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

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

Varm luft over Nexø!

Med få uger til launch, er det nu tid at kigge lidt på, hvad det egentlig er vi vil lave over Østersøens vande og især, hvad denne raket egentlig er for en størrelse, hvordan den er indrettet og hvad den udfører af arbejde.

Illustration: Carsten Brandt

(Fig. 1)

Som alle der har fulgt med i vore blogge vil vide, så er der ikke nogen enkeltdel i hele dette projekt, der i sig selv er særlig avanceret eller mystisk.

Som enhver, der har set raketten ligge i værkstedet eller stå på railen vil vide, så er raketten i bund og grund bare en lang cylinder med finner i bunden og en spids i toppen. Det er, som i illustrationen ovenfor, vanskeligt at forestille sig, hvad der ligger ”under huden”.

Det er først når vi præsenterer vores ”baby” for dåseåbnerens magiske evner, at sandheden for alvor kommer for dagen og man får en fornemmelse af, hvor meget der skal spille sammen, i hårfin balance med hinanden.

Af samme grund har Carsten Brandt lavet nogle illustrationer, hvor huden er skrællet af, så vi nu kan få et samlet overblik over raketten i al sin hudløse pragt:

Illustration: Carsten Brandt

(Fig. 2)

For at starte lidt bagfra og tale om, hvad vi egentlig laver over Østersøen og hvilket fysisk arbejde raketten udfører på sin mission, må vi desværre indrømme, at raketten ikke udfører noget arbejde i fysisk forstand: Den flyver op – og den kommer ned. Summen af det udførte arbejde er teknisk set lig NUL!

Til gengæld larmer den ganske ustyrlig meget og producerer varm luft. Rigtig meget varm luft, bestående af CO2 og vanddamp. Intet andet!

Det er derimod selve processen, hvor raketten gennem cirka et halvt minut, omdanner godt 70 kg af det reneste, flydende ilt og let fortyndet alkohol til støj og varm luft, der er det magiske moment i vore bestræbelser på at krydse Kármán-linien og nå ud i rummet!

Det er derfor på sin plads med en hurtig gennemgang af denne ”varmluftgenerator”'s bestanddele, baseret på Carsten Brandts seneste tegningsmateriale.

På tegningen ses Nexø 1, den første flyveklare væskebaserede bi-propellant raket i Nexø-klassen fra værkstederne hos Copenhagen Suborbitals. Carsten har skåret hele raketten op, så man kan se indmaden. Vi starter nedefra og arbejder os op mod spidsen.

Jetvanes (styreror):

Illustration: Carsten Brandt

(Fig. 3)

Hvis vi ser bort fra brugen af teflon i pakninger og særlig LOX-kompatibelt smøremiddel, så er de styreror, der skal afbøje jetstrålen fra motoren, så raketten kan styres mod en lodret kurs over affyringsplatformen, nok det mest avancerede materiale, vi har bragt i anvendelse.

De er lavet af grafit med en særlig høj densitet og kan, bortset fra en beskeden afdampning ved hvidglødhede, som ét af meget få kendte materialer, direkte tåle den enorme temperatur i flammen fra raketmotoren.

Grafit tåler desuden de meget store temperaturudsving, da dets termiske udvidelskoefficient er meget lav. Mange andre materialer ville splintres øjeblikkelig, når én side af materialet er 15-20 grader, mens en anden side på brøkdele af sekunder opvarmes til næsten 3000 graders celsius.

Illustration: Thomas Pedersen

Herover: Jetvanes pakket i beskyttende, skumforet kasse, klar til montage. (Fig. 4)

Illustration: Thomas Pedersen

Herover: Jetvane assembly. Monteret på servodrevet gearhus. (Fig. 5)

Disse fire jetvanes er monteret i hver sin rustfaste stålramme, der sidder på et udskåret stykke af et stort tandhjul, der drejes af et mindre tandhjul, monteret på en servomotor. Udviklingen og tilpasningen af disse dele har været noget af en udfordring, som Flemming Rasmussen har stået for. Den vellykkede Sapphire mission gav mange erfaringer, der har udmøntet sig i denne elegante, lille arbejdshest.

Ud gennem bundflangens periferi rækker også fire rørstudse. Det er koblinger for tilslutning af 1) Rør til påfyldning af LOX-tank, 2) Rør til påfyldning af fuel-tank, 3) Rør til tryksætning af LOX-tank med helium og 4) Rør til tryksætning af fuel-tank med helium.

Motoren, finner, ventiler:

Illustration: Carsten Brandt

(Fig. 6)

Ét er Jetvanes at dreje, noget andet en flamme at styre! Den kommer fra den bagerste del, hvor BPM-5 motoren yder en trykkraft på 5.000 N (oversat til dagligsprog er det ca. 500 kg løftekraft) ved at forbrænde fordråbet, flydende ilt (der koger ved -183 grader Celcius) og flydende, 75% alkohol (der fryser til is ved ca. -50 grader Celcius).

På billedet ses BPM-5 som den flaskelignende, rørformede genstand i midten af kroppen, mellem finnerne.

