close

Vores nyhedsbreve

close
Når du tilmelder dig nyhedsbrevet, accepterer du både vores brugerbetingelser og at Mediehuset Ingeniøren og IDA group ind i mellem kontakter dig angående events, analyser, nyheder, tilbud etc. via telefon, SMS og e-mail. I nyhedsbreve og mails fra Mediehuset Ingeniøren kan findes markedsføring fra samarbejdspartnere.
rumfart på den anden måde cs banner bloghoved

Varme, kloning af ingeniører og svensk stål...dagens teknikbask.

Kære Læsere,

I morgen er der kick off møde på DTU om raketten HEAT 2X. Som de fleste vil vide er booster afdelingen i CS for længst tyvstartet med 2X ligesom vi stille og roligt kører kanonerne i stilling til HEAT 1600. Men - en raket er jo meget mere end en raketmotor - og dens tanke.

Mødet i morgen skal derfor igangsætte produktionen af rakettens elektronik og dens payload.

I andre raketklubber er payload = elektronikken - men i CS må det nødvendigvis være lidt anderledes. For vores booster kan ikke fungere uden styresystemet - og boosterens motor kan ikke fungere uden en sequencer som styrer opstart og nedlukning. Næste generation af CS motorer har turbinepumper - det bliver det fuldkomne paradis for en hver elektronik og software nørd.

Så hos os breder elektronikken sig ud over payloaden og ned i raketboosteren.

I alle raketter er det masseflowet af drivmiddel man mere end noget skal have kontrol over. I en væskeraket er det altså flowet af de to væsker. I en hybridraket vil det være flowet af oxydationsmiddel og fordampningen af gummibrændstof man skal have check på - og i en faststof raket er det arealet af drivmiddel der brænder.

Fælles for alle raketter er at mister man kontrollen over masseflowet, vil raketten på en eller anden måde fejle. Det kan ytre sig på alle måder fra lavere performance til en fuldkommen CATO hvor hele raketten eksploderer. Af de tre typer leverer faststofraketten så absolut de værste og mest destruktive CATO hændelser - mens væske raketter og hybridraketter giver mere overskuelige katastrofer. Hybridraketter kan faktisk normalt ikke rigtigt gå CATO. Men - og der er altid et men - de bedste hybrid oxydations midler som f.eks. lattergas og hydrogenperoxid kan i sig selv eksplodere hvis provokeret nok...så det bliver så nogenlunde det samme.

HEAT 2X er en tryktanks raket. Det er i princippet et meget enkelt system - brændstoftankene er ganske enkelt kun fuldt 2/3 dele op med drivmiddel. Resten er en boble af henholdsvis helium i LOX tanken og nitrogen i alkohol tanken. Mens 2X kører tømmes tankene og boblen ekspanderer næsten adiabatisk. Det gør at trykket faldet eksponentielt. Derfor falder også motorens output. Det går dog an, da massen af raketten der skal løftes også falder.

For en letheds skyld kan vi ofte oxydationsmidlet for "ox" og blandingen af ethanol, isopropylalkohol og vand for "fuel"

Flowet af de to drivmidler styres i tryktanksraketten, kun af flow modstanden i systemet, og af trykket i tankene. Man må satse på at trykket i de to tanke følges nogenlunde ad mens drivmidlerne udtømmes. Begge tanke har derfor det samme 2/3 dels forhold mellem drivmiddel og trykgas. Når man bygger en tryktanksraket bruger man derfor megen tid på at gennemstrømme systemet med vand, for at måle de strømningstekniske egenskaber for rørsystemet og injektoren. Disse vand flow tests giver nogle sammenhørende værdier for trykfald og flow - og de kan relativt simpelt omregnes til hvad de ville have været med de rigtige drivmidler.

HEAT 2X´s motor - TM65LE har et kølesystem som er hele betingelsen for at motoren kan tåle at køre i op til 90 sek. Kølingen opstår dels ved at vi omstrømmer brændkammer og dyse med alkohol fuel før det brændes af - og dels af at vi etablerer en film af fuel på indersiden af brændkammeret.

Fordampningen af denne film gør det samme for motoren som når vores hud sveder i blæsevejr - det køler voldsomt.

