ardea 1 rocket development1_26042013.pdf

Vývoj rakety Ardea 1

Csaba Boros

SOSA – Slovenská organizácia pre

vesmírne aktivity

wallpaperdev.com

PROJECT

ARDEA

Amateur Rocket

Development Adventure

aneb

„Dobrodružství při vývoji amatérských

raket “

Csaba Boros KNP2013 Pardubice 2

Obsah

• Úvod

• Vize, koncept

• Základní konfigurace rakety

• Pohon

• Pozemní zkoušky

• Závěr

Csaba Boros KNP2013 Pardubice 3

Úvod

• Cílem projektu Ardea je postavit a vypustit raketový prostředek pro vynesení 2kg užitečného zatížení do výšky 120 km

• Projekt je náročný jak na lidské zdroje, tak na splnění technických požadavků a finanční prostředky

• Další krok k úspěšné realizaci daného projektu – podpora SOSA (Slovak Organization for Space Activities) – projekt Ardea je druhý nejdůležitější projekt po první slovenské družici – SkCube

• Raketa Ardea 1 bude prvním krokem pro uskutečnění daného cíle

Csaba Boros KNP2013 Pardubice 4

Vize, koncept

• Použití již odzkoušených dílů a sestav z předešlého výzkumu, resp. vývoje ( VÚPCH Pardubice, RM - Demonstrátor)

• Ardea 1 bude technologický demonstrátor, tzn., dostup rakety bude méně důležitý a spíše bude právě požadován s ohledem možností vypouštění z našeho území ( což bude levnější, než střelby v zahraničí). Nižší dostup rakety bude vyžadovat méně speciálních prostředků pro sledování letu.

• Pozdější verze rakety Ardea 1 umožní použití jednoduššího systému řízení letu.

Csaba Boros KNP2013 Pardubice 5

ARDEA 1-2 (2012)

Csaba Boros KNP2013 Pardubice 6

ARDEA 1 ARDEA 1A,B

ARDEA 2

ARDEA 2A

ARDEA 2B

ARDEA 2C

Základní konfigurace rakety

• Stavba rakety samotné s uvážením dostupných technologií s využitím výsledků pozemních zkoušek

• Dálkové plnění rakety s N2O, vývoj systémů pro vypuštění rakety a stavba vypouštěcího zařízení

• Odzkoušení hybridního raketového motoru v letové konfiguraci, s uvážením setrvačných sil (v dynamickém režimu)

• Zabezpečení dostatečného objemu pro užitečné zatížení o maximální hmotnosti cca 2kg a pokus o standartizaci přístrojového vybavení, respektive vývoj elektronického zařízení pro zběr, resp. vysílání telemetrických údajů z přístrojů s uvážením specifických podmínek při raketovém letu ( přetížení, vibrace, event. zvýšená teplota)

• Ověření koncepce daného návratového zařízení • Sledování a vyhodnocení trajektorie letu s porovnáním naměřených

dat a předběžných výpočtů

Csaba Boros KNP2013 Pardubice 7

Požadavky – fáze I.

Vývoj konstrukce rakety A - 1

Csaba Boros KNP2013 Pardubice 8

Problematické uchycení motorové části rakety s nadrží pro okysličovadlo i stabilizátorů ( pevnostní hledisko )

Nevyhovující minimální objem nádrže s okysličovadlem (delší nádrž při daném průměru by velmi zvýšila štíhlost rakety)

Vyšší aerodynamický odpor na přechodu nádrže k motorové části

Nižší objem padákového prostoru a užitečného zatížení

Spalovací komory, nádrž okysličovadla a stabilizátory tvoří prakticky jeden kompaktní celek

Nádrž okysličovadla má 2x větší objem ( cca 24 litrů )

Nosná část rakety i hlavice mají vlastní padákový systém s vyšším objemem

Hlavice rakety bude standartizována, podobná bude použita i pro let do 120 km výšky

Základní charakteristiky rakety A – 1(a)

Csaba Boros KNP2013 Pardubice 9

Základní technické parametry rakety: A – 1 A – 1a (fáze II.) • max. vzletová hmotnost 50 kg 65 kg

