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
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: https://www.igg.me/at/copsub