90 % af arbejdet med en væskemotor består i at forhindre den i at brænde sammen. Der er ikke rigtigt nogen materialer der kan holde til de knap 3000 C som opstår i en raketmotors brændkammer. Verdens mest varmebestandige materiale er sjovt nok ikke et særligt metal eller noget keramik - men kobber med aggressiv køling. Det er høj varmeledningsevne der er vigtig - ikke smeltepunktet.

Der er nogle virkelyste svenskere som er i fuld gang med deres egen udgave af CS.

SRRG hjemmeside

De har godt nok ikke haft så meget succes endnu - men de vil få det hvis de holder dampen oppe, og læser lidt mere på termodynamikken. Jeg synes det er helligt - de skriver om at opsende raketter fra Bornholm med kommercielle payloads. Ellers er planen at bruge LOX / ethanol kombinationen i en suborbital raket. SRRG har også en LES motor og har arbejdet med hybrid raketter. Se sektionen om deres Vertical Test Cell 1, her:

SRRG´s VTC 1

Den kommer i farven grå, har en integreret kran, vandkølet flammedeflektor og andre unikke kendetegn for ægte svensk innovation.

På sigt vil de gerne bruge turbinepumper drevet af - 80 % H202 som de selv producerer. Se f.eks. denne meget inspirerede data side om SRRG´s RD1X motor:

SRRG RD1X motoren.

RD1X kører ved imponerede 54 bars kammertryk.

Sebastian Borg nævner i nedenstående link om at vi i CS bruger "bondejern" til vores brændkamre. Svenskerne bruger rustfrit stål forstås. Aha !

Link til blog om SRRG

Hvis vi brugte rustfrie stål, som har notorisk lav varmeledningsevne, ville vores motorer brænde sammen. Almindelige konstruktionsstål, som vi i stedet benytter, har meget bedre varmeledningsevne - og kan derfor komme af med varmen til kølemidlet. Temperaturen på brændkammeret er faktisk ikke ret høj hvis alt virker - under 200 C, og ved de temperaturer er der ingen fordele ved rustfrit, faktisk kun ulemper. Faktisk vil motoren slå sig meget mere i varmen, og rustfrit stål har bare ikke de rigtige egenskaber selvom det er fint og blankt og lidt dyrere.

Der er derimod en hel masse fordele ved kulstofstål - og allerbedst ville kobberlegeringer være. Hvis dog bare de svenskere ville læse lidt på lektien. Man skal simpelthen forstå at det ikke glæder om at vælge det mest mulige high tech materiale - men det der bedst muligt opfylder et kompromis mellem modstridende og ret komplicerede krav. Nu har man bygget en 5 - 6000 raketmotorer nogenlunde som vores - så det er undersøgt om almindelige kulstofstål er et godt valg. Det er det, forudsat visse ting - og det valg er meget bevidst, og meget begrundet.

Bliver motorens inderkappe ikke kølet så meget at den er godt under kølemidlets kogepunkt går det galt. Så dannes en damphinde mellem kølemiddel og kammervæg, og kølingen reduceres. Så stikker temperaturen af og man får en hotspot, og dernæst havari. Så brændkamre skal ikke være varmebestandige - de skal være sindsygt grundigt kølet. Det er derfor almindeligt stål faktisk er fint, og kobber endnu bedre.

Hvorfor mon de nyligt bjergede F1 raketmotorer fra Saturn V er helt grønne som et gammelt kobbertag...hvorfor mon...?

Svenskerne beærer os i øvrigt som sagt ved at kalde deres prøvestand VTC 1, og lave den i nøjagtigt samme design som CS´s nu udfasede VTC 1. De genbruger sågar musikken fra vores videoer og en masse HTML fra vores hjemmeside. Det giver altså nogen finurlige historier når man snupper et tekststykke fra CS om amatører og non profit - og så selv tilføjer noget med firma og tilfredse kunder...Men vi bakker dem da 100 % op, bare de ikke rakker ned på vores valg uden at forstå vores begrundelser for de valg.

