Στην πυραυλική επιστήμη, οι structural engineers σχεδιάζουν τα κομμάτια που δημιουργούν τη μορφή και το σχήμα του πυραύλου και για να καταφέρουν να το κάνουν αυτό με επιτυχία, συνήθως συνεργάζονται με την αντίστοιχη υπο-ομάδα των αεροδυναμικών. Τα μέλη της υπομάδας είναι αυτοί που πρέπει να κατανοήσουν και να υπολογίσουν το βάρος, την στοιβαρότητα και την δομική ακεραιότητα του πυραύλου που πρόκειται να κατασκευαστεί.

Ένας πύραυλος χωρίζεται σε δύο κύρια μέρη: το airframe και τα εσωτερικά του μέρη. Το πρώτο αποτελείται από το Nose Cone, τα fins και το airframe, με το airframe να περιέχει εσωτερικά , το motor bay, το Payload Bay, το Avionics Bay, το Recovery Bay και το GPS Bay.

Hyperion

Η σχεδίαση του Hyperion ξεκίνησε τον Φεβρουάριο του 2019 και διήρκεσε περίπου τρεις μήνες. Εκείνη την περίοδο η υποομάδα των κατασκευαστών έπρεπε να σχεδιάσει, πρώτα απ’ όλα τα μέρη του πυραύλου σε ένα λογισμικό 3D CAD, το SOLIDWORKS. Στη συνέχεια, τα επόμενα βήματα περιελάμβαναν την επιλογή των υλικών, την εκτίμηση του βάρους του μοντέλου και τη μέθοδο κατασκευής των δομικών μερών. Τα υλικά που επιλέχθηκαν για το κέλυφος, ήταν σύνθετα υλικά και για όλα τα εσωτερικά μέρη, αλουμίνιο 6061–Τ6. Ο λόγος που η υποομάδα χρησιμοποίησε σύνθετα υλικά ήταν ότι παρέχουν υψηλή αντοχή σε σχέση με το χαμηλό βάρος. Επιπλέον, τα στοιχεία αυτά αναλύθηκαν στατικά, κάτω από όλα τα επιβαλλόμενα φορτία κατά τη διάρκεια μιας πτήσης, ώστε να εξασφαλιστεί η στιβαρότητα του οχήματος, χρησιμοποιώντας το λογισμικό της εταιρείας BETA CAE, ANSA και MΕΤΑ.

omd5kgyktjdsppjbxwp1cigcqa-DSC_1030
Hyperion's aluminium parts

The team started designing the last Hyperion model back in February 2019 where the designing procedure lasted for about three months. In that period the structural sub-team had to design, first of all, the components of the rocket in a 3D CAD software, SOLIDWORKS. Then, the next steps included the materials selection, the model’s weight estimation and the manufacturing method of the structural components. The materials that were chosen were composite materials, for the airframe, and aluminum 6061 – T6, for all the internal parts. The reason the sub-team used composite materials was that they provide high strength for low weight. Additionally, for those components static analysis were conducted under all the imposed loads during a flight, to ensure the rigidity of the vehicle, using the software of BETA CAE Systems, ANSA and META.

Structural Sub-team during its work at the lab.

Ο εξωσκελετός του Hyperion αποτελείται από το κέλυφος, τα πτερύγια και το Nose Cone. Τα τρία αυτά μέρη σχεδιάστηκαν από την υποομάδα των κατασκευαστών του rocketry και τα πτερύγια και ο κώνος κατασκευάστηκαν εργαστήριο μας. Το βασικό συστατικό των fins είναι αφρός πολυουρεθάνης, που λειτουργεί σαν πυρήνας, ο οποίος στη συνέχεια επικαλύπτεται με 2 στρώσεις ανθρακονήματος. Στη συνέχεια, χρησιμοποιείται μία τρίτη στρώση ανθρακονήματος για τη σύνδεση των fins με το airframe του πυραύλου, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο tip-to-tip, δημιουργώντας έτσι μια στιβαρή σύνδεση. Για τη διαδικασία μορφοποίησης των υφασμάτων (lamination), η υποομάδα χρησιμοποίησε τη μέθοδο έγχυσης ρητίνης υπό πίεση (vacuum resin infusion). Προχωρώντας στο Nose Cone, το μέρος αυτό είναι κατασκευασμένο από τα μέλη της υποομάδας από fiberglass. Για την κατασκευή αυτού, η ομάδα ακολούθησε ξανά τη μέθοδο έγχυσης ρητίνης υπό πίεση, μόνο που σε αυτήν την περίπτωση χρησιμοποιήθηκαν δυο θηλυκά καλούπια απο MDF.