• max. délka 4,3 m 4,3 m • max. průměr 0,16 m 0,16 m • střední tah motorů 4x1 kN 4x0,2 kN • doba funkce 5 s 30 s • hmotnost pohonných hmot 10 kg 20 kg • hybridní kombinace vosk/N2O PE/N2O (neřízená) (řízená)

ARDEA X (2016 - ?) s aktivními prvky řízení letu (Polaris)

Csaba Boros KNP2013 Pardubice 10

Nádrž s N2O

Centrální rozvod

okysličovadla

4 spalovací komory

Osa Z

Otočná výstupní část

trysky (kolem osi

rovnoběžné s osou Z)

Elektromechanické

ovládání výchylky

trysek pomocí

servomotoroů

( rotující závitové

tyče a pákový

systém)

Plnící hrdlo

pro N2O a He

Spalovací

komora

Otočná tryska

Kluzné kombinované

ložisko

Ardea 1a (stabilizátory nejsou

znázorněny)

Pohon – hybridní raketový motor

Zákon hoření TP

Csaba Boros KNP2013 Pardubice 11

u = aG0ν

Exponent hmotové rychlosti

okysličovadla pro daný průřez kanálu

tuhého paliva (ν ~ 0 1)

Hmotová rychlost okysličovadla

pro daný průřez kanálu tuhého paliva

(G0 ~ 10 1000 kgm-2s-1)

Konstanta pro dané

tuhé palivo

Rychlost hoření TP

Návrh tuhého paliva

Csaba Boros KNP2013 Pardubice 12

• prostorové omezení – daná pohonná jednotka sestává ze

4 spalovacích komor ( z leteckých neřízených raket s RM

na TPH typ S-5) – max. průměr TP je 50mm, max. délkou zrna 465 mm

• Další kritérium je použít co nejvíc daného tuhého paliva ohledem na

relativně vysokou hmotnost dané rakety

(poměr hmotnosti paliva a konstrukce)

• Pracovní charakteristiky daného motoru musí zabezpečit relativně

stabilní hoření, bez větších tlakových pulzací

• Zabezpečit co nejvyšší počáteční tah na úkor doby funkce motoru

Hlavní požadavky

Určení počátečního průměru kanálu dk pro TP(1)

10

15

20

25

30

4 5 6 7

Po

čáte

ční p

rům

ěr

kan

álu

dk

TP [

mm

]

Směšovací poměr O/P [ - ]

Závislost počátečního průměru kanálu dk tuhého paliva na směšovacím poměru O/P pro různé exponenty ν

v=0,45

v=0,4857

v=0,5

v=0,55

Csaba Boros KNP2013 Pardubice 13

Určení potřebné délky L pro dané TP

100

150

200

250

300

350

400

4 5 6 7

Dé

lka

náp

lně

TP

[m

m]

Směšovací poměr O/P [ - ]

Závislost potřebné délky tuhého paliva na směšovacím poměru O/P pro různé exponenty ν

v=0,45

v=0,4857

v=0,5

v=0,55

Csaba Boros KNP2013 Pardubice 14

Určení zahrazení Z

20

40

60

80

100

120

140

4 5 6 7

Zah

raze

ni [

- ]

Směšovací poměr O/P [ - ]

v=0,45

v=0,4857

v=0,5

v=0,55

Závislost počátečního zahrazení kanálu tuhého paliva na směšovacím poměru O/P pro různé

exponenty ν

Csaba Boros KNP2013 Pardubice 15

Určení hodnoty škrcení C

0,5

1

1,5

2

2,5

4 5 6 7

Skrc

en

i C

[ -

]

Směšovací poměr O/P [ - ]

v=0,45

v=0,4857

v=0,5

v=0,55

Závislost počátečního škrcení na směšovacím poměru O/P pro různé exponenty ν

Csaba Boros KNP2013 Pardubice 16

C = dk / dkrit.

Charakteristická délka spalovací komory L*

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

4 5 6 7

Ldo

t [

m ]

Směšovací poměr O/P [ - ]

v=0,45

v=0,4857

v=0,5

v=0,55

Závislost stabilitního kritéria L* na směšovacím poměru O/P pro různé exponenty ν

Csaba Boros KNP2013 Pardubice 17

L* = (dk2 / dkrit.