SRRG´s rørdiagram for RD1X højtryksmotoren. Grafik: SRRG

Her har vi så diagrammet for TM65. Vi må altså være inspirerende ! Grafik CS.

Når man ikke skal, eller har bygget noget i praksis - så er det meget let at skrive 54 bar. Men for djævlen - det er jo ikke bare at vælge nogen flotte høje tal - den slags kammertryk er bare helt ude i hampen til en tryktanks raket - og kræver en helt anden teknologi til fremstilling af brændkamre. Jeg synes det er herligt - men inderst inde ved jeg også godt at der bare mangler noget gods bag. Det får man ved at brænde sig - og begå det Cameron Smith kalder "invaluable errors" Som sagt, det skal nok blive til noget hvis de holder ved - men der er altså mere i det end at vælge nogle blanke materialer og eksorbitante tryk. Men god vind til dem !

Det samme ville gode gamle Peder Tordenskjold jo sige, hvor hvor havde han været uden Svenskere ? Som I ved - CS er ikke til salg, men til inspiration. Det må siges at virke !

For at kølingen kan blive god nok skal jeg ikke bare omstrømme motoren med alkoholen. Jeg skal også holde fuldkommen check på strømningshastigheden inden i kølesystemet. Den skal ligge mellem 5 - 15 meter / sek i kølekappen. Det betyder for TM65LE vedkommende at jeg skal holde en spalte på 2,5 mm mellem yder og inderkappe i motoren. Det heldige er at i kværken - hvor dysens tværsnit er mindst bliver strømningshastigheden højst, og det er samme sted vi har den allerværste varmeoverførsel.

Raketmotoren er smedearbejde. Det er ganske håndværksmæssigt krævende at holde disse tolerancer - og det lykkes kun ved at bruge mange små finesser - og ikke mindst en del afstandstykker mellem inder og yderkappe. Mit job kompliceres yderligere af at inderkappen i TM65LE bliver en god millimeter længere end yderkappen under drift. Det er fordi inderkappen bliver godt 100 C varmere end yderkappen. For at det kan ske uden at inderkappen knuses, må jeg indbygge ekspansionssamlinger i yderkappen. Når så alting bevæger sig i varmen - så ændrer kølesystemet geometri - hvorved flowet gennem det ændrer sig...og man mister kontrollen over masseflowet...

Lidt rocket science er det altså i det...

Men - mestrer man dette har man en teknologi som kan flyve til Månen. Effekten af ikke at mestre det fuldkommen kan være alt fra havari til reduceret performance. På HEAT 2X er det primære problem at vi kan ende med at ikke få tømt de to tanke synkront. Så står der altså 50 - 100 kg fuel eller ox tilbage ved burnout - og det bliver efter newtons love til dødvægt - som reducerer flyvehøjden. Motoren er ret robust - så den kan godt tåle at køre et stykke fra den optimale blanding af ox og fuel - men det vi ikke bruger bliver altså til nytteløs nyttelast.

Når dette boblende, kogende, tryksatte helvede af en raket skal af rampen ude på ES D 139 - så prøver jeg på noget som er det aller vanskeligste jeg nogen side har forsøgt mig med i dette liv. Det gælder både for mig personlig og for CS som organisation. Den dag skal alt det vi har lært gennem vores tid sammen virke og stå sin prøve. Vores komandostruktur skal virke - vores organisation af Marine, Rumskib, Booster og seks otte andre organer skal virke og give GO.

Derfor vil jeg også gerne at vi alle sætter forventnings baren lavt - hvis vi kommer af Sputnik og ikke tumler rundt, og har en motor der kører bare nogenlunde - så er jeg meget glad. Om vi afleverer payloaden i 20 km, 40 km eller 130 km betyder da noget - men vi er kommet langt hvis vi kan få sådan en raket tanket op, og i luften under aktiv styring. Ingen andre amatører på denne klode har forsøgt sig med noget lignende i den skala. HEAT 2X har pontiale til at nå rummet - men tro mig - vi skal være næsten utroligt gode for at lykkes så langt i første skud.

