Meten aan een raket in volle vlucht (video)

Geplaatst op 11 mei 2022 om 13:02 uur
Meten aan een raket in volle vlucht (video)
Een groep studenten van de technische hogeschool in Zürich heeft een werkende raket gebouwd die HBK-rekstrookjes gebruikte om te meten en bewaken en die de hoofdprijs heeft gewonnen bij de European Rocketry Challenge (EuRoC) in Portugal. Het volgende doel is de Spaceport America Cup 2022 in New Mexico.

De studenten mikten op de prijs in de categorie 'een student onderzocht en ontwikkelde motor die een hoogte van 30.000 voet bereikte'. De onderzoeksraket had een hybride aandrijfmotor, ontwikkeld door de studenten.

 

De HBK-rekstrookjes die in dit systeem werden gebruikt, leverden informatie over buigmomenten en axiale krachten tijdens alle vluchtfasen, wat de basis vormde voor de verdere optimalisatie. Bij de Spaceport America Cup wil het team  een payload van vier kilogram naar een hoogte van 30.000 voet vervoeren en alle delen van de raket veilig terug naar de aarde brengen.

 

Een raket moet alle krachten het hoofd kunnen bieden die in alle fasen van de vlucht optredenen tegelijkertijd zo licht mogelijk zijn. Daarom heeft het team nauwkeurige kennis nodig van alle mogelijke belastingen die tijdens de vlucht op de constructie inwerken, zodat de raket kan worden uitgerust met maximale sterkte en minimaal gewicht.

 

Tijdens de ontwikkeling hebben de studenten simulatie gebruikt om de belangrijkste fundamentele parameters te bepalen voor het ontwerpen van de aerostructuur van de raket. Modellen geven echter slechts een benaderend beeld van moeilijk te voorspellen invloeden van buitenaf, zoals wind. Daarentegen leveren tijdens de vlucht metingen nauwkeurige gegevens op over werkelijk optredende krachten, wat op zijn beurt een optimaal ontwerp van de vliegtuigstructuur mogelijk maakt.

 

Missie monitoring systeem

De studenten ontwikkelden een lichtgewicht, eenvoudig te implementeren en toch nauwkeurig monitoringsysteem. Het voltooide systeem werd boven de tank van de raket geïnstalleerd, waardoor de buigmomenten en axiale krachten die optreden tijdens de vlucht van de raket konden worden geregistreerd. Deze gegevens vormen nu de basis voor verdere optimalisatie van het ontwerp van de structurele onderdelen van de raket, in de hoop op de eerste plaats in de 2022 Spaceport America Cup.

 

In het monitoringsysteem voor het meten van belastingen zijn in totaal drie Wheatstone-bruggen geïnstalleerd, twee voor momenten in de x- en y-richting en één voor axiale krachten in de z-richting, elk met twee HBK-rekstrookjes. De rekstrookjes waren aan de binnenkant van de koolstofvezelschaal van de raket bevestigd. Er werden rekstrookjes van 350Ω gebruikt en geleverd met een zeer nauwkeurige spanning van 3,3 V. Alle signaalkabels waren afgeschermd om een ​​optimale signaalkwaliteit te garanderen en geaard op de printplaat. Uit eerdere tests bleek dat de module zeer weinig geluid produceerde. De sensoren zijn gekalibreerd door middel van een 3-punts buigtest. Om de buigbelasting aan te tonen, werden belastingen tot driekwart van het maximum ingevoerd.

 

 De rekstrookopstelling voor de buigmomenten maakte het mogelijk de vervormingen te compenseren door axiale krachten en temperaturen. Aan de andere kant mat de opstelling voor axiale krachten krachtcomponenten veroorzaakt door buig- en normaalkrachten, en compenseerde alleen temperatuurgeïnduceerde vervormingen. Om directe informatie over axiale krachten te verkrijgen, is verdere verwerking van deze meetgegevens vereist.

 

Het nieuwe monitoringsysteem toonde zijn mogelijkheden tijdens het eerste gebruik in Portugal. Het meet betrouwbaar ladingen tijdens de vlucht en levert de meeste verwachte gegevens. De axiale krachten en buigmomenten in de x- en y-richting konden nauwkeurig worden bepaald vanaf de lancering van de raket tot het hoogtepunt (hoogste punt) van zijn vlucht.

 

Helaas was het niet mogelijk om zinvolle gegevens te verzamelen tijdens de terugkeer naar de aarde: de parachutes werden niet ingezet zoals gepland op het hoogtepunt vanwege een technische storing in het parachutesysteem. Ze gingen pas open tijdens de afdaling, toen de raket viel met een snelheid van 240 m/s. De schokkrachten die dit veroorzaakte waren zo groot dat de raket uit elkaar brak.

 

Ondanks het ontbreken van meetwaarden voor de afdaling, maken de gegevens toch een beter begrip van het systeem mogelijk. Op deze manier kan de aerostructuur van de raket verder worden geoptimaliseerd, waardoor de kans op overwinning bij de 2022 Spaceport America Cup groter wordt.

 

Het team maakte een video voor de deelname aan de European Rocketry Challenge (EuRoC) in Portugal: 

 
© Engineersonline.nl