For kort at rekapitulere motorens funktion (der har været behandlet i andre blogs tidligere), så er der tale om en omstrømningskølet, bi-propellant væskemotor. Den flydende ilt (LOX) og alkoholen (fuel) forstøves sammen i toppen af motoren af injektoren, der i denne lille motor er én massiv aluminiumblok, der er drejet, fræst og udboret på en meget præcist og gennemtænkt måde. LOX'en trykkes ind i midten af LOX-domens top, hvori injektoren er indsat.

Illustration: Thomas Pedersen

Herover: LOX-domen med det centrale LOX-rør, der slår et snabelslag ovre fra hovedventilen. (drejet 180 grader i forhold til oversigtstegningen) (Fig. 7)

Alkoholen derimod, som også fungerer som kølevæske for motorens indre kammervæg, der jo er fremstillet af almindelig, sort stål, føres først ned til motorens bagende. Her løber alkohol ind i en manifold, hvorfra det føres videre opad, gennem tynde kanaler mellem den indre kammervæg og den ydre væg. Her optager alkohol-vand blandingen den betydelige varme fra forbrændingen og køler væggen, så den ikke mister sin styrke. Først når alkoholen har været hele denne tur igennem, trænger den ind i injektoren gennem nogle huller i dennes periferi.

Illustration: Thomas Pedersen

Herover: Billede fra en coldflow test, hvor hele motoren ses i sin fulde længde. (Fig. 8)

Den forstøvede blanding af LOX og fuel antændes øverst i brændkammeret, der er så langt som det er, for at give tid til at opnå bedst mulig forbrænding, inden gasserne undslipper motoren gennem kværken. Kværken er en forsnævring, der virker som en barriere mod tab af kammertryk.

Kværkens lysningsareal (sammen med brændkammerets rumfang) er en af de væsenligste parametre i designet af en raketmotor. Hvis lysningsforholdet (mellem kammervolumenet og kværkens lysningsareal) bliver for stort, har gasserne vanskeligere ved at undslippe og trykket kan blive så stort, at motoren ødelægges. På den anden side, så må lysningsforholdet heller ikke blive for lavt, da trykket derved ikke bliver stort nok til, at motoren yder det ønskede.

Dette er én af mange, væsentlige faktorer i de designmæssige justeringer, der kan leges med, når en motor skal designes. Eksempelvis vil en anelse strammere kværk ganske vist øge kammertrykket og gassernes udstrømningshastighed, med større trykkraft og højere apogee til følge.

Men det vil samtidig udsætte materialerne for større belastning og trykke tilbage mod injektorens indløbskanaler, med lidt lavere LOX/fuel flow til følge. Det er en hårfin balancegang mellem mange forskellige faktorer!

Inden jeg glemmer det, skal jeg da lige nævne finnerne. Mange har undret sig over, hvad vi skal med finner på en raket, der er så perfekt styret af Flemming Nyboes ”genopretningssoftware” og er udstyret med de bedste Jetvanes, der nogensinde er blevet lavet af amatører, i den kendte del af Galaxen.

Det handler om flere ting. Først og fremmest, så flytter finnerne Cp (Center of Pressure) længere tilbage, hvilket gør raketten betydeligt mere passivt stabil. Endvidere, så er raketten jo ikke en massiv kæmpe som dén Blue Origin netop har gennemført sin 4. suborbitale flyvning med. Dens lave inerti gør den særligt følsom for en eventuel skævhed i måden, den slipper railen på. Hvis raketten skulle finde på at indlede en saltomotale hér, er det ikke sikkert Nyboes software kan nå at redde den tilbage på ret kurs igen. Så for en sikkerheds skyld har vi finner til hjælp, for at sikre en pæn kurs, indtil styringen er helt i ”Bulls Eye”.

Også her er der en balance, man skal ramme. Hvis finnerne er for små er de ingen nytte til, før ved meget høje hastigheder. Er de på den anden side for store, vil raketten blive meget vindfølsom og forsøge at lægge sig om i vindretningen.

Vi skal videre op ad raketten:

Ovenover selve motoren finder vi den del der styrer flowet af LOX og fuel. Det er en meget kompakt samling af vredne rør, stramme fittings, kugleventiler og to meget kraftige motorer med tilhørende gear, forbundet til ventilerne via den fleksibel koblingsanordning, Martin Hedegaard har konstrueret specifikt til dette formål.

Illustration: Carsten Brandt

(Fig. 9)

I billedet ovenfor ses de tynde tryksætningsrør og de tykke føderør, dels fra LOX-tanken, dels fra fuel-tanken. For lige at sætte de meget pæne tegninger lidt i perspektiv, har jeg fundet et par andre billeder fra virkelighedens verden:

Illustration: Thomas Pedersen

Herover: Illustration af, hvorfor ventil afdelingen er så meget større end motorafdelingen. DC-motor, gear, flexkobling og kugleventil er i sig selv cirka lige så lang som hele BPM-5. (Fig. 10)

Illustration: Jev Olsen

Herover: Isolering af motorer, gearhus og føderør for LOX. (Fig. 11)

Når først hele systemet med føderør og motor/geardele er isoleret, for at kunne fungere under de ekstreme temperaturforskelle, så er der ikke meget mere at se. Særlig kønt er det jo ikke, men det virker!

De store temperaturforskelle er i det hele taget noget af en udfordring ved denne type raket. Føderør for LOX og fuel må ikke komme i nærheden af hinanden, da det ville danne iskrystaller i alkohol/vand-blandingen, som kunne klumpe sammen og begrænse flowet i fuel-siden. Dette kunne give dårlig køling og alt for oxygenrig forbrænding med gennembrænding til følge. Så LOX fødelinier isoleres, for at holde kulden INDE.

