Návrh suborbitálního prostředku pro dosažení výšky nad 100km Projekt ARDEA Csaba Boros 2012 http://www.airports-worldwide.com/articles/article0354.php Copyright 2004-2010 by Daniele Occhiato Volavka popelavá ( Ardea cinerea ) KNP12 Pardubice CZ Csaba Boros 2 ARDEA Aim for Rocket DEvelopment for Amateurs aneb „Zaměřit se na vývoj raket pro amatéry“ KNP12 Pardubice CZ Csaba Boros 3 Jak překonat odpor atmosféry Země(1) ? • Balonem • Letadlem • Raketou • Dělem http://wwwroboslave.net KNP12 Pardubice CZ Csaba Boros 4 • • • • Deacon Loki Far Side HARC Vynesení rakety balonem ( Rocket/Balloon – Rockoon Technique) KNP12 Pardubice CZ Csaba Boros 5 Farside (1957) • 4 stupně, RM TPH • UZ 3 kg/6400km KNP12 Pardubice CZ Csaba Boros 6 HARC – konstrukce rakety SL-2 KNP12 Pardubice CZ Csaba Boros 7 HARC – konstrukce gondoly KNP12 Pardubice CZ Csaba Boros 8 HARC – videosekvence startu rakety SL-1 Balón Gondola Start ! Pokus o CATS neúspěšný, raketa při startu zavadila o pěnovou Izolaci – místo směřování vzhůru nabrala kurz k Zemi KNP12 Pardubice CZ Csaba Boros 9 • • • • Super Arcas CSXT Hyperion LEX Jednostupňové rakety KNP12 Pardubice CZ Csaba Boros 10 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 KNP12 Pardubice CZ Csaba Boros 11 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 KNP12 Pardubice CZ Csaba Boros 12 Jednostupňová raketa s dalším, podrážovým stupněm bez pohonu – Dart (kopí) Hopi/Dart max. dostup 115 km start. hmotnost 43,1 kg zrychlení 150g Cajun/Dart max. dostup 93 km st.hmotnost 89,1 kg SuperLoki max. dostup 76 km st. hmotnost 30,8 kg KNP12 Pardubice CZ Csaba Boros 13 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 KNP12 Pardubice CZ Csaba Boros 14 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 KNP12 Pardubice CZ Csaba Boros 15 Vícestupňové rakety Atea – 1 Nový Zéland RM HRM/TPH KNP12 Pardubice CZ Terrapin USA RM TPH/TPH Sidewinder/ Raven Deacon/ Arrow Sidewinder/ Arcas USA RM TPH/TPH 16 USA USA RM TPH/TPH RM TPH/TPH Csaba Boros Název Počet Max.ráže/ rakety stupňů délka rakety [-] [ mm/mm ] Hmotnost Hmotnost Konstr Hmot. Hmotnost rakety pohonných ukční poměr konstrukce celková látek číslo S E [ kg ] [ kg ] [ kg ] [-] [-] UZ [ kg ] Max. dostup [ km ] Spec. impuls [ Ns/kg ] Hyperion (USA) 1 2 1 2 152/5700 150/6000 160/3400 159/4500 74,5 65 76 100,5 48 43 52,2 60,8 22 20 13,8 37 3,182 3,15 4,783 2,643 0,686 0,683 0,791 0,622 4,5 2 10 2,7 90 150 100 122 2010 2160 1935 1937 Atea - 1 (Nový Zéland) LEX (Francie) Terrapin (USA) SIDEWIN DER /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 1935 2200 Rozpětí hodnot 1102,285 – 0,562 – 1 - 2 160/2700- 43 – 100,5 26,5 – 60,8 12 – 30,66 2 - 10 4,783 0,791 6000 90 -150 KNP12 Pardubice CZ Csaba Boros 17 Závislost součinitele odporu rakety Aerobee 150A na Machovém čísle(2) (příklad) KNP12 Pardubice CZ Csaba Boros 18 Časové závislosti parametrů trajektorie letu rakety ARDEA 2A pro elevační úhel startu 80° a hmotnost UZ = 2 kg Doba letu t [ s ] 0 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 50 100 150 200 250 300 350 400 140 120 100 Rychlost letu v - x 100 [ m/s ] Zrychlení a - [ m/s.s ] rychlost v zrychlení a výška Y 80 60 40 20 0 KNP12 Pardubice CZ Csaba Boros 19 Výška