Denne blog blev offentliggjort d. 9/12 2014 på Copenhagen Suborbitals blog “Rumfart på den anden måde” på ing.dk

Den opsummerer vores arbejde og er god, hvis man vil have lidt overblik over DSCs arbejde med flydende brændstoffer.

mvh
Jeppe Locht

Til at begynde med vil jeg sige tak for muligheden for at fortælle om
Danish Space Challenge (DSC) og vores arbejde. Foreningen holder til i
Østjylland men har medlemmer i hele landet, og vi har arbejdet med
flydende brændstoffer i biprop-motorer siden 1999. Vores mål er at sende
en raket ud i rummet, dog uden passager smiley

Vi affyrer p.t. raketter i to
danske militære skydeterræner: Borris og Nymindegab.
DSC bygger lige nu på en motor (HT1), som i størrelse ligner CSs
BPM5, men som også på væsentlige områder adskiller sig fra den, ikke
mindst på de valgte brændstoffer. Der kommer mere teknisk information om
HT1 nedenfor, men først en introduktion til DSC og vores valg af
teknologi.

DSC bruger 100 % salpetersyre (WFNA eller White Fuming Nitric Acid)
som oxidationsmiddel og furfurylalkohol som fuel. De er ikke billige, og
kombinationen er ringere end de højenergiske brændstoffer som LOX og
petroleum. Vores højst opnåelige Isp (specifik impuls) er på 220s ved 20
bar kammertryk, men der er andre gode egenskaber ved at bruge
brændstofferne.

Operationelt er det meget værdifuldt for os, at brændstofferne begge
kan opbevares ved stuetemperatur og -tryk. CS er under tidspres ved
affyringer og tests på grund af afkogningen af flydende ilt, og det er
vi ikke. Og da brændstofferne ikke er kryogene, er der mindre belastning
af udstyret (selv om syren nu ikke ligefrem er venlig ved de beholdere,
den står i).

Rent ydelsesmæssigt er der flere andre fordele ved
WFNA/Furfurylalkohol: De er hypergole, hvilket vil sige at de bryder
spontant i brand ved kontakt, og det giver en sikrere start og mere
stabil forbrænding. Desuden har de begge en høj densitet: WFNA 1,52
g/cm3, furfurylalkohol 1,1 g/cm3, og det reducerer tankstørrelsen
betydeligt i forhold til LOX/ethanol, hvis densiteter er hhv. 1,14 g/cm3
og 0,789 g/cm3 (uden tilsat vand). Endelig er de relativt ugiftige,
ikke karcinogener, og reaktionsprodukterne er de fredelige H2O, CO2 og
N2.


Demonstration af hypergolicitet, når de to brændstoffer hældes
sammen. Telelinsen skaber en perspektivisk forkortelse, så manden ser ud
til at være tættere på ilden, end han i virkeligheden er. (Foto: DSC)

Da DSC begyndte arbejdet med WFNA i 1999 var det valgte fuel
vegetabilsk terpentin, men kombinationen gav ustabil forbrænding, så
terpentinen blev erstattet af furfurylalkohol. Siden har vi lavet et
væld af tests for at udvikle injektor og fødesystemet og karakterisere
vores setup. Undervejs skulle vi lige udvikle en prøvestand og
måleudstyret også, og da det hele begyndte før information var let
tilgængelig på nettet, har vi lånt meget på Danmarks Tekniske Bibliotek smiley


Der tankes før test af Kilo II. Tekniske problemer udsatte testen til efter mørkets frembrud. (Foto: Jørgen Brandt-Larsen)

Den hidtil største test var prøveaffyringen af Kilo II ved
Silkeborg i oktober 2000. Kilo II ydede 14kN i 7 sekunder til
fødesystemet løb tør. Testen blev gentaget en halv time efter med
lignende resultat. Den skulle have vundet CATS-konkurrencen ved at bære
vores rumraket til 200 kilometers højde, men vi nåede kun at udvikle
motoren før deadline oprandt.


I en sky af uforbrændt WFNA kørte Kilo II to gange med en
over-forventet ydelse på 14kN. Håndholdt optagelse fra de gamle dage,
før kameraer blev billige og gode nok til at stå fjernbetjent tæt på
potentielt farlige aktiviteter. (Foto: Jørgen Brandt-Larsen)

Da tidspresset fra CATS-konkurrencen forsvandt, satte vi gang i
en udviklingsproces centreret om en nedskaleret udgave af Kilo II. Den
nye motor, Hekto, ydede 1kN og blev brugt til at teste en lang række
teknologier og hypoteser. Til sidst lykkedes det oven i købet at få
Hekto i luften.

SIRV1 (Systems Integration Research Vehicle 1) fløj til
anslået 60 meters højde og er så vidt vides den første hjemmegjorte
biprop-motor, der har fløjet i Danmark. Den lave tophøjde skyldtes til
dels en menneskelig fejl: De udskydelige arme til fjerntankning var ikke
blevet trukket tilbage før tænding.


