det betyder, at den ikke kan lave rundingen helt ud til enden af pladen. Der er et stykke på knapt 100 mm, som forbliver lige. Det gav lidt udfordringer, da vi skulle lukke pladen til et rør. Vi lavede en række punktsvejsninger ned langs dét, der skal ende med at være den langsgående svejsesøm, og det gav os muligheden for at valse lidt længere ud mod kanten. Vi kunne ikke komme helt i mål, men vi fik et rør, som er meget tæt på at være helt cylindrisk.

Illustration: Carsten Olsen

For at stive røret lidt af valsede vi også to ringe (af et 15 x 30 x 1,5 mm stålprofil) som skal svejses ind røret, og der bliver også svejset fire længder af samme stålprofil ind imellem de to ringe. Det giver os en indre ramme som stabiliserer det tyndvæggede rør.

Illustration: Carsten Olsen
Illustration: Carsten Olsen
Illustration: Carsten Olsen

Vi fik samtidigt svejset en endebund i det, der bliver bunden af kapslen samt en flange som kan bruges til at bolte en eventuel deformationszone på. Vi venter med at svejse den øverste endebund på til vi har fået lavet hullet til lugen. Ellers bliver det unægtelig lidt svært at komme ind og ud af kapslen…

Illustration: Carsten Olsen

Nu skal vi så have lavet en ramme til at have kapslen stående på, så den er stabil, når man kravler rundt på eller inde i kapslen.

Stay tuned.

Ad astra Martin H. Petersen, CS Capsule lead

CarstenOlsen
er et af flere medlemmer af Copenhagen Suborbitals, der skriver på denne blog.

Hvis man lader kapslen falde i næsten-vandret position, undgår man så ikke, i al væsentlighed, problemer med G-påvirkning af rygsøjlen/bækken?

  • 1
  • 0

Når nu jeres kapsel bliver dråbeformet (pga. valsens begrænsninger), vil i så også lave resten af raketten dråbeformet (set fra oven)? Det vil være en interessant raket-geometri!

  • 0
  • 0

Jo, man kan sige at hvis kapslen falder næsten vandret ned (med astronauten nederst) så vil landingen i vandet nok være ret sammenlignelig med f.eks. Apollo kapslens nedslag.
Udfordringen for os ville så bare være at have et ophængningspunkt til faldskærme og ballute som sikrer en sådan returposition.

Det er en interessant idé som jeg selv har tænkt lidt over efter at have set den nye serie Mars på Netflix. Det kunne være en snedig måde at få et større frontareal ned i gennem atmosfæren.
Det kan dog vise sig at der er større udfordringer ved at gøre det på den måde i forhold de den gevinst det.
Men det er da helt sikkert med i overvejelserne. :-)

Mvh
Martin (CS)

  • 1
  • 0

Det kan være at det vil give lidt udfordringer for vores guidence system hvis raketten havde et tværsnit som var droppeformet. :-)

Men ellers må jeg sige at da først endebundene og ringene kom i, så blev cylinderen meget tæt på cylindrisk... :-)
(se sidste billede)

Mvh
Martin (CS)

  • 1
  • 0

Det kan dog vise sig at der er større udfordringer ved at gøre det på den måde i forhold de den gevinst det.


For lige at uddybe den detalje, og som en reminder om at alt i rumfart er kompromiser.
Vi fik for noget tid siden nogle studerende ved et amerikansk universitet til blandt andet at kigge på stabilitet af rumkapslen, og give anbefalinger til finnestørrelse. Deres konklusion var, af stabilitetshensyn, at den skulle hænge i (frit fra hukommelsen) 70 grader fra vandret. Og sådan kan man blive ved med at have forskellige ønsker, hvis man kigger isoleret på forskellige områder.

  • 1
  • 0

Fin blog, og spændende at se de enkelte trin i fabrikationen.

I et andet svar om tryktanke fremgår det, at de laves af standard rør og standard ender.

Er det samme ikke en mulighed i denne dimension - eller er det producerede "bare" en mockup (model) til at afprøve indretning i ?

  • 1
  • 0

Hvis man lader kapslen falde i næsten-vandret position, undgår man så ikke, i al væsentlighed, problemer med G-påvirkning af rygsøjlen/bækken?

Hej Jon,

Det gør man ret beset, men til gengæld indkasserer man en række udfordringer på andre områder. Helt generelt så er egenbevægelsen af en faldende nær-homogen cylinder ved middelhøj mach dikteret af den relative placering af dens tryk- og massecentre, samt de overfladeegenskaber der bestemmer hvordan shockfronten omkring cylinderen formes.

