BPM100 status
Kære læsere,
Det er på høje tid med en update på BPM100 motoren. Lad os starte med at kigge lidt på dimensionerne og motorens specifikationer.
Først, så ligger det jo i navnet at det bliver en 100 kN motor. Men 100 kN er ikke bare 100 kN, når det kommer til raketmotorer. En raketmotors kraft er jo afhængig af det omgivende tryk. Jo højere vi kommer op i atmosfæren og jo mindre det omgivende tryk bliver, ja så bliver motorens kraft større. Hvor stort det bidrag er afhænger helt af hvordan motorens dyse er dimensioneret og kan let beregnes. Nedenfor har vi en illustration af en raketmotor og nogle af de overordnede parametre vi arbejder med samt formlen for den resulterende kraft fra motoren.
Trykforhold i en raketmotor. Fra G.P. Sutton ”Rocket Propulsion Elements 7th ed.”, John Wiley & Sons Inc.
Som det ses har vi et bidrag fra produktet af masseflow og udstødningsgassens middelhastighed. Dernæst har vi et bidrag fra produktet af exit-arealet og forskellen mellem det omgivende tryk og trykket i exit-planet. Det er klart at kraften er størst når p3 er 0, altså i vakuum.
Det er dog også klart at hvis p2 er mindre end p3, så har vi et negativt bidrag! Altså hvis dysens åbning er for stor, så giver det et negativt bidrag i lav højde, indtil vi kommer op i den højde som dysen ekspandere til. Så der ligger en lille optimeringsopgave i at få afstemt dysens ekspansion til at sikre at vi over hele flyvningen samlet set får størst udbytte af brændstoffet. Dertil har jeg lavet en række simulationer, alle kørt med en motor der konstant fødes med 45 kg brændstof. Dysens ekspansion er dog forskellig simulationerne imellem. Den mindste dyse er optimeret til sea level, altså med et exittryk (p2) på 1,013 bar, den næste er optimeret til 900 mbar, dernæst 800 mbar og så videre. Plotter man simulationernes apogee som funktion af dysens optimale ekspansion får man nedenstående.
Apogee som funktion af dysens ekspansionstryk.
I venstre side af grafen er dysen optimeret til vakuum, i højre side er den optimeret til sea level. Som det ses, så giver meget store dyser optimeret til 300 mbar eller mindre et signifikant negativt bidrag og samlet set når raketten bare ikke særlig højt. Omkring 600-700 mbar ligger optimum for vores 100 kN motor. Går vi tættere på en dyse optimeret til sea level ekspansion så høster vi ikke nok af gassernes ekspansion i dysen. Ad fabrikationshensyn vil vi nok vælge at have optimal ekspansion til 700 mbar. Det svare i øvrigt til lufttrykket i ca. 3000 meters højde. For sjov skyld har jeg skitseeret de forskellige dyser op nedenfor, så man kan se dem i forhold til hinanden.
BPM100 dyser optimeret til tryk fra 1 atmosfære og til 100 mbar.
Regner vi med at kunne opnå 90% af den teoretiske performance for LOX og 75% ethanol og optimerer vi dysen for ekspansion ved 700 mbar, så vil motorens kraft som funktion af højde se ud som nedenfor. Vi starter altså ved sea level med lige omkring 90 kN. Ved optimal ekspansion i en højde af ca. 3000 meter når vi omkring 96 kN og kort før MECO i ca. 32 km højde når vi omkring 108 kN. Så motoren burde nok nærmere hedde BPM108.
Motorkraft som funktion af højde.
BPM100 bliver designet som en omstrømningskølet motor ligesom BPM5. Der er dog nogle signifikante forskelle. Vi vil prøve at lave motoren i rustfast stål denne gang. Det har godt nok en dårligere varmetransport, men der er andre folk derude der bygger motorer i rustfast, så det må vi også kunne. Det sparer den noget langsommelige process med at nikkelplatere brændkammeret. Noget som vi vil få svært ved i denne størrelse.
Men hvor stor bliver motoren så? Jeg har lavet en grov skitse af den inderste del herunder. Den totale længde er 900 mm, kværker er 250 mm i diameter. Den cylindriske del har en diameter på 420 mm. Til sammenligning er BPM5 100 mm i diameter på den cylindriske del!
Den indre kammergeometri.
Som det se på tegningen har vi forsøgt at gøre fremstillingen lidt nemmere for os selv ved kun at have én svær sektion. Den øverste del er en simpel cylinder, dernæst følger en konus, som går over i en dobbeltkrum kværk som så igen går over i en konus. Den svære del er naturligvis den dobbeltkrumme kværk. Resten kan forhåbentlig laves i valsede plader. Men kværken, den er lidt mere tricky. Her er vi, i hvert fald på forsøgsbasis, gået en lidt ny vej; metal 3D print!
Den svære del af dysen (kværken) har en højde på kun 85 mm. Den kan med sikkerhed 3D printes, spørgsmålet er primært om vi kan finde en printservice der kan gøre det til en pris som CS kan betale. For at finde ud af dette har jeg for nogle dage siden sendt 1/16 af en kværk til print hos et fransk firma. Som det ses nedenfor har jeg tegnet en rudimentær kølekanal mellem to dobbeltkrumme flader.
Skitse af emnet som er sendt til 3D print.
Firmaet printer i en rustfast legering og det bliver super spændende at få emnet hjem. Så snart det lander i DK, så skal vi først evaluere om det er noget vi kan svejse til, vi skal have målt styrken af materialet og muligvis lave en måling af varmeledningen i materialet. Jeg glæder mig super mig og vi vender tilbage med billeder af en update når efter planen ankommer om et par dage.