DC-motor og gear indeholder fedt, der kunne risikere at blive stift som beg, hvis disse dele køles for langt ned. Derfor isoleres motor og gear, for at holde kulden UDE.

Tankene:

Illustration: Carsten Brandt

(Fig. 12)

Umiddelbart over ventil afdelingen finder vi LOX-tanken. Fueltanken højere oppe er konstrueret på samme måde, så vi kan tage dem under ét og lige kaste et blik på materialevalg og placeringsvalg.

Begge tanke er en integreret del af rakettens bærende struktur. De er lavet i valset og langssvejst aluminium, hvorpå er påsvejst endebunde. I den nederste endebund sidder nogle hulplader, antivortex-plader, der dæmper skvulp, der ville kunne slå raketten ud af kurs, men især forhindrer dannelsen af en udløbs-vortex (som man ser, når man hiver proppen op af afløbet på et fyldt badekar), der ville være en stor barriere, da vi jo helst vil have væskerne til at løbe UD af afløbet, ikke RUNDT om dette.

Udenpå øverste og nederste endebund er påsvejst flanger med huller i. Hullerne passer med tilsvarende huller i flanger i den øvrige del af rakettens bærende konstruktion. Det er lidt af en udfordring at påsvejse sådanne flanger med den nødvendige præcision, da aluminium slår sig ganske betragteligt under svejsning. Det vil kunne introducere nogle katastrofale skævheder, hvis ikke de to flanger er fuldstændig parallelle.

Ellers er valget af aluminium en aldeles begavet beslutning. Aluminium er et af disse vidunderlige materialer, der bliver stærkere ved mekanisk bearbejdning (fx ved en tryksætning) og samtidig bliver sejere og stærkere, des koldere det bliver. Sidst men ikke mindst, så overtrækker aluminium sig selv med en tynd, stærk hinde af aluminiumoxyd, der sidder så godt fast, at aluminium beskytter sig selv mod korrosion – selv i kontakt med flydende oxygen! Så det er virkelig godt til kryogene formål. Det gør bestemt heller ikke noget, at aluminium er både billigt og let!

Illustration: Mads Stenfatt

Herover: Peter Meincke i færd med at trykteste de to aluminiumtanke til Nexø 1. Dette foregår ved at fylde tanken med vand og tryksætte med mere vand i små portioner ad gangen, indtil barometeret når op på 50% mere end det tryk, vi ønsker tankene tryksat til under brug. (Fig. 13)

Til fueltanken kunne vi i princippet have brugt en plastikdunk (hvis den kunne tåle tryksætningen), men vi har valgt at lave de to tanke éns. Dels er det lettere at styre underleverandører, hvis de skal lave flere éns ting, end hvis man skulle have to forskellige til at lave to forskellige tanke, der skulle designes med meget forskellig materialeviden og forskellige tolerencer. Dels er begge tanke bærende, så de må meget gerne være ens, udfra en stress-teknisk betragtning.

Som Carsten Brandts anatomiske tegning øverst i bloggen viser, så har vi LOX-tanken nederst og fuel-tanken øverst. Det er der en meget væsentlig grund til: Hvis LOX-tanken var øverst, så skulle vi isolere hele den udvendige rørføring ned langs raketten meget grundigt. I stedet vil vi meget hellere tappe LOX direkte fra bunden af tanken med kortest mulige rørføring, inden det når frem til LOX-ventilen. Vi har så ført fuel-fødelinien ned langs LOX-tanken. Her har vi kun behøvet at lægge isolering på indersiden af røret, ind mod LOX-tankens iskolde væg.

Illustration: Thomas Pedersen

Herover: De kryogene temperaturer byder nu ellers på rigeligt med andre udfordringer, som billedet her fra det åbne ventilrum, med engine controlleren indsat, illustrerer. (Fig. 14)

Luftens fugtighed sætter sig som tykke kager af is og sne overalt. Det er generende, men ikke kritisk. Man kan dog let forestille sig, at en lidt for lang ventetid efter LOX fyldning, kan gøre hele raketten flere kg tungere. Det kunne givetvis være underholdende at nørde igennem med beregninger af, hvad det betyder for apogee, men det er nok mere en teoretisk finurlighed, end en reel, praktisk udfordring!

Intertank module:

Illustration: Carsten Brandt

(Fig. 15)

Lad os lige se, hvad der sker i dette lille Intertank Module, mellem de to tanke:

Det er her fuel-fødelinien føres ud fra bunden af fuel-tanken, udenfor raketten og ned langs LOX-tanken og ind til fuel-ventilen, oven over motorrummet. Samtidig er det også her vi har ”juletræet”, øverst på LOX-tanken. Der sidder en ganske tilsvarende i toppen af fuel-tanken.

For de af læserne, der ikke er bekendt med, hvad et ”juletræ” er, må jeg desværre skuffe med, at det ikke er et navn vi har fundet på!

Det en almindelig anvendt betegnelse for en kompleks samling af ventiler, rørføringer og lignende, der gør det muligt at accesse én indgang til en tank (eller fx en gasboring) på mange, samtidige måder.

