Rakiety sondażowe i nie tylko - Rozmowa z Bartoszem Zieglerem opiekunem koła naukowego PUT Rocketlab Politechniki Poznańskiej.

Studenckie koło naukowe PUT Rocketlab działające przy Politechnice Poznańskiej zajmuje się badaniami i rozwojem silników rakietowych, oraz systemów rakiet sondujących. W ostatnim czasie opiekun koła Bartosz Ziegler miał okazję zaprezentować część działalności koła podczas Symprezy Symkom pt.: “Technologie Rakietowe w kontekście analiz numerycznych”.

Przy produkcji rakiet i ich podzespołów pojawia się szereg wyzwań inżynierskich związanych ze statecznością i sterownością rakiet, ich napędami, zagadnieniami wytrzymałościowymi, drganiami, czy sensorami. Dlatego, by jeszcze dogłębniej zbadać temat, zadaliśmy kilka pytań aby poznać bliżej genezę pracy koła naukowego.

Koło naukowe PUT Rocketlab Politechniki Poznańskiej

Symkom: Jakie są główne cele i obszary działalności koła naukowego PUT Rocketlab?

B.Z.: Zajmujemy się szeroko pojętymi technologiami rakietowymi. Naszymi głównymi celami jest przede wszystkim budowanie “know-how” na temat inżynierii rakietowej i kształcenie studentów w tej trudnej i interdyscyplinarnej dziedzinie. Niewiele jest dziedzin inżynierii wymagających tak wysokiego poziomu optymalizacji i jednocześnie bardzo systemowego podejścia. W rakiecie konstrukcja każdego komponentu wpływa na pozostałe. Jeżeli gdzieś zmieni się masa komponentu względem szacowań, zmieni się budżet masy, zmieni się położenie środka ciężkości a tym samym wymagany rozmiar stateczników itd.

Symkom: Czy modyfikowaliście lub dostosowywaliście pakiet ANSYS do specyficznych potrzeb waszych projektów rakietowych?

B.Z.: W ramach naszych zastosowań nie było potrzeby dużych modyfikacji. Zewnętrzna aerodynamika i analizy wytrzymałościowe to dość typowe zastosowania, nawet jeżeli sam obiekt analizy jest niszowy. Większość modyfikacji jakie robiliśmy do tej pory mieściło się w zakresie tego, na co pozwalają np. Fluentowe UDFy, z których chętnie korzystamy np. gdy trzeba stworzyć model czynnika. Z takich przykładów wspomnieć mogę zastosowanie modelu “uder defined real gas model”, gdzie udało nam się stworzyć model wirtualnego gazu, który podczas izentropowego rozprężania w zakresie ciśnień, które nas interesowały, imitował profil gęstości i entalpii mieszaniny wielofazowej kawitującego podtlenku azotu znany z badań eksperymentalnych. Bardzo praktyczne podejście przy analizach wtryskiwaczy, gdy intensywność kawitacji (spadek ciśnienia o 30 bar na dystansie rzędu milimetra) jest tak duża, że modele kawitacji stają się niepraktyczne.

Symkom: W jaki sposób widzicie przyszłość zastosowań pakietu ANSYS w waszych projektach?

B.Z.: Przede wszystkich na pewno będziemy z nich korzystać w podobny sposób jak obecnie, lecz zwiększając poziom automatyzacji interakcji z programem, zwłaszcza że zaczynamy przygodę z aerodynamicznym sterowaniem. Tu z wielką nadzieją spoglądamy na PyFluent’a, jako że z Pythona korzystamy powszechnie, a dostępność przydatnych inżynierowi narzędzi w SciPy jest ogromna.

W planach mamy również budowę silnika na paliwo ciekłe zasilanego z ciśnieniowanych zbiorników. Z punktu widzenia osiągów dla rakiet sondażowych nie jest to dobre rozwiązanie, gdyż materiały pędne znajdują się w zbiornikach o ciśnieniu wyższym, niż to w komorze spalania, co wymusza dużą masę zbiorników, a tym samym rakiety i wymaga dodatkowego źródła czynnika ciśnieniującego. A jak powiedział kiedyś jeden z naszych informatyków “równanie Ciołkowskiego jest nieubłagane”. Jest to jednak technologia możliwa do wykorzystania na orbicie (gdzie ze względu na zerowe ciśnienie otoczenia silniki mogą mieć duży rozpręż dysz niezależnie od tego jak niskie jest ciśnienie w ich komorze spalania). Jest to też krok na drodze do silników ciekłych zasilanych pompowo, które są już technologią typową dla rakiet orbitalnych. Dlatego też czeka nas duża ilość pracy z modelami VOF (tu liczymy na wykorzystanie gpgpu) na potrzeby projektowania wtryskiwaczy, a także duża ilość analiz CHT w opracowaniu regeneratywnego chłodzenia silników.