Designes disse egenskaber til et sideværts fald vil en ubunden nedstigning af cylinderen imidlertid blive domineret af det der kaldes Magnus effekten, som bevirker et meget stort lateralt bevægelsespotentiale. Her skal man huske på at storskala lateral bevægelse under nedstigningen er no-no i CS kontekst grundet skydeområdets begrænsede udstrækning. Laver man analysen vil det hurtigt blive klart at selve det at ramme indenfor skydeområdet fra +100km skal være den drivende designfaktor i den supersoniske del af recoverysystemet.

For en praktisk cylinder i sideværts fald vil tabsmekanismerne i flowet omkring enderne endvidere bringe cylinderen ind i en lissajous-bevægelse, så man skal forestille sig et fald hvor en kapsel ville rotere om to akser mens den vugger kraftigt om den sidste. Det ville givet være en bevidsthedsudvidende tur :-)

Bindes bevægelsen nu med eksempelvis en ballut fæstnet midt på cylinderen, så vil Magnuseffektens indflydelse reduceres betragteligt, men energien i egenbevægelsen bindes tilsvarende i lissajousbevægelsen samt ved rul om befæstigelsesaksen. Dette kan håndteres, men kræver tilføjelse af endnu et stabilisatorsystem til rulaksen hvis passageren skal forblive ved bevidsthed, og heraf reduceres pålideligheden af det samlede system yderligere. Sidst er der så også problematikken imellem ballut og den stærkt assymetriske shockstruktur omkring en liggende cylinder der medfører at balluten skal monteres meget langt bag kapslen, hvilket så igen lader Magnuseffekten komme på banen.

Så omend der ikke er nogen nem løsning at hente på reentryproblematikken blot i kapslens orientering, så er der i virkeligheden et ret stort løsningsrum ved at kombinere flere forskellige teknikker. Og så er der ikke mindst en masse skøn fysik og aerotermodynamik man kan muntre sig med!

Mvh
Jonas

  • 9
  • 1

Er det samme ikke en mulighed i denne dimension - eller er det producerede "bare" en mockup (model) til at afprøve indretning i ?

Vores normale stålleverandør har ikke standardrør i de størrelser ( det ville ellers have gjort vores arbejde noget nemmere :-) ).
Og da det netop er en mock-up model til at finde placeringen af sædet, vinduer luge etc. så er det ikke super vigtigt at "røret" er helt cylindrisk.

Mvh
Martin (CS)

  • 3
  • 0

Normalt er jeg holdt op med at kommentere her; men når der skrives så meget sludder, som Jonas B. Bjarnø lige har gjort, vil jeg alligevel gøre en undtagelse, da dette er et ingeniørforum, hvor tingene bør være teknisk korrekte. Jeg vil dog udelukkende koncentrere mig om fysikken bag og som sædvanlig undlade at kommentere på CS's valgte løsningsmetoder.

Designes disse egenskaber til et sideværts fald vil en ubunden nedstigning af cylinderen imidlertid blive domineret af det der kaldes Magnus effekten, som bevirker et meget stort lateralt bevægelsespotentiale.

For det første behøver man ikke at designe egenskaberne til sideværts fald. En faldende cylinder vil automatisk lægge sig vandret i luften, med mindre finnerne er meget større end dem, I påtænker og/eller tyngdepunktet er meget stærkt forskudt fra center! Prøv selv!

For det andet fremkommer Magnuseffekten udelukkende ved rotation omkring kapslens længdeakse, som jeg i det følgende vil kalde roll-aksen svarende til rakettens roll-akse, da Magnuseffekten skyldes, at den kinetiske energi af luftmassen, der passerer forbi, forøges på den side, hvor rotationen går med luftstrømmen, og ifølge energibevarelsen må den potentielle energi så mindskes tilsvarene = mindre tryk, hvilket giver en sideværts kraft - se Bernoullis formel https://da.wikipedia.org/wiki/Bernoullis_p... . På den side, hvor rotationsretningen går modsat luftflowet, reduceres den kinetiske energi, så den potentielle energi = trykket stiger. De to kræfter går derfor i samme retning, hvilket udnyttes i den såkaldte Flettner rotor - se f.eks. https://en.wikipedia.org/wiki/Magnus_effect og https://en.wikipedia.org/wiki/Flettner_rotor .

Hvis rotationen omkring roll-aksen virkelig er så stor, at Magnuseffekten har nogen praktisk betydning, er astronauten bevistløs for længst, idet dette sker allerede ved ca. 60 OPM, så når kapslen er stabiliseret nok af hensyn til astronauten, kan man helt se bort fra Magnuseffekten!