Hvis man Googler ”oil well christmas tree” i Billeder, så får man nogle ganske vidunderlige eksempler på nogle langt mere komplekse ”juletræer”, end vi nogensinde kommer i nærheden af. Men vi kan alligevel godt være LIDT med!

Illustration: CS

Herover: 3D illustration af et Nexø 1 ”juletræ” (Fig. 16)

Juletræet er en kompakt enhed, der i vores verden indeholder:

1) Termosensor til at måle gaslommens temperatur, hvilket er mest interessant i LOX-tanken.

2) Vent-ventil (vent valve), der tjener som sikring mod for højt tryk. Engine Controlleren har en grænseværdi og hvis trykket er for højt, aktiveres ventilen for at sænke trykket. Denne tjener naturligvis også til at udlufte tanken under tankning, så der ikke dannes modtryk. Det er vent-ventilen, der ind i mellem står og ”popper”, og kan sætte én en skræk i livet, de første gange man hører det.

3) Burst disc (huses af den meget tykke aluminium-dobbeltflange på siden af juletræet). Går ved 27 bar og er den ultimative sikring mod for højt tryk. Det var dén der, som noget af et kedeligt antiklimaks, sprang under den første motortest af HEAT-2X. Heldigvis, må man trods alt sige, for ellers kunne LOX-tanken være flækket.

4) En tryksensor til udlæsning af tankens tryk.

5) En indgående port til tryksætningsgas (helium).

6) Har i bunden (forsænket inde i tanken) en diffusor, så gassen skydes ud radialt.

Illustration: Carsten Olsen

Herover: Juletræ i intertank modulet. Bemærk isolering af LOX-tankens top. (Fig. 17)

Og som sagt sidder der en fuldstændig tilsvarende gadget på toppen af fuel-tanken … hvilket fører os halvanden meter højere op ad raketten til avionicstønden.

Avionicstønden:

Illustration: Carsten Brandt

(Fig. 18)

Jeg husker ikke, hvor mange gange jeg har set Jesper Rosendal og andre stå igen-igen med avionicstønden ude, for at lave små rettelser og justeringer. Og når man ser, hvad tønden indeholder kan man næsten godt forstå det. Mens engine controlleren nede ved ventilerne, kan sammenlignes med lillehjernen på et menneske (en beskeden CSduino med interfaceprint), så er det her i avionicstønden vi finder storhjernens nervebundt til styring, navigation og kommunikation, sammen med strømforsyningen til hele raketten.

Vi skal have strøm med ombord. Vi skal ikke bare kunne levere strøm nok, når der er brug for den, vi skal også kunne holde på den i lang tid. Så der er installeret hele 5 batteripakker, 12V/4,5Ah (NiMH), der sammen med PD (Power Distribution) sikrer strømforsyning til hele raketten.

Så er der GPS, der indeholder en Piksi og Poxa (GPS-modtagere) med tilhørende antenner, en Arduino Nano og en barometrisk tryksensor. Signaler herfra går videre til GNC, der véd hvad informationerne skal bruges til

GNC (Guidance and Navigation Computer, med CSduino og IMU) ”lytter” til rakettens bevægelser, position, kammertrykket i motoren og det atmosfæriske tryk og reagerer på alt dette efter planen. Raketten styres lodret op, ved at styringen justerer strålerorene i bunden af raketten i forhold til rakettens bevægelser, så vi ikke kommer udenfor området. Efter MECO (hvor vi ikke længere kan styre, men raketten blot fortsætter som et projektil, mens det stille og roligt taber fart) bliver der lyttet rigtig meget til lufttrykket. Dét får nemlig afgørende betydning for, hvornår næsekeglen skal skydes af. Mere om dette senere.

Illustration: Mads Stenfatt

Herover: Bo Brændstrup i færd med at trække det komplekse og vidt forgrenede ”ledningstræ” med alskens stik, til at forbinde alle de elektroniske dele. For at få det hele til at passe, inden montage i den færdige raket, har han været nødt til at fremstille en komplet, men skeletteret model af raketten og trække kablerne heri. (Fig. 19)

Endelig er der TM (TeleMetry, transmitters), TC (TeleCommand, receivers) og 2 stk Csduino'er. Meget praktisk er der i tilknytning hertil 3 antenner (man ser ganske vist 4 antennehorn, men det fjerde er der kun af hensyn til en ensartet aerodynamisk profil).

Faldskærmstønden:

Illustration: Carsten Brandt

(Fig. 20)

Mellem avionicstønden og næsekeglen sidder faldskærmstønden. Måske til manges overraskelse, er faldskærmstønden ikke fyldt med faldskærm. Først skal nævnes, at det er i bunden af faldskærmstønden, videoelektronikken til videodownlink er lokaliseret, omend denne får strøm fra avionicstønden.

Faldskærmen er pakket i en taske, der er placeret i en ekstra tønde, der er placeret inden i faldskærmstønden. Nogle af de stærkeste beslag på raketten befinder sig i faldskærmstønden. De skal bære raketten, når den daler ned i faldskærmen, men de skal derudover kunne tåle nogle meget kraftige ryk undervejs.

Ballutten er også fæstnet hertil og såvel næsekeglens afskydning, balluttens udfoldelse, faldskærmens udløsning og balluttens frigørelse hænger sammen, i en nøje orkestreret sekvens:

Efter MECO, hvor raketten fortsætter som et projektil mod himmelhvælvet, holder alle vejret, mens GNC ”lytter” til lufttrykkets ændring.