Rakieta sondująca HEXA

Symkom: Jakie były największe techniczne wyzwania, z jakimi musieliście się zmierzyć, projektując i budując rakiety sondażowe?

B.Z.: Samo zbudowanie rakiety sondażowej nie jest aż tak trudne. Niestety zbudowanie systemu, który pozwala z dużym prawdopodobieństwem na udany start w zawodach i osiągnięcie docelowego pułapu w zakładanych przez regulamin ograniczeniach, jest już znacznie trudniejsze. Oprócz samej konstrukcji zmierzyć się trzeba z czasem, logistyką zawodów, sędziami, później warunkami atmosferycznymi, a to już duże wyzwanie. Dodatkowo nie można ograniczać się warunkami atmosferycznymi. W konkursie nie można pozwolić sobie na utratę okna startowego dlatego, że wiatr jest zbyt silny.
Regulamin narzuca np. że ładunek rakiety musi być rozmiaru 3U i ważyć minimum 4 kg. Dodatkowo jest ograniczenie maksymalnego impulsu całkowitego silnika. Są też ograniczenia minimalnych współczynników bezpieczeństwa np. dla zbiorników ciśnieniowych, co wymusza ich znacznie większą masę aniżeli to technicznie możliwe.

Tak więc z jednej strony jest ograniczenie wymuszające dużą średnicę rakiety i związane z tym opory, a także nadmiarowe masy, z drugiej strony jest ograniczenie tego, jak dużego impulsu można użyć (Amerykańskie prawo pozwala na 40 960 Ns, lecz w tym roku poproszono zespoły by trzymały się ok. 10% zapasu do tego limitu). Ponieważ rakiety budujemy jednostkowo ograniczają nas ogólnodostępne materiały. Dlatego też osiągi rakiety możemy utrzymać tylko przez silnie zoptymalizowany projekt. I to zarówno w kontekście aerodynamicznym, wytrzymałościowym i masowym. Trzeba być gotowym na strzelanie w silnym wietrze i związane z tym obciążenia aerodynamiczne podczas lotu, a potem odpalanie za dużego na takie warunki spadochronu, przy 250 km/h prędkości poziomej w apogeum. Na wszystkie te scenariusze trzeba konstrukcje policzyć.

Wiąże się to z ogromną ilością pracy nad geometriami, ich analizami i testami. W tym wykonywaniem i testowaniem komponentów, których czas wykonania potrafi, np. w przypadku laminowanych ręcznie struktur laminatowych z przekładkami z aramidowego honeycomb-u, sięgać tygodni. Ciężko wskazać jeden taki proces będący szczególnie dużym wyzwaniem bo niemal każdą konstrukcję można poprawić, a w PUT Rocketlab wyznajemy zasadę, że w każdy projekt wkładamy tyle wysiłku, na ile kalendarz i ilość godzin w dobie pozwala. Wymienię więc cztery przykładowe wyzwania:

Silnik – to oczywiście komponent którego opracowanie wymaga budowy hamowni, opomiarowania jej, i ogromnej ilości testów, a także opracowania składu i technologii produkcji paliwa jeżeli chce się mieć paliwo “uszyte na miarę”.
Nośne struktury laminatowe – komponenty, które dla rakiet osiągających prędkości naddźwiękowe już na niskim pułapie, muszą przenosić ogromne momenty gnące. Samo oszacowanie wymaganych wytrzymałości wymusza mnóstwo analiz CFD, by oszacować obciążenia od podmuchów na różnych etapach lotu, obciążenia aerodynamiczne przy otwieraniu spadochronów itp., a potem jeszcze trzeba wykonać próbki technologiczne i wymyślić jak te struktury połączyć z komponentami metalowymi bez utraty wytrzymałości.
System zdalnego tankowania, odpalania i kontroli misji – komponent, o którym często zapomina się, gdy myśli się o rakietach, ale tzw. “stage-0” to często nakład prac inżynierskich porównywalny z budową samej rakiety. Musi to być układ pozwalający na zdalne zatankowanie na pustyni, gdzie nie ma sieci GSM, a więc całą łączność radiową, przesył obrazu, opomiarowanie linii tankujących, sterowanie zaworami, zapalnikami i kontakt z wszystkimi komputerami pokładowymi rakiety jest potężnym systemem. Starczy powiedzieć, że w samej rakiecie są chyba z 3 komputery naszej konstrukcji plus kilka komercyjnych i kilka trackerów GPS. Również naszej konstrukcji, jest stacja kontroli naziemnej przy wyrzutni i stacja zdalnej kontroli (Portable Command Centre), a wszystko połączone musi być bezprzewodowo w środowisku, w którym na pustyni jest trzycyfrowa liczba zespołów i każdy zanieczyszcza “eter” jakąś komunikacją. Niestety jako mechanik z wykształcenia nie umiem dokładniej opisać strony elektroniczno informatycznej takich projektów, ale jest przytłaczająca.
Systemy odzysku – czyli krótko mówiąc dwustopniowy system spadochronów, które również projektujemy w rocketlab’ie. Ich system wyrzutu, olinowanie, pirotechniczne przecinaki lin i inne.

Symkom: Dlaczego zdecydowaliście się skupić na rakietach sondażowych?

B.Z.: Rakiety sondażowe, ze względu na brak systemów sterowania pozwalających na zmianę ich w pociski kierowane, nie są obostrzone koncesjami na produkcję uzbrojenia w większości krajów. Jednocześnie wymagają kilka rzędów wielkości niższych nakładów finansowych na opracowanie i budowę niż rakiety orbitalne. Dlatego też właśnie ten typ rakiet jest wykorzystywany w studenckich konkursach rakietowych. Największym takim konkursem jest Spaceport America Cup (SAC) i to właśnie udział w jego najambitniejszej kategorii 30 kft SRAD Hybrid/Liquid był pierwszym celem działalności PUT Rocketlab. Ta konkurencja oznacza lot i jak najdokładniejsze trafienie w pułap 30 000 stóp rakietą o napędzie hybrydowym lub ciekłym własnego projektu i konstrukcji.

Rakieta sondująca HEXA

Symkom: Czy możecie podać konkretny przykład, w którym ANSYS był kluczowy dla sukcesu waszego projektu?

B.Z.: Powiedziałbym, że kluczowym dla dobrego wyniku na tegorocznym SAC były dwa komponenty projektowe z użyciem ANSYS:

Bardzo precyzyjna charakterystyka aerodynamiczna zwłaszcza w obszarze transonicznym. Analizy robione były trochę “old-schoolowo” na strukturalnych siatkach z ICEMa, wysokich rzędach dyskretyzacji i na przeróżnych kombinacjach kątów natarcia i liczb Macha z uwzględnieniem spodziewanych w trakcie lotu zmian parametrów atmosferycznych z wysokością. Docelowy pułap to 9144 m a w tym roku na SAC trafiliśmy w ok. 9050 m (dane z akcelerometrów i GPS, niestety punkty przyznawane są za pułap mierzony wybranym przez organizatorów komputerem z pomiarem barometrycznym który zaniża wynik pomiaru w atmosferze cieplejszej niż tzw. atmosfera wzorcowa). Jeszcze wieczór przed startem wykonywaliśmy obliczenia ile dokładnie zatankować by jak najlepiej w pułap trafić, a kluczowe dla tych obliczeń są charakterystyki aero.
Wyboczeniowe analizy MES łączników strukturalnych. W tym roku z uwagi na trudne warunki atmosferyczne rakiety lądowały z dużymi prędkościami, często na twardym gruncie i z uszkodzonymi spadochronami. W takich warunkach zapas wytrzymałości jaki uda się wbudować w cienkościenne struktury decyduje o tym czy będzie bonus za odzyskanie rakiety w całości. Nawet pamiętam dyskusje przy projektowaniu, gdy padło: “przecież ten współczynnik bezpieczeństwa już jest wystarczający”, na co w odpowiedzi padło: “ale może być większy przy tej samej masie”.

Rakiety sondażowe i nie tylko – Rozmowa z Bartoszem Zieglerem opiekunem koła naukowego PUT Rocketlab Politechniki Poznańskiej.