2 ) L

Určení hmotové rychlosti N2O pro daný průřez kanálu

500

700

900

1100

1300

1500

1700

1900

2100

4 5 6 7

Hm

oto

vá r

ych

lost

N2

O [

kg/m

2s]

Směšovací poměr O/P [ - ]

Závislost hmotové rychlosti N2O na daný průřez kanálu tuhého paliva na směšovacím poměru O/P pro různé

exponenty ν

v=0,45

v=0,4857

v=0,5

v=0,55

Csaba Boros KNP2013 Pardubice 18

G0= mok. / Ak

mok. – průtok

okysličovadla

Destrukce hybridního motoru rakety Peregrine kvůli nestabilitám při hoření(2)

Csaba Boros KNP2013 Pardubice 19

Hmotová rychlost okysličovadla pro

okamžitý průřez kanálu voskového paliva

HRM Peregrine (zkoušky)(2)

Csaba Boros KNP2013 Pardubice 20

Důležitost určení přesné hodnoty exponentu ν

700

800

900

1000

1100

0 1 2 3 4 5

Tah

mo

toru

[N

]

Doba činnosti t [s]

Průběh tahu v závislosti na čase t pro různé ν pro O/Popt. = 4 = konst.

Csaba Boros KNP2013 Pardubice 21

700

800

900

1000

1100

0 1 2 3 4 5

Doba činnosti t [s]

Průběh tahu v závislosti na čase t pro různé ν pro O/Popt. = 7 = konst.

ν=0,45

ν=0,4857

ν=0,55

ν=0,45

ν=0,4857

ν=0,5

ν=0,55

ν=0,5

Příklad optimalizace počátečního tvaru tuhého paliva

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

Ho

dn

oty

r, R

[cm

]

Délka tuhého paliva L [cm]

Geometrie tuhého paliva ν = 0,45 pro O/P = 7 = konst.

R

Csaba Boros KNP2013 Pardubice 22

Voskové palivo HPH - 12

r

Směr vstřikování okysličovadla

Sumarizace poznatků

• Daný geometrický prostor není až tak ideální pro použití vosku, jakožto

tuhého paliva ( spíš daným rychlehořícím palivám vyhovuje kratší náplň s

větším průměrem), ale použije se kvůli nutnosti odzkoušení dané

koncepce pro větší HRM o průměru cca 160 mm.

• Počáteční směšovací poměr O/P nebude větší, jak 5

• Motor bude mít 2 stupně tahu – vosk (4s) a Epoxi/Al vrstva (1s)

• HRM bude pracovat s vysokými počátečními hodnotami

G0(~1000 1200 kgm-2s-1), proto se použije helium jakožto výtlačný plyn

( tlak v SK ~ 5MPa a v nádrži s N2O cca 7MPa) pro zamezení zpětného

průšlehu a použije se přední vložka z PE pro stabilizaci čela hoření.

• S ohledem na dané podmínky při letu bude nutné zpevnění voskového

TP

Csaba Boros KNP2013 Pardubice 23

Zkušenosti z předešlých střeleb(3)

Csaba Boros KNP2013 Pardubice 24

Apollo – tepelný štít velitelského modulu(4)

Csaba Boros KNP2013 Pardubice 25

• více než 300 000

buněk muselo být plněno ručně

• Náročné časově, i na

kvalifikovanou pracovní sílu

Principiální schéma struktury tepelného štítu ( Apollo )(5)

Csaba Boros KNP2013 Pardubice 26

Struktura výztuží tepelného štítu kosmické

lodi Orion(5)

Csaba Boros KNP2013 Pardubice 27

Zkušební sestavy jednotlivých podsestav

tepelného štítu lodě Orion(5)

Csaba Boros KNP2013 Pardubice 28

Strukturální zpevnění voskového zrna

• Plnění jednotlivých buněk pomocí již existujícího rotačního zařízení

• Tvar jednotlivých buněk umožňuje mechanické blokování voskového zrna v dané struktuře