Hvad man derimod må tage højde for - specielt ved en vandretliggende kapsel - er hvirvelafløsningsfrekvensen, som ved en kapseldiameter på 1 m kan give en gevaldig rystetur med frekvenser op til omkring 22 Hz ved 400 km/t - se side 8 i http://www.innovatic.dk/knowledg/diverse/R... og https://en.wikipedia.org/wiki/Vortex_shedding , hvor tegningen er animeret.

For en praktisk cylinder i sideværts fald vil tabsmekanismerne i flowet omkring enderne endvidere bringe cylinderen ind i en lissajous-bevægelse, så man skal forestille sig et fald hvor en kapsel ville rotere om to akser mens den vugger kraftigt om den sidste. Det ville givet være en bevidsthedsudvidende tur :-)

Ja, og det vil ske for et vilkårligt faldende system, som ikke er tilstrækkelig dæmpet, idet det kan opfattes som en resonanskreds. Hvis man ikke indfører en aerodynamisk dæmpning svarende til en kredsgodhed Q på mindre end 0,5 (kritisk dæmpning), får man en resonanspukkel, og den dæmpning kan kun indføres ved finner og/eller ballutes og faldskærme.

Bindes bevægelsen nu med eksempelvis en ballut fæstnet midt på cylinderen, så vil Magnuseffektens indflydelse reduceres betragteligt, men energien i egenbevægelsen bindes tilsvarende i lissajousbevægelsen samt ved rul om befæstigelsesaksen.

Ja, med en ballute stoppes rotationen om roll-aksen, så Magnus effekten ikke bare reduceres, men forsvinder helt. Svingningsenergien i systemet er dog stadig den samme, hvis vi ser bort fra den dæmpning, balluten og ikke mindst ophængningswiren giver, så lissajousbevægelsen er ialtfald ikke større. Der er ikke tale om, at en energi i Magnuseffekten overføres til en Lissajousbevægelse.

Nu går der iøvrigt lidt kludder i din aksebetegnelse. Rotation om wireaksen til balluten må være yaw-aksen - ikke roll aksen, og da den akse er nogenlunde dæmpet af den vandretliggende cylinder, som oven i købet har finner i den ene ende, er der næppe megen yaw-rotation. Hvis man så samtidig hænger balluten op i en hanefod - ét enkelt punkt er tåbeligt ud fra et dæmpningsmæssigt synspunkt - kan man også få dæmpning om pitch-aksen, og så står man reelt set tilbage med et rimeligt stabilt system - specielt hvis man lader spidsen pege lidt nedad og har tyngdepunktet foran for lateralcentret. Det er faktisk sådan, Virgin Galactics SpaceSkipTwo går ind i atmosfæren - blot med næsten lodretstående styrevinger og ikke ballute.

Dette kan håndteres, men kræver tilføjelse af endnu et stabilisatorsystem til rulaksen hvis passageren skal forblive ved bevidsthed,

Balluten vil da netop stoppe bevægelsen om roll-aksen og med en hanefod også bevægelsen om pitch-aksen, så med finner på kapslen er der ikke behov for yderligere stabiliseringssystemer.

Sidst er der så også problematikken imellem ballut og den stærkt assymetriske shockstruktur omkring en liggende cylinder der medfører at balluten skal monteres meget langt bag kapslen, hvilket så igen lader Magnuseffekten komme på banen.

Hvilken Magnuseffekt ved en roll-hastighed på 0? Den eneste effekt, du har at tage hensyn til i den sammenhæng, er hvirvelafløsningsfrekvensen, som ganske rigtigt kræver en meget lang wire, hvis den dannede turbolens ikke skal forstyrre baluten. Forveksler du ikke Magnuseffekten med hvirvelafløsningsfrekvensen, som iøvrigt også forekommer ved en lodretstående cylinder?

  • 7
  • 10

Hvis man ikke kan valse helt ud til enden, kunne man så ikke designe efter at skäre de flade stykker af efter valsningen (og samtidigt ramme störrelsen bedre)?

Det var helt sikkert en mulighed. Man kunne, hvis man skar de ca 100 - 150 mm af der var nødvendige) ramme en standard endebund på 850 eller 900 mm .

Der hvor vi er lige nu er et design af en raket (SPICA) som har en diameter på 955, og det vil vi også kunne lave de forskellige dele til raketten.
Ligesom så meget andet så kræver det bare lidt øvelse. :-)

Mvh
Martin (CS)

  • 1
  • 0

Hej Carsten,

Tak for at minde mig om visdommen i Alberto Brandolini's ord.