Når trykket er lavest, har raketten nået apogee (højeste punkt på banen) og vil falde tilbage mod jorden.

Når lufttrykket er steget tilstrækkeligt herefter, udløser GNC de to airbag-gasgeneratorer i toppen af næsekeglen. Når disse skydes af, hæves trykket så meget i næsekeglen, at de 8 ”dogbones”, der holder næsekeglen fast til faldskærmstønden, rives midt over, og næsekeglen forsvinder i frit fald over Østersøen (Og dog! ...men mere om dette senere!).

Oversyerske Mads Stenfatts ”ballute” slipper i samme ombæring ud af og frigøres fra næsekeglen, hvorefter vindpresset får den til at folde sig ud i sin karakteristiske dråbeform, retter raketten op og holder lidt igen på hastigheden.

Illustration: Jev Olsen

Herover: Mads Stenfatt tester sit svendestykke som CS' nye sypige, her hos Copenhagen Air Experience. Man kan ane, at balluttens dråbeformede ballonform fremkommer, når luften blæses ind i lommerne på siderne. (Fig. 21)

I passende højde, hvor ballutten har stabiliseret hastigheden, giver GNC sit release-signal, der aktiverer en pyroteknisk kabel cutter, der skarpt klipper det kabel over, der holder ballutten fast til faldskærmstønden.

Dette slipper raketten løs i et nyt, frit fald, mens ballutten, der er fæstnet til hovedfaldskærmens taske, trækker denne med ud, de foldede liner strammes op af trækket fra ballutten og trækkes fold efter fold fri af falskærmstasken, indtil tasken endelig trækkes helt af hovedfaldskærmen, der nu folder sig delvist ud. Dette giver et pænt ryk i hele raketten, der nu bremses yderligere ned i fart.

Faldskærmen folder sig kun delvist ud? Ja, for den er ”reefet”: Der er trukket en line rundt i faldskærmsperiferien, der forhindrer faldskærmen i at udfolde sig mere end cirka 50%.

Illustration: Thomas Pedersen

Herover: Mads Stenfatt og Bo Brændstrup monterer reefer-cutter og elektronikboks i faldskærmen. (Fig. 22)

Efter 15 sekunder i denne halvt udfoldede positur, aktiveres endnu en cutter af en lille elektronikboks, der er pakket ind sammen med faldskærmen. Derved klippes reefer-linen og faldskærmen folder sig endelig og helt ud, som man ser i dette før/efter billede:

Illustration: Ahmad Rahman

Herover: Faldskærm under test, hvor Ahmad Rahman selv hoppede ud fra en flyvemaskine, hægtet til faldskærmen. Til venstre reefet. Til højre foldet helt ud. Bemærk silhuetten af den lille, dinglende elektronikboks i kl 7 position på billede to. (Fig. 23)

Da elektronik, cutter og batteri er pakket ualmindelig godt ind i faldskærm, taske og faldskærmstønde, med en næsekegle med ballut ovenpå, sikret med hele otte ”dogbones” er der dog klogelig tænkt i redundans, hvis nu den ene skulle svigte: Der er faktisk hele TO elektronikbokse med egen cutter og eget batteri.

Herefter daler raketten stille ned til en blød landing på Østersøen, hvor den vil ligge og vugge sagte, indtil recovery team kommer frem og får sikret den. Hvorefter vi tager hjem i god ro og orden, blot for at gøre klar til opsendelse af Nexø 2 (ja, du læste rigtigt - jeg skal faktisk i gang med at lave klistermærker til den, de kommende dage!)

Men … glemte jeg noget? Åh, ja – så pyt da!

Næsekeglen:

Illustration: Carsten Brandt

(Fig. 24)

Næsekegler til raketter findes der mange slags af. Mange raketter fra raketflyvningens barndom var bare simple spidse kegler, ligesom man ser på nytårsraketter og mange mindre amatørraketter i dag.

Vil man op i væsentlig højere hastigheder, eksempelvis hurtigere en lyden, så er man nødt til at tænke mere over hvilken form, næsekeglen skal have. Langt de fleste er baseret på en geometrisk form, et særlig cirkeludsnit, kaldet en ”ogive” (DA:”spidsbue”, der kendes fra gotiske kirkehvælvinger).

Et klassisk eksempel er en sekant-ogive, som denne fra Wikipedea:

Illustration: Wikipedea

Herover: Denne sekant-ogive siger man har en ”spidshed” på 120/100 = 1,2. (Fig. 25)

Ved transsoniske hastigheder og højere, gør man sit bedste, for at fabrikere en form, der har glidende overgange og så få bratte formændringer som muligt. Det er et vældig interessant forskningsområde og hvis man virkelig gør en indsats for sagen, så kan man vinde fornuftigt på rækkevidde og opnå mindre deviation fra den planlagte kurs, end hvis man bare vælger den første den bedste form.

Illustration: Carsten Olsen

Herover: Færdigformet og grundmalet næsekegle, efter Rune Henssels utrættelige indsats. (Fig. 26)

Wolfgang Siegfried Haack (1902-1994), en tysk matematiker og aerodynamiker, var allerede under 2. Verdenskrig så langt fremme i sin forskning, indenfor arbejdet med transsonisk og supersonisk aerodynamik, at hans arbejde blev holdt strengt hemmeligt, da det var indlysende, hvor stor betydning det havde for krigsindustrien.

