Projekt_ARDEA_28_03_2012_1

Návrh suborbitálního prostředku pro dosažení výšky nad 100km

Projekt

ARDEA

Csaba Boros

2012

http://www.airports-worldwide.com/articles/article0354.php

Volavka popelavá ( Ardea cinerea )

Copyright 2004-2010 by Daniele Occhiato

KNP12 Pardubice CZ 2 Csaba Boros

Aim for Rocket DEvelopment

for Amateurs

aneb

„Zaměřit se na vývoj raket pro amatéry“

ARDEA


Jak překonat odpor atmosféry Země(1) ?

• Balonem

• Letadlem

• Raketou

• Dělem


http://wwwroboslave.net

Vynesení rakety balonem ( Rocket/Balloon –

Rockoon Technique)

• Deacon

• Loki

• Far Side

• HARC


Farside (1957)


• 4 stupně, RM TPH

• UZ 3 kg/6400km

HARC – konstrukce rakety


SL-2

HARC – konstrukce gondoly


HARC – videosekvence startu rakety SL-1


Pokus o CATS

neúspěšný, raketa

při startu zavadila

o pěnovou Izolaci –

místo směřování vzhůru

nabrala kurz k Zemi

Start ! Balón

Gondola

Jednostupňové rakety

• Super Arcas

• CSXT

• Hyperion

• LEX


Jednostupňová raketa Super Arcas

• zesílená verze rakety ARCAS

• Motor na TPH stř.tah 1,45 kN, doba fce 40 vteřin

• Užitečné zatížení 4,5 kg/92 km

• Startovní hmotnost 43 kg

• Max. průměr/délka 110/2700 mm

• Hlavńové vypoustěcí zařízení – příd. rychlost 46-70m/s

kompenzuje stranový vítr a zlepšuje stabilitu


Jednostupňová raketa CSXT(Civilian Space Exploration Team)/eAc

Max. dostup = 124 km

Motor na TPH(AP báze)

Hmotnost motoru = 272kg

Hmotnost paliva = 197kg

Celkový impuls = 445kNs

Spec. impuls = 2184Ns/kg

Hmotnost užit. źatížení =18kg

Max. rychlost = 5,5M

Max. průměr rakety = 254 mm

Délka motoru = 4445 mm


Jednostupňová raketa s dalším, podrážovým stupněm bez pohonu – Dart (kopí)

SuperLoki

max. dostup 76 km

st. hmotnost 30,8 kg

Cajun/Dart

max. dostup 93 km

st.hmotnost 89,1 kg

Hopi/Dart

max. dostup 115 km

start. hmotnost 43,1 kg

zrychlení 150g


Letový stupeň s jedním urychlovacím stupněm

Aerobee 150 A

• Užitečné zatížení 68kg/130 km

• Startovní hmotnost 732 kg

• Startovací stupeň (booster) se zažehuje

spolu s motorem letového stupně


Letový stupeň s více urychlovacími stupni

Raketa ASP se 4-mi urychlovacími motory

(USA)

METEOR 2K (Polsko - 1970)

• start. hmotnost 484 kg

• max. dostup 105,6 km

• hmotnost užitečného zatížení 10 kg


Vícestupňové rakety

Atea – 1 Nový Zéland

RM HRM/TPH

Terrapin USA

RM TPH/TPH

Sidewinder/

Raven USA

RM TPH/TPH

Deacon/

Arrow USA

RM TPH/TPH

Sidewinder/

Arcas USA

RM TPH/TPH


Název rakety

Počet stupňů

Max.ráže/

délka rakety

Hmotnost rakety

celková

Hmotnost pohonných

látek

Hmotnost konstrukce

Konstrukční číslo S

Hmot. poměr

E UZ

Max. dostup

Spec. impuls

[ - ] [ mm/mm ] [ kg ] [ kg ] [ kg ] [ - ] [ - ] [ kg ] [ km ] [ Ns/kg ]

Hyperion (USA)

1 152/5700 74,5 48 22 3,182 0,686 4,5 90 2010

Atea - 1 (Nový

Zéland) 2 150/6000 65 43 20 3,15 0,683 2 150 2160

LEX (Francie)