SIRV1 er vendt rundt på dette billede og er på vej mod en hård
landing 11/3 2007. Allerede inden affyringen var raketten erklæret
pensionsmoden pga. problemer med at presse ventiler og rørføringer ind i
en diameter på 100mm. DSCs næste raket med bipropmotor får en diameter
på 160mm. (Foto: Nicolaj Haarup)

Hekto brugte ligesom Kilo II DCS’s hjemmedesignede
injektorelement, som består af tre ox-stråler på én fuel-stråle. Dette
såkaldte quadlet-element er hjørnestenen i vores injektor, men det er
ikke anvendt professionelt, så det var en særlig fornøjelse at lave alt
udviklingsarbejdet fra bunden baseret på formler uden at have et forlæg.


Kilo II’s injektor efter to affyringer. Injektorelementerne er
tydelige at se, fordi de i denne model er drejet som separate kegler og
trukket ind i fladen. I DSCs nyere designs bores hullerne direkte i
overfladen og elementerne sidder meget tættere. Bemærk også hullerne til
filmkøling yderst. (Foto: Jeppe Locht)

Forstyrrelser

Siden Hekto er tiden og pengene gået til at opgradere
launch-infrastrukturen med tre lastbiler, tre hurtigbåde og mængder af
hjælpeudstyr. Desuden har vi holdt masser af foredrag for skolebørn og
undervist mange af dem i raketbygning. Det er stimulerende og sjovt,
men selv om den næste motor har ligget færdigtegnet siden 2008, har vi
ikke haft ressourcer til at producere den, så mekaniktegningen endte på
en backupdisk.

Heldigvis har vi fløjet raketter løbende og er i dag den danske
forening, som har lavet flest opsendelser. Delene til skoleraketten
SSRV3 er massefremstillet, og vi har flere flyvninger af dem hvert år.
Desuden har vi udviklet større raketter. P.t. er SSRV2 den største med
en diameter på 160 mm og en længde på 3,5 meter. SSRV2.2 er første
skridt på vejen mod at flertrinsraketter, og kan på sigt blive booster
for et øvre trin med en biprop motor.


20 hold skolebørn har bygget en SSRV3 som denne og affyret den
sammen med DSC til knap 1.000 meters højde. Det er noget, som kan få
begejstringen frem hos børnene, men det dræner medlemmernes tid. (Foto:
DSC)
HT1 – DSCs nye biprop motor

Næste motor er HT1 (Half Ton 1) på 5kN. Som vi alle ved, er CS en
stor inspirationskilde for mange, og det er de også for os. For
eksempel inspirerede arbejdet med BPM5 os til at komme i gang med det
flydende brændstof igen. Det lå lige for, siden BPM5 ligner HT1 så
meget, og injektortegningen er nu støvet af og ved at blive omsat til
metal. Og hermed er den tålmodige bloglæser nået frem til det tekniske.


Selv om ox-procenten er meget høj, så er det faktisk en fuelrig
blanding. Den balancerede reaktion ser sådan ud (hvis man ser bort fra
forskellige små biprodukter):
5C5H6O2+22HNO3=>25CO2+26H2O+11N2
og det giver et støkiometrisk blandingsforhold på 73,9 % ox. Det
hæderkronede ProPEP program kan imidlertid fortælle os, at 69,2 % giver
en højere Isp (se grafen i billedet ovenfor). Generelt er det sådan, at
jo lavere vægt, udstødningsprodukterne har, jo højere Isp. Det skyldes,
at Isp er lineært afhængig af udblæsningshastigheden. Som her, sakset
fra nettet, Vj er udblæsningshastigheden:

Og Vj er afhængig af en række variabler, pc er kammertrykket,
adiabateksponenten γ og det omgivende tryk pe men her er vi
interesserede i μ som er molmassen af udstødningsprodukterne.

Det ses, at alt andet lige er Vj omvendt proportional med
kvadratroden af molmassen af udstødningsprodukterne. Det er derfor, det
er godt at have meget H2 i udstødningen.
Injektor

Injektoren er hjertet i enhver raketmotor. Vores består af
aluminium og skal først drejes ud, og dernæst skal hullerne bores i
CNC-fræseren. Erfaringen viser, at selv højeste hastighed på
Brigdeportfræseren ikke er nok til at undgå at knække bor. I stedet
monterer vi en printboremaskine i fræseren og med >10.000
omdrejninger er der ingen bor, der knækker.


Injektoren til HT1 indeholder 90 quadlet elementer og 70 fuelhuller
langs yderkanten til at etablere filmkølingen. Hullet i midten er ikke i
brug men var tiltænkt et tændelement for at hjælpe den hypergole
tænding på vej.



I et snit igennem fladen kan man se træer med op til seks grene, som
føder hver et ox-hul og de enkeltstående fuelrør til center af
elementet.