Illustration: Thomas Pedersen

Herover: Rune under tidligere slibearbejde på næsekeglen, der her er opspændt i den særlige næsekegle-drejebænk (Fig. 27)

Haack forskede blandt andet i luftmodstanden for forskellige legemer ved supersoniske hastigheder og i den kritiske transsoniske fase, hvor legemet går fra supersonisk til subsonisk hastighed eller omvendt.

Han udviklede gennem sit forskningsarbejde en formel, der genererede, hvad der siden blev kaldt Haack-serien af sådanne optimerede forme. To særlige afarter i Haack-serien kaldes for LV-Haack (Length-to-Volume Optimized) og LD-Haack (Length-to-Diameter Optimized). Den sidste af disse særlige næsekegler går også under navnet ”Kármán Nose Cone”, eller ”Kármán-Haack Ogive”, opkaldt efter den Ungarnsk-Amerikanske matematiker og aerospace ingeniør Theodore von Kármán, efter hvem Kármán-linien (100 km – grænsen til rummet) ligeledes er opkaldt.

Illustration: Thomas Pedersen

Herover: Den færdige næsekegle fæstnet til faldskærmstønden med de otte ”dogbones”, der rives midt over, når gasgeneratorerne i toppen af næsekeglen skydes af, kort efter apogee. (Fig. 28)

Der er selvfølgelig en formel for sådanne næsekegler, der gør det muligt for enhver selv at lege lidt med Haack-serien. Men først skal det lige siges, at Haack-serien faktisk slet ikke beskriver en "ogive". En ogive er en geometrisk konstruktion, mens Haack-serien beskriver matematiske grafer, der IKKE kan konstrueres geometrisk.

Det næste der skal siges er, at Kármán næsekeglen er rent overkill, hvis man bare vil have en raket, der er nogenlunde fornuftig at flyve med. De store brændstoftanke til rumfærgerne er eksempelvis sekant-ogive-formede, da man åbenbart ikke har fundet det nødvendigt at optimere på denne detalje, når der i forvejen strittede dimser ud til højre og venstre, som havde langt større indflydelse på de aerodynamiske forhold.

Ind i mellem tager fanden ved Rune og han havde åbenbart fundet det optimalt at optimalisere det optimale, mere optimalt end optimalt er. Så det SKULLE altså bare være en ”von Kármán næsekegle”, han ivrigt kastede sig over. Resultatet er en meget flot, meget stærk og meget let kegle, med en stærk flange i bunden, der passer fuldstændig perfekt til faldskærmstøndens egen topflange.

Men som enhver ved, så er der intet så skønt i verden, som at vinde håneretten over en god kollega, så havde han nu også ramt den RIGTIGE form?

Jeg tog mig naturligvis den frihed, her for et par dage siden, under forarbejdet til denne blog, at efterprøve, hvor godt eller skidt han har ramt den ønskede form. Jeg kan derfor nu afsløre, at det (desværre) ikke er lykkedes for mig at eftervise fejl ved Runes næse!

Det er godt gået og han er faktisk så glad for den, at han på én eller anden måde har lusket sig til at få monteret en særlig rednings-faldskærm og GPS-tracker i den, så den kan få tildelt sin egen recovery operation! ;-)

Hvis læserne selv har mod på at lege lidt med Haack-serien, så er det bare at gå i gang:

Illustration: Jørgen Skyt

Herover: Formel for Haack-seriens næseformer. (Fig. 29)

Theta afledes af x i øverste formel, der indsættes i den nederste, for at finde y.

L = længden af næsekeglen.

R = radius af næsekeglen ved roden.

x = afstand fra næsekeglens spids.

y = radius ved given værdi af x.

C kan antage mange eksperimentelle værdier.

Med C=1/3 fås en LV-Haack form. Med C=0 får en LD-Haack form.

Det er den sidste (LD-Haack), der kaldes Kármán næsekeglen!

I et regneark kunne det eksempelvis se således ud:

Illustration: Jørgen Skyt

(Fig. 30)

Så for de af læserne der savner lidt at nørde med i fritid eller ferie, så er her da lidt at fordrive ventetiden med, op til SPUTNIKs snarlige afsejling mod "Spaceport Nexø", for at åbne "Nexø 1 Launch Campaign", om ganske få uger!

Tak for opmærksomheden!

Jørgen Skyt er en af flere medlemmer af Copenhagen Suborbitals, der skriver på denne blog.
sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Det er sgu nydeligt. Der er blevet pakket en pæn del ingeniørarbejde ind i det bæst efterhånden. KISS ved jeg ikke, men smukt det er det altså. Med alt det knofedt der er lagt i den raket, kan jeg umuligt være den eneste der virkeligt håber på, at denne gang flyver den altså, og gør det smukt. Hvad er det forøvrigt at forventet apogee er for Nexø 1 og 2? Tak for en stor, fyldig og smuk blogpost! Nu glæder jeg mig altså til at se den flyve, lige om snart.