Fins of Rocket

Επιπρόσθετα, το σώμα του πυραύλου χωρίζεται σε δύο μέρη, τα οποία είναι συνδεδεμένα με αλουμίνιο. Το airframe είναι κατασκευασμένο από οκτώ στρώσεις ανθρακονήματος, σχεδιασμένα με τέτοιο τρόπο, ώστε να αντέξουν τα θλιπτικά και εφελκυστικά φορτία του κινητήρα και της απελευθέρωσης του αλεξίπτωτου αντίστοιχα. Στο εσωτερικό του σώματος του Hyperion, κάθε μέρος είναι προσδεμένο σε διαμορφωμένες πλάκες αλουμινίου, τα οποία συνδέονται στο airframe του σώματος. Τα δύο διαφράγματα που απαιτούν προσοχή στο σχεδιασμό είναι η εμπρόσθια πλάκα που συνδέεται ο κινητήρας (Motor Βulkhead) και η πλάκα του συστήματος ανάκτησης (Recovery Bulkhead). Το Motor Bulkhead είναι εκεί που είναι ασφαλισμένος ο κινητήρας του πυραύλου και δέχεται την δύναμη του κινητήρα, και στη συνέχεια, μεταφέρει το φορτίο στο airframe.

Από την άλλη πλευρά, το Recovery bulkhead πρέπει να αντέξει τα φορτία που παράγονται κατά τη διάρκεια της απελευθέρωσης των αλεξίπτωτων.

Από πλευράς αριθμών, το σώμα του πυραύλου έχει μήκος περίπου 2 μέτρα και εσωτερική διάμετρο 12.5 εκ. Τόσο ο σωλήνας όσο και ο κινητήρας έχουν σχεδιαστεί ώστε να αντέχουν μέγιστη ώση 2400N και το Recovery Bulkhead την δύναμη 1700N.

Pegasus


Επιπλέον, η ο μάδα μας έχει ήδη σχεδιάσει ένα νέο πύραυλο υψηλής ισχύος τον Pegasus. Καθώς ολοκληρώθηκε ο σχεδιασμός του Hyperion η ομάδα ήταν έτοιμη να συνεχίσει με τον Pegasus ο οποίος έχει συνολικό μήκος 2,5 μέτρα και βάρος 17 κιλά. 

Χρησιμοποιήθηκαν τρία tubes από ανθρακονήματα για να επιτευχθεί μια ευκολότερη συναρμολόγηση του πυραύλου ενώ τα εσωτερικά τεμάχια κατασκευάστηκαν κυρίως από Al6061 T6. Η εξωτερική διάμετρος των tubes είναι 149 mm και το πάχος ισούται με 2 mm. Επιλέχθηκαν τέσσερα fins από την υποομάδα των αεροδυναμικών πάχους 3,5 mm. Τα fins πρόκειται να
προσκολληθούν στον κάτω σωλήνα χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Tip to Tip, μια διαδικασία που χρησιμοποιήθηκε στον πύραυλο Hyperion.

Screenshot_1
FEM Analysis on Motor Bulkhead

Το nosecone πρόκειται να κατασκευαστεί από υαλόνημα λόγω του χαμηλότερου κόστους και της ικανότητας εκπομπής ραδιοκυμάτων σε σχέση με το ανθρακόνημα, καθώς έτσι εξυπηρετείται και η λειτουργικότητα του GPS. Η μέθοδος έγχυσης ρητίνης κενού θα εφαρμοστεί για την κατασκευή τους, χρησιμοποιώντας θηλυκά καλούπια από MDF. Στην κορυφή του nosecone θα συνδεθεί ένα μεταλλικό άκρο καθώς υπάρχει υψηλή συγκέντρωση εξωτερικών φορτίων. 

Η ομάδα μας λόγω του COVID-19 αποφάσισε να μην προχωρήσει στην κατασκευή του Pegasus, αν και αποτέλεσε ένα σημαντικό βήμα για τη διαδικασία σχεδιασμού, καθώς είχαμε την δυνατότητα να διορθώσουμε προβλήματα που προέκυψαν κατά τη διαδικασία κατασκευής του Hyperion.

Pegasus Rocket