Men rent undtagelsesvis, og for andre eventuelle læseres skyld, så lad mig pointere at du er galt på den, som i helt fundamentalt galt.

Hvis du nu genlæste og forstod hvad jeg skrev (en generel betragtning om en nær-homogen cylinder i frit fald fra 100km ved middelhøjt mach), så burde du indse at Knudsentallet måske er lidt vel stort ifht. realiteterne i de postulater du kaster rundt med. Det lyder ikke som om du reelt har forstået implikationerne af 6DOF bevægelse med stor fart igennem et området med en fri middelvejlængde på >10cm.
Det du snakker om er rent continuum flow, det jeg snakker om er transitionerende molecular og kompressibelt flow. Problemstillingen her er en cylinder i et rarified flow regime langt over jordoverfladen, ikke en øldåse der kastes gennem luften nede på stranden.

Det er endvidere dig der putter finner, YPR-referenceramme, inhomogen massedistribution etc. på den simple cylinder, ikke jeg, Det er som sådan irrelevant for forståelsen af problemstillingen.

Jeg mindes tidligere at have opfordret dig til at kigge lidt grundigere på de differentialligninger som er i spil her, det ville også give noget input til dit eget designoplæg, så du kan få fjernet nogle af de åbenlyse pitfalls. Jeg kan igen anbefale Hirschel's 'Basics of Aerothermodynamics' som en god indtroducerende tekst.

Andre interessante udfordringer kalder, jeg står af diskussionen her.

Mvh
Jonas

  • 16
  • 2

Hvis du nu genlæste og forstod hvad jeg skrev (en generel betragtning om en nær-homogen cylinder i frit fald fra 100km ved middelhøjt mach), så burde du indse at Knudsentallet måske er lidt vel stort ifht. realiteterne i de postulater du kaster rundt med.

Hvad i alverden har en øldåse i frit fald med en rumkapsel at gøre, som skal ned gennem atmosfæren på en fornuftig måde med en astronaut? Generelle betragtninger er helt irrelevante her - ikke mindst med henblik på Jon Loldrups forslag om en vandret kapsel aht. astronauten, som vel er det, du kommenterede på?

Det lyder ikke som om du reelt har forstået implikationerne af 6DOF bevægelse med stor fart igennem et området med en fri middelvejlængde på >10cm.

Jo, følgevirkningen af en fri bevægelse ved stor fart - for nu at snakke dansk - er, at der tilføres en masse kinetisk energi fra luftflowet. Hvis ikke den energi brændes af som varme (dæmpning), ender den som skiftevis potentiel og kinetisk energi af selve kapslen, så den svinger helt vildt.

Det du snakker om er rent continuum flow, det jeg snakker om er transitionerende molecular og kompressibelt flow. Problemstillingen her er en cylinder i et rarified flow regime langt over jordoverfladen, ikke en øldåse der kastes gennem luften nede på stranden.

Og hvad her alle de fine ord med Magnuseffekten at gøre - bortset måske fra at fjerne fokus fra dine misforståelser omkring den ;-) Vil du påstå, at der er nævneværdig Magnuseffekt ved roll-hastigheder, som er lave nok til at astronauten ikke bliver bevistløs?

Hvis du ikke mener, at man med nogenlunde tilnærmelse kan bruge de normale aerodynamiske love på jeres kapsel, får I sgu svært ved at få den ballute til af fungere. Har Mads Stenfatt nu også husket at tage højde for 6-DOF bevægelser og rarified flow regime i sit syarbejde, og hvordan i alverden har I tænkt jer at teste balluten under bare nogenlunde realistiske forhold ved supersoniske hastigheder og ekstrem tynd luft? Det bliver ét stort gætteri og cut-and-try. Hvad med at komme lidt ned på jorden igen og se lidt realistisk på sagen og de muligheder, I har?

Det er endvidere dig der putter finner, YPR-referenceramme, inhomogen massedistribution etc. på den simple cylinder, ikke jeg, Det er som sådan irrelevant for forståelsen af problemstillingen.

Det er det da absolut ikke. Det er jo netop ikke en øldåse i frit fald, der er relevant, men en kapsel med en astronaut. Hvis man vil undgå svingninger, skal der være god aerodynamisk dæmpning om alle 3 akser (YPR), og kapslen skal også være passiv stabil, hvilket netop indebærer en inhomogen massedistribution (incl. evt. ballute), så tyngdepunktet kan komme foran lateralcentret. Desuden bør den også være spin-stabil, så den ikke begynder at rotere om yaw-aksen.

  • 8
  • 10