  • 22
  • 0

SÅ flot arbejde! Tusind tak til alle i CS for en af de mest interessante blogs på nettet. Og et af de mest fascinerende projekter i virkelighedens verden. Det er en fryd at følge jer. Stort held og lykke med jeres fortsatte, inspirerende arbejde (også selv om der mod forventning skulle ske en smutter i den forestående opsendele).

  • 18
  • 0

Undertegnede har haft lidt blog-hunger her i foråret, men denne er på kraftigt aftagende, efter de sidste fantastiske blogs!
Det er Fremragende formidling!! Tusind tak!!

@Bjerregaard: KISS; næppe. Men dengang naboen stod ved roret (Don't mention the war...) tænkte jeg ikke sjældent på, om jeg egentligt subventionerede et avanceret selvmord...
Med d'herrer Elof Sørensen, Bjarnø, Nyboe, Brændstrup et. al. føler jeg imidlertid, at retningen er klar, velovervejet og gennemførlig hele vejen.
Jeg glæder mig til at se jer på Bornholm i sommer.

Endnu en ting som jeg ikke læser om i bloggen: på Carsten Brandts enestående illustrationer nævnes 100 g markeringsfarve til nedslaget i vandet. Hvor sidder denne beholder?

  • 9
  • 0

Ja 8 km er vores estimat og forhåbning for Nexø 1. Hvis den kun når 6 km og kommer dalende ned under faldskærmen, så er det også en stor succes.
Nexø 2 skal have DPR (Dynamic pressure regulation) og med det forventer vi den når noget nær dobbelt så højt som Nexø 1.

  • 9
  • 0

Fanme lækkert arbejde og gode løsninger. Havde jeg haft tiden havde jeg boet ude ved jer - desværre må jeg nøjes med det næstbedste og nyde jeres blog her på ing.dk. No offence hverken til DC3 vennerne eller dem dem der går og resturerer damplokomotiver - Det her må være Danmarks pt.sejeste hobby projekt...

@Lars - dette er KISS, ingen tvivl om det. Jetvanes istedet for gimballed dyse, Tryksatte tanke frem for turbopumper - det bliver ikke meget simplere end det hvis man vil have performance ud af raketten og gøre den skalerbar. Der er grænser for hvor simpelt man kan lave ting der rent faktisk skal virke og vil virke (efter hensigten).

  • 12
  • 0

@Benny Simonsen

Vinderen af forslag til "udbudsmaterialets anmodning om løsningsforslag" (for at holde sig til en projektingeniøragtig kontekst ;-) ) blev, at lade "Wilsonkæppen" forlade brændkammer og kværk, ved at tilbagetrækningen herfra foregår gennem et ganske enkelt, retningsstyrende og sving-reducerende rør, hvorigennem såvel stok som ignitor ledes mod Østersøens dyb. Dette sker ved den kendte "Roskilde metode", hvor en forceret kraft, her et særligt lod der trækker igniteren ud, forhindrer uønskede problemer!

Alt dette er detaljeret beskrevet i min tidligere blog: https://ing.dk/blog/mennesket-dukker-op-i-...

  • 5
  • 0

@Niels Junggren Have

Å flot arbejde! Tusind tak til alle i CS for en af de mest interessante blogs på nettet. Og et af de mest fascinerende projekter i virkelighedens verden. Det er en fryd at følge jer.

Mange tak, Niels! Vi forsøger jo at inspirere, alt hvad vi har mulighed for! Og vi forsøger at bringe fortællingerne i samspil med resultaterne, men det kan være svært at få tiden og inspirationen til det, når der også er knivskarpe mål, at forholde sig til!

Stort held og lykke med jeres fortsatte, inspirerende arbejde (også selv om der mod forventning skulle ske en smutter i den forestående opsendele).

Tak ... jeg tror alle véd, der kan opstå "smuttere". Det er jo en kompleks affære! Men jeg tror også de fleste af vore følgere har indset, at vi ikke giver op, men tværtimod lærer af vores potentielle fejlskud ... vi skifter IKKE kurs, bare fordi vi måske rammes af en smule overraskelser! Faktisk, så rammes vi ikke længere af rigtige overraskelser! ;-)

  • 9
  • 0

Uha, pas nu på at du ikke fremprovokerer Murphy :-)

Nå spøg tilside.

Super godt at se at det går planmæssigt fremad og rart at se at mine bedrag gennem CSS bliver brugt efter hensigten (det har jeg nu aldrig været i tvivl om)!

God (svag) vind over østersøen når i når dertil :-)

  • 3
  • 0

Inden jeg glemmer det, skal jeg da lige nævne finnerne. Mange har undret sig over, hvad vi skal med finner på en raket, der er så perfekt styret af Flemming Nyboes ”genopretningssoftware” og er udstyret med de bedste Jetvanes, der nogensinde er blevet lavet af amatører, i den kendte del af Galaxen.

Det handler om flere ting. Først og fremmest, så flytter finnerne Cp (Center of Pressure) længere tilbage, hvilket gør raketten betydeligt mere passivt stabil.

Det handler vel først og fremmest om kravene til regulatoren.

Uden finner er raketten ikke passiv stabil, og så skal regulatoren stabilisere et ustabilt system svarende til at balancere en stang på en finger. Det er regulatoren og aktuatorerne næppe hurtige nok til. Hvis de var, havde Sapphire formodentlig ramt lige i Bulls Eye og ikke 90 m ved siden af, da motoren blev stoppet. Ikke at 90 m på nogen måde er dårligt; men det indikerer bare, at regulatoren næppe vil være i stand til at stabilisere et ustabilt system.