1 160/3400 76 52,2 13,8 4,783 0,791 10 100 1935

Terrapin

(USA) 2 159/4500 100,5 60,8 37 2,643 0,622 2,7 122 1937

SIDEWINDER

/ARCAS (USA)

2 127/4330 75,5 39,4 30,66 2,285 0,562 5,44 130 2200

SUPER ARCAS (USA)

1 110/2700 43 26,5 12 3,208 0,688 4,5 92 2194

Rozpětí hodnot

1 - 2 110-

160/2700-6000

43 – 100,5 26,5 – 60,8 12 – 30,66 2,285 – 4,783

0,562 – 0,791

2 - 10 90 -150 1935 - 2200


Závislost součinitele odporu rakety Aerobee 150A na Machovém čísle(2) (příklad)


Časové závislosti parametrů trajektorie letu rakety ARDEA 2A pro elevační úhel startu 80° a hmotnost UZ = 2 kg

0

20

40

60

80

100

120

140

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10 11 12 13 14 15 16 17 18

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Výš

ka le

tu [

km

]

Ryc

hlo

st le

tu v

- x

10

0 [

m/s

]

Zryc

hle

ní a

- [

m/s

.s ]

Doba letu t [ s ]

rychlost v

zrychlení a

výška Y


Termochemické charakteristiky voskového paliva HPH-12 /N2O(3)

1300

1400

1500

1600

1700

1800

1900

2000

2100

2200

2300

2400

2500

2600

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Mixture Ratio O/F ( - )

I SPth

eor.

(N

s/kg

)


0,5 MPa

7,0 MPa

1,0 MPa

Tlak v SK

Pa = 0,1 MPa

y = -0,0643x6 + 2,5825x5 - 42,521x4 + 367,36x3 - 1755,6x2 + 4356,5x - 1910,2 R² = 0,9995

y = -0,0429x6 + 1,6722x5 - 26,664x4 + 223,49x3 - 1046,3x2 + 2587,8x - 104,76 R² = 0,9989

2200

2250

2300

2350

2400

2450

2500

2550

2600

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

wa,w

a*(

Ns

/kg

)

Směšovací poměr K

Rovnovážný výtok

Nerovnovážný výtok

60%Vosk/40%Al/N2O

Tlak ve spal. komoře = 3,5 MPa

Tlak na ústí trysky = 0,1 MPa


y = -0,0402x6 + 1,619x5 - 26,695x4 + 230,88x3 - 1103,8x2 + 2736,2x - 1089,8 R² = 0,9995

1480

1500

1520

1540

1560

1580

1600

1620

1640

1660

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ch

ara

kte

ris

tic

ká

ryc

hlo

st

c*

(m/s

)

Směšovací poměr K

60%vosk/40%Al/N2O

Tlak v komoře = 3,5 MPa

Tlak na ústí trysky = 0,1 MPa


Raketa – jak bude

vypadat ?

KNP12 Pardubice CZ Csaba Boros 23

ARDEA 1

• zkušenosti z více jak 30-ti

zkoušek

• max. tah byl 330N (L=200mm)

• plán. tah 1000N (L=400 mm)