letu [ km ] Termochemické charakteristiky voskového paliva HPH-12 /N2O(3) 2600 2500 2400 Tlak v SK 7,0 MPa 2300 2200 2100 ISPtheor. (Ns/kg) 2000 1,0 MPa 0,5 MPa 1900 1800 1700 Pa = 0,1 MPa 1600 1500 1400 1300 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Mixture Ratio O/F ( - ) KNP12 Pardubice CZ Csaba Boros 20 2600 y = -0,0429x6 + 1,6722x5 - 26,664x4 + 223,49x3 - 1046,3x2 + 2587,8x - 104,76 R² = 0,9989 2550 60%Vosk/40%Al/N2O Rovnovážný výtok 2500 Tlak ve spal. komoře = 3,5 MPa Tlak na ústí trysky = 0,1 MPa 2450 2400 Nerovnovážný výtok 2350 a a 2300 2250 y = -0,0643x6 + 2,5825x5 - 42,521x4 + 367,36x3 - 1755,6x2 + 4356,5x - 1910,2 R² = 0,9995 0 1 2 3 4 5 Csaba Boros 2200 6 7 8 9 21 KNP12 Pardubice CZ 10 Směšovací poměr K 1660 1640 1620 Charakteristická rychlost c* (m/s) 1600 1580 1560 1540 1520 1500 1480 0 1 2 3 4 5 Csaba Boros 60%vosk/40%Al/N2O Tlak v 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 6 7 8 9 Směšovací poměr K 10 22 KNP12 Pardubice CZ Raketa – jak bude vypadat ? KNP12 Pardubice CZ Csaba Boros 23 ARDEA 1 • vzletová hmotnost 15 kg • hmotnost UZ 2kg/15 km • zkušenosti z více jak 30-ti zkoušek • max. tah byl 330N (L=200mm) • plán. tah 1000N (L=400 mm) • celkový tah bude 4x1kN=4kN KNP12 Pardubice CZ Csaba Boros 24 Ardea 1 – základní rozměry KNP12 Pardubice CZ Csaba Boros 25 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 KNP12 Pardubice CZ Csaba Boros 26 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 • celková hmotnost 65 kg • UZ 2 kg/90 km KNP12 Pardubice CZ Csaba Boros 27 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 KNP12 Pardubice CZ Csaba Boros 28 ARDEA 2B • letový stupeň ARDEA 2 + + 4 boostery ARDEA 1 • tah při startu 19,5 kN • celková hmotnost 107,5 kg • UZ 5 kg/120 km KNP12 Pardubice CZ Csaba Boros 29 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 tah při startu 19,5 kN celková hmotnost 120 kg UZ 2 kg/200 km KNP12 Pardubice CZ Csaba Boros 30 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) KNP12 Pardubice CZ Csaba Boros 31 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 KNP12 Pardubice CZ Csaba Boros 32 Výroba stendu pro zkoušky HRM KNP12 Pardubice CZ Csaba Boros 33 Pneumo – hydraulický systém pro ovládání HRM při zkouškách(3) • bude rozšířeno o automatiku dálkového plnění nádrže oxidem dusným • separátní systém zážehu motoru ( polymer/GOX) KNP12 Pardubice CZ Csaba Boros 34 Pneumo-hydraulické schéma systému pro spouštění HRM(3) KNP12 Pardubice CZ Csaba Boros 35 Testování vstřikovačů okysličovadla N2O(3) 0,6 T = 10 C T = 15 C 0,5 T = 20 C VIII. IX. 0,4 VII. VI. Hmotnostní průtok N2O (kg/s) 0,3 IV. 0,2 III. II. I. V. 0,1 0 0,1 0,3 0,5 0,7 KNP12 Pardubice CZ Csaba Boros 0,9 Tlakový spád Δp (MPa) vs 1,1 1,3 1,5 36 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 KNP12 Pardubice CZ Csaba Boros 37 Výroba N2O nádrže pro A - 1 Dno nádrže Výmetnice padáku KNP12 Pardubice CZ Csaba Boros 38 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) KNP12 Pardubice CZ Csaba Boros 39 Velice děkuji za Vaši pozornost ! the-mediterranean-region-and-all-its-beatuy.com Csaba Boros 40 KNP12 Pardubice CZ 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 KNP12 Pardubice CZ Csaba Boros 41