Når turen kommer til HEAT 1600 får vi en del nye håndtag at lege med. Det er en af de ting der gør turbine raketten så spændende for en tekniknørd. På 2X er fødetrykket fra tankene låst til den eksponentielle trykfaldskurve som idealgasloven nu engang giver os. Flowet styres af mekaniske geometrier som ovenikøbet kan ændre sig i varmen. At få det til at spille burde kræve en lang serie af statiske test hvor man skød sig ind på den rette geometri. Det ligger langt ud over hvad man kan simulere sig til. Ikke mindst fordi det er de mekaniske tolerancer i dette smedearbejde som styrer festen. Vi kan ikke lave 10 - 20 tests med 1200 kg drivmiddel - så vi skal få det bedste ud af den ene vi tager i December.

I turbine raketten har vi nogle helt andre muligheder. Vi kan nemlig styre omdrejningerne på de to pumper, og dermed det tryk og flow som opstår til motoren.

Vi måler trykfladet over injektoren - og dermed kan vi faktisk måle masseflowet direkte for både ox og fuel mens motoren kører. De målinger fører vi til en nørd boks, og den vil så regulere pumpeomdrejningerne til det ønskede masseflow opnås. Hvis nu f.eks. trykfaldet i kølekappen stiger lidt pga varmeudvidelse af inderkappen - så vil fuel pumpen blot gå fra f.eks. 4550 rpm til 4650 omdrejninger pr. minut, og kompensere for det. Vi har allerede testet at vi kan styre en turbine pumpes tryk og flow ved at regulere på tilførslen af T-stoff ( hydrogenperoxid 80 % ) til vores dampgenerator - så det kan altså gøres. Wow hvor skal det blive spændende. En raket der selv indregulerer sig mens de er i drift...wow !

Jo, jo - CS er blevet lidt mere rocket science siden vi startede nede på Illutron. Men vi kunne heller ikke forudse at vi ville få adgang til ingeniører som kan bygge aktiv styring og skrive deres egne specialdesignede computerprogrammer til at styre og overvåge alting. Når mulighederne nu byder sig kan man næste ikke modstå dem.

Sapphires smukt styrede flyvning er det direkte resultat af knæfaldet for elektronik og software nørderne - som jo kan få en dinosaur til at danse can can bare de må sætte sensorer og elektroder nok på den.

Vi ved vi får brug for flere af slagsen. Jeg ville helst løse det gennem en kloningsteknik - hvor et hud skrap af Steen Andersen anbringes i en petriskål med en speciel sukkerart - og der dannes en Steen til. Men sukkerarten giver stadig problemer. For at optage nye medarbejdere er en proces der tager lang tid og er krævende for begge parter. Men - indtil klonings teknikken bliver moden må vi altså bruge den gammeldags metode og opstøve de mennesker som både har tid og talent for elektronik og software og alt det andet. Den tid hvor det kun var et spørgsmål om at kunne certifikat svejse - er ved at være ovre.

Husk åbent hus i HAB den 23 august kl. 17.

Peter Madsen

Peter Madsens billede
Peter Madsen
er kunstingeniør og fortæller i denne blog om sine projekter inden for raketvidenskab, astronautik, luftskibe, undervandsbåde og talrige andre emner, han beskæftiger sig med.

Kommentarer (29)

Det er netop IKKE en ide, at Steen Andersen skal være en kopi af sig selv. sukkerart eller ikke. For det første bliver han født med en ble på og for det andet bliver han med tiden en afart af den første Steen Andersen. Det er meget bedre at få så mange FORSKELLIGE ingeniører som man kan opstøve. Og så er vi henne ved det andet:

Hvordan skal man lave noget, når man er jyde og overhovedet ikke har tænkt sig at flytte til Københavnstrup?

Jens

  • 1
  • 1

Man kan forstå at de arbejder professionelt med rustfrit stål, så det er da klart at rustfrit stål frister. Det er nok også derfor de vælger Argon (svejsegas) til tryksætning.

  • 2
  • 0

Det er bare lidt spøjst for under deres pumpe sektion skriver de at fordelen ved pumpen er at man ikke skal bruge helium, samtidig med at de lige inden skriver de vil bruge argon. Men noget af det virker godt nok rimelig copy pasta må jeg indrømme.

  • 2
  • 0