Flowet bestemmes af vandtests i første omgang, men det er kendt,
at det faktiske flow ikke kan bestemmes på andre måder end
eksperimentelt ved hot-fire test. Hvis flowet ikke er passende, vil det
ændre blandingsforholdet, skabe for tidligt tørløb og måske endda give
hot streaks på kammervægge med risiko for gennembrænding. Før vi har det
rigtige flow, evt. justeret med indsnævringer i kanalerne, kan vi ikke
lave et budget for opstart og nedlukning, og først når det er på plads,
kan vi teste motorens ydelse og evt. justere.

Motorkammer og dyse

Første udgave af motoren bliver med et ikke kølet brændkammer,
bortset fra filmkølingen. Det skyldes, at den første flyvning bliver
over land i Borris Skydeterræn, og her er tophøjden 5.000 meter. Selv
med en kammertemperatur på omkring 3.000K vil den formentlig ikke nå at
blive for for varm, da brændtiden ikke vil overskride 3 sekunder, og det
plejer filmkølingen at kunne håndtere. Dette tester vi selvfølgelig
først.

Det er muligt at tilsætte 1 % silikoneolie til brændstoffet for at
øge sodningen på væggene og dermed opbygge et isolerende lag. Det er
også muligt at overfladebehandle kammervæggen med keramik, men
forhåbentlig viser testene, at det er unødvendigt i første omgang (og
måske også senere).

Alle raketdyser designes til at sænke trykket i udstødningsgassen
(Pe) fra kammertryk (Pc) til omgivelsernes tryk (Pa). Men HT1-dysen
designes med ekspansion til 1 bar i udstødningen på trods af, at den
senere skal flyve til stor højde, hvor Pe er lavere, og hvor dysen vil
udvise betydelige tab. Det skyldes, at den forberedes til en
dyseforlænger (nozzle extension), som ikke bliver kølet. Men det gør
resten, for allerede nu er et kølet kammer på tegnebordet, og det bliver
kølet i den længde, som dysen er opgivet til i skemaet.

Kammeret bliver efter alt at dømme lavet af et aluminiumsrør med
langsgående boringer af kølekanaler, da dette er en billig måde at
fremstille et kammer, som også er mekanisk stabilt – CS har som bekendt
haft problemer med kollaps af kammeret pga. trykket i kølesystemet, og
dette kan forhåbentlig undgås med borede kanaler. Princippet er kendt
men ikke meget brugt, fordi det giver lidt tungere motorer end dem, som
opbygges af sammensatte enkeltrør. Til gengæld er det billigere, enklere
og mere robust og passer derfor fint til et amatørprojekt.

Boring af kølekanaler er i øvrigt særligt spændende omkring kværken
inklusive den konvergente og divergente del af dysen (indsnævringen og
den efterfølgende udvidelse). Jeg vil lade det være op til læseren at
regne ud, hvordan man borer huller på langs i en dobbeltkrum væg. Byd
evt. ind i kommentarfeltet.

Testopsætning

Fødesystemet bliver sandsynligvis i første omgang det samme, som
vi har brugt siden Kilo II. Vi har trykprøvede tanke og velfungerende
aktuatorer, men det hele er beregnet til vandret test, og HT1 bliver
testet lodret, så enten skal vi bygge en del om, eller også skal vi lave
et nyt setup, hvor vi flytter tankene et andet sted hen så de ikke
påvirker testbænken og målingen af thrust.


DSCs nuværende testbænk til flydende brændstof, her monteret med
de to mindste tanke. Som det ses, er der fire ventiler, hver med egen
aktuator. Det muliggør to-trins tænding og forskellige
åbningstidspunkter. Motorkammeret monteres helt til højre, og vejecellen
kan anes som en blank, vandret cylinder bag hanebroen. Hele den øverste
del af rammen bevæger sig næsten frit, kun styret af de lodrette
stykker båndjern. (Foto: Jeppe Locht)

Tidsplanen

Det har frigivet masser af energi i DSC, at vi er vendt tilbage
til flydende brændstof, og derfor går det hurtigt fremad med motoren.
Ved åbent hus i raketværkstedet søndag d. 7. december var der 5-6 nye
personer, som var meget interesserede i at være med til arbejdet, og de
har kompetencer, der kan bruges direkte. Derfor tror jeg på, at vi kan
få bygget motoren inklusive testbænk og fødesystem inden foråret. Med
lidt held (og en masse arbejde) kan vi flyve den til sommer i en ukølet
udgave og måske endda til efteråret i en kølet. Det kræver en fokuseret
indsats og hjælp udefra med nogle opgaver, men det er muligt.

Tak fordi du læste med helt til bunden. Hvis du har lyst til at
kigge ind på værkstedet eller til en affyring, så kontakt os gerne. Du
kan også følge med på bloggen og de sociale medier i vores fremskridt.
mvh

Jeppe Locht, Formand, Danish Space Challenge

spacechallenge@mainstage.dk

Blog: http://danishspace.mainstage.dk

www.facebook.com/DanishSpaceChallenge

Twitter: @danishspace