• Velikost jednotlivých buněk je volena tak, aby při eventuelním uvolnění voskového segmentu nedošlo k ucpání výtokové trysky (hlavně ke konci činnosti pohonné jednotky)

• Příčné výztuhy budou napomáhat lepšímu promíchání složek

Csaba Boros KNP2013 Pardubice 29

Skladba náplně tuhého paliva

Csaba Boros KNP2013 Pardubice 30

Schéma spalovací komory HRM

Csaba Boros KNP2013 Pardubice 31

Není znázorněna ocelova

spalovací komora s izolací (z

fenolformaldehydové pryskyřice a

celulózy )

Celkový pohled na sestavu 4 komor pro A - 1

Csaba Boros KNP2013 Pardubice 32

Zážeh motorů

Csaba Boros KNP2013 Pardubice 33

Sestava horních stupňů nosné rakety Jupiter - C

Csaba Boros KNP2013 Pardubice 34

• Problém zažehnutí 11-ti spalovacích komor II. stupně rakety najednou

• původně uvažovali použití plynových trubic zavedených do jednotlivých

spalovacích komor RM na TPH, ale kvůli hmotnostím požadavkům raději použili

11x2 = 22 pyrotechnických zažehovačů ( 2x zálohováno )

Hybridní raketový motor (PMMA/O2) – Demonstrátor a zažehovač

Csaba Boros KNP2013 Pardubice 35

„ Noc výzkumníků “ – Bratislava, Stará Tržnica 2012

Instalace zážehového HRM na posouvatelný vozík pro pozemní testy

Csaba Boros KNP2013 Pardubice 36

Sestava nádrže okysličovadla bez vnější vrstvy z uhlíkového kompozitu

Csaba Boros KNP2013 Pardubice 37

Víka N2O letové nádrže

Csaba Boros KNP2013 Pardubice 38

Spodní víko

Horní víko

Dvě možné konfigurace hlavního plnícího ventilu N2O a He

Csaba Boros KNP2013 Pardubice 39

a) b)

Ad a)

plnění N2O od spodní

části, plnění plynným

He od horního víka

nádrže pro N2O

Ad b)

plnění N2O a plynným

He od spodní části

letového tanku

Přístrojová hlavice s vlastním

návratovým zařízením

Csaba Boros KNP2013 Pardubice 40

Návratové zařízení hlavice

sondážní rakety Orion (USA)

Tahový rám pro pozemní zkoušky RM

Csaba Boros KNP2013 Pardubice 41

Předběžné pneumo-hydraulické schéma pro dálkové plnění, spuštění HRM a start rakety

Csaba Boros KNP2013 Pardubice 42

Stavba hlavního

Ventilu M1 pro

aktivaci přívodu

N2O a N2

Literatura

1. L.G. Golovkov,: „Gibridnyje Raketnye Dvigateli“ – Voennoe Izdatelstvo

Ministerstva Oborony CCCP, Moskva 1976

2. G.Ziliac, B.S.Waxman, J.Dyer, M.A.Karabeyoglu and B.Cantwell,:

“Peregrine Hybrid Rocket Motor Ground Test Results“ – AIAA 2012-4017

3. C.Boros, P.Konecny,: “Development of Wax Fuel Grain for Hybrid Rocket

Motor“ - Advances in Military Technology Vol. 4, No. 2, December 2009

http://aimt.unob.cz/articles/09_02/09_02%20(1).pdf

4. Joshua R. Finkbeiner, Patrick H. Dunlap, Jr., and Bruce M. Steinetz,

Christopher C. Daniels, : „ Apollo Seals: A Basis for the Crew

Exploration Vehicle Seals“ - NASA/TM—2006-214372

5. Peter Zell, Ethiraj Venkatapathy, James Arnold,: „ THE BLOCK-

ABLATOR-IN-A-HONEYCOMB HEAT SHIELD ARCHITECTURE

OVERVIEW“ -

http://www.planetaryprobe.eu/IPPW7/proceedings/IPPW7%20Proceeding

s/Papers/SessionP2/p468.pdf

Csaba Boros KNP2013 Pardubice 43

Konec

Děkuji za pozornost !

Csaba Boros KNP2013 Pardubice 44