Med finner skal regulatoren kun finjustere kursen, hvilket er betragtelig nemmere.

Endvidere, så er raketten jo ikke en massiv kæmpe som dén Blue Origin netop har gennemført sin 4. suborbitale flyvning med. Dens lave inerti gør den særligt følsom for en eventuel skævhed i måden, den slipper railen på. Hvis raketten skulle finde på at indlede en saltomotale hér, er det ikke sikkert Nyboes software kan nå at redde den tilbage på ret kurs igen. Så for en sikkerheds skyld har vi finner til hjælp, for at sikre en pæn kurs, indtil styringen er helt i ”Bulls Eye”.

Lige netop i den situation ville det faktisk være en fordel at undvære finnerne af flere årsager:

  • Jet vanes og finner modarbejder hinanden, hvilket gør opretningen langsommere.

  • En ustabil raket drejer meget hurtigere end en stabil, hvilket er årsagen til, at alle moderne jagerfly er passivt ustabile op til supersonisk hastighed, og når man er langt fra kursen, er det fuldstændig ligegyldigt, om systemet er stabilt eller ej. Jeg har selv lavet pumperegulatorer med et ulineært P-led, der steg til langt over 1 langt fra setpunktet, så pumpen kunne starte hurtigt op, hvis en anden pumpe faldt ud. Man skal bare skrue ned for P-leddet, når man nærmer sig setpunktet. Desuden bliver raketten først rigtig ustabil, når luftmodstanden for alvor begynder at presse mod rakettens top. Prøv f.eks. at slippe en stang. Den drejer sig ikke i luften, før luftmodstanden bliver tilstrækkelig stor.

  • Hvis kursen ikke er lige lodret op, kan finnerne trække raketten ind i et gravity turn. Tyngdekraften giver en sideværts kraft/acceleration, der er proportional med sinus til vinkelfejlen, og den stigende sideværts hastighed vil luftmodstanden på finnerne konvertere til et drejende moment. Uden finner er dette problem langt mindre. Selv om en finneløs raket skulle lægge sig helt vandret, vil regulatoren kunne rette kursen op; men en raket med finner vil formodentlig ende i et gravity turn.

  • 1
  • 10

Det var dog en ualmindelig velskrevet og flot illustreret update, tak for den.

De der servoer, som ligner Futaba med plastic hus, ser ud som om de sidder tæt på noget der bliver ret varmt? Men er selvfølgelig prøvet af.

  • 2
  • 0

Er det planen, at den skal flyve lodret op over opsendelsesplatformen, eller skal den eventuelt flyve op mod vinden, så den kan svæve tilbage i faldskærmen?

Eller noget helt andet?

  • 1
  • 0

Hej Henrik

Den flyver lodret op og driver med vinden ned i sin skærm. Den kommer ikke så højt op, at der er fare for, at den driver ud af området, og den falder langsomt nok til, at recovery kan nå at være fremme til at bjærge den.

Med Spica bliver det en anden sag. Her bliver vi nok nødt til at forudse afdrift under re-entry og kompensere for dette ved at "sætte" apogee derefter. Det kræver så en måling af vind i de forskellige luftlag så sent som muligt (vejrballon) og de deraf afledte data mokset ind i Nyboes algoritmer.

mvh Flemming

  • 4
  • 0

Hej Flemming

Den flyver lodret op og driver med vinden ned i sin skærm.


Er det en kurs eller en bane?

For mig er en kurs en retning, f.eks lodret op. Hvis kursen fraviger lodret vil regulatoren og dermed jet vanes kompensere sådan at raketten kommer tilbage til lodret, men der kompenseres ikke for afdrift.

Bane vil være, at regulatoren, eller en ekstra regulator, kompenserer også for afdrift, sådan at raketten til styre efter at være lodret over affyringspunktet.

  • 0
  • 0

Hej Bo

Er det en kurs eller en bane?

Raketten flyver i det du kalder en bane.


Banen er integralet af kursen over afstand.
Hvis man lader regulatoren styre efter banen bliver det den anden afledede og der må blive en forsinkelse.

Umiddelbart virker det mest logisk at lade èn regulator styre efter en kurs. Hvis så banen afviger det ønskede lader man en anden, og knap så hurtig reagerende, regulator justere den ønskede kurs.

Eller hvordan programmerer I det?

  • 0
  • 0

Eller hvordan programmerer I det?

Det kan jeg desværre ikke svare på, da jeg ikke ved det.
Det er Nyboes gebet vi her er inde på, og han kan nok heller ikke svare særlig specifikt, da netop de algoritmer falder ind under de eksportrestriktioner myndighederne har pålagt os.

  • 0
  • 0

Hej Bo

Det er Nyboes gebet vi her er inde på, og han kan nok heller ikke svare særlig specifikt, da netop de algoritmer falder ind under de eksportrestriktioner myndighederne har pålagt os.

Nu spørger jeg jo ikke om en kopi af koden, men en mere overordnet filosofi. Noget som tidligere har været diskuteret på dette forum.

Det kan jeg desværre ikke svare på, da jeg ikke ved det.

Det er ærlig snak, hvilket jeg kun kan respektere.

  • 0
  • 0