• celkový tah bude 4x1kN=4kN

• vzletová hmotnost 15 kg

• hmotnost UZ 2kg/15 km


Ardea 1 – základní rozměry


ARDEA 1A

• kombinace systému „DART“ a aktivního II. stupně s malým průměrem

s menším motorem na TPH

• startovací stupeň ARDEA 1

• časová prodleva zážehu II. stupně

• celková hmotnost 17 kg

• užitečná hmotnost 1 kg/40 km

• možnost použití výkonnejších

modelářských RM na TPH


ARDEA - 2

• letový stupeň vyšší řady raket, schopný dosáhnout kosmického prostoru

• použití kompozitních materiálů (CFC), celokompozitová

nádrž okysličovadla

• okysličovadlem bude N2O

• vzhledem k nedostupnosti HTPB jsou uvažovány paliva,

jako vosk, uretánové pryskyřice nebo PMMA

• předpokládaný tah bude 3,5 kN/30 vteřin chodu

• hmotnost HPH cca 50 kg


• UZ 2 kg/90 km


ARDEA 2A • konfigurace rakety určená pro pokus o dosáhnutí kosmu

• letový stupeň ARDEA 2 + 2 boostery ARDEA 1

• tah při startu 11,5 kN

• max. rychlost letu 1 550 m/s

• max. zrychlení 13,8 g

• celková hmotnost 87,5 kg

• UZ 2 kg/120 km


ARDEA 2B

• letový stupeň ARDEA 2 +

+ 4 boostery ARDEA 1


• celková hmotnost 107,5 kg

• UZ 5 kg/120 km


ARDEA 2C

• dvoustupňová verze rakety určená pro pokus o dosáhnutí

co největší výšky

• I. stupeň ARDEA 2 + 4 boostery ARDEA 1

• II. stupeň taky ARDEA 1



• UZ 2 kg/200 km


Vývojová řada raket ARDEA

ARDEA 1 (2kg/15km)

ARDEA 1A (1kg/40km)

ARDEA 2 (2kg/90km)

ARDEA 2A (2kg/120km)

ARDEA 2B (5kg/120km)

ARDEA 2C (2kg/200km)


Jednotlivé etapy projektu

• Výroba a sestavení zkušebního zařízení pro zkoušky HRM pro max. tah motoru 10 kN

• Návrh a výroba systému dálkového plnění rakety s N2O, startovní rampy a dalších podpůrných zařízení

• Pomocné zařízení potřebné pro výrobu tuhého paliva, trysky, spalovací komory a nádrže okysličovadla (kompozitová technologie)

• Vývoj elektroniky pro telemetrii, příjem a vyhodnocování dat, vývoj užitečného zatížení

• Modelování a optimalizace parametrů rakety, vývoj výpočtových nástrojů pro modelování vnitřních dějů v HRM


Výroba stendu pro zkoušky HRM


Pneumo – hydraulický systém pro ovládání HRM při zkouškách(3)

• bude rozšířeno o automatiku dálkového plnění nádrže oxidem dusným

• separátní systém zážehu motoru ( polymer/GOX)


Pneumo-hydraulické schéma systému pro spouštění HRM(3)


Testování vstřikovačů okysličovadla N2O(3)

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5

Hm

otn

ostn

í p

růto

k N

2O

(kg

/s)

Tlakový spád Δp (MPa) vs

V.

VI.

VII.

VIII.

IX.

T = 10 C

T = 15 C

T = 20 C

IV.

III.

II.

I.


Výroba voskových náplní pro A 1 a A 2

• stejné zařízení, jak u předešlých zkoušek, pouze odlévaná zrna budou delší

• přídavek Al prášku bude mít příznivý vliv na odvádění tepla z jádra – menší

pnutí


Výroba N2O nádrže pro A - 1

Výmetnice padáku

Dno nádrže


Výroba pozitivní formy pro produkci ultralehkých uhlíkových spal. komor a

nádrží okysličovadla pro letový stupeň A-2

• Délka formy 2x3m, vnější průměr 150mm

• vyhřívání formy elektricky – médium horký olej (max.140°C)

• mnohonásobné použití dané formy

• materiál výztuže – uhlíkové vlákno ve formě pleteného rukávu

v kombinaci s navíjením

• distribuce pryskyřice(epoxid) pomocí infuzní technologie

VARTM (Vacuum Assisted Resin Transfer Moulding)


Velice děkuji za Vaši pozornost !


the-mediterranean-region-and-all-its-beatuy.com

Reference

1. B.Křížek.:“Amatérská kosmická raketa“ Letectví a kosmonautika , 15-16 2000, 2. James. S. Barrowman :“THE PRACTICAL CALCULATION OF THE AERODYNAMIC CHARACTERISTICS OF SLENDER FINNED VEHICLES“ ntrs.nasa.gov/.../nasa/casi...nasa.../20010047838_2001074887.pdf

3. Cs. Boros.:“ Příspěvek k řešení hybridního raketového motoru“ disertační práce,

Univerzita Obrany, Brno 2009


Date post:	24-Oct-2014
Category:	Documents
Upload:	csaba-boros
View:	158 times
Download:	1 times

Projekt_ARDEA_28_03_2012_1

Documents