Ο 29 χιλιοστών 122-G85 κινητήρας στερεού προωθητικού μας είναι εξ ολοκλήρου σχεδιασμένος από την υποομάδα του Propulsion. Ο στόχος του σχεδιασμού του ήταν η απόκτηση εμπειρίας με τον σχεδιασμό κινητήρων στερεού προωθητικού, την προετοιμασία και το σωστό χειρισμό του προωθητικού και τη δοκιμή κινητήρων. Οπότε, με τον πρώτο κινητήρα μας, καταφέραμε να αναπτύξουμε μία μεθοδολογία σχεδιασμού που μπορεί να ικανοποιεί τις απαιτήσεις της αποστολής για την οποία προορίζεται. Εντούτοις, λάβαμε αρκετή τεχνογνωσία η οποία θα είναι χρήσιμη στον σχεδιασμό επόμενων κινητήρων. Τα χαρακτηριστικά του κινητήρα μας είναι:
| Χαρακτηριστικά του 122-G85 SRM (Table 1) | |
| Συνολικό Βάρος Κινητήρα (Loaded Weight): | 320 g |
| Βάρος Προωθητικού (Propellant Weight): | 115 g |
| Συνολική Ώθηση(Total Impulse): | 122.1 Ns |
| Μέγιστη Ώση(Maximum Thrust): | 145.2 N |
| Μέση Ώση (Average Thrust): | 85.6 N |
| Ειδική ώθηση (Specific Impulse): | 108.1 s |
| Χρόνος Καύσης(Burntime): | 1.42 s |
| Κλάση Κινητήρα (Motor Class): | “G” |
| Combustion Characteristics (Table 2) | |
| Μέγιστη πίεση θαλάμου καύσης (Maximum Chamber Pressure): | 18.2 bar |
| Θεωρητική αδιαβατική θερμοκρασία φλόγας (Theoretical Adiabatic Flame Temperature)* = | 1297 oC |
*Σύμφωνα με την θερμοδυναμική ανάλυση στην μέγιστη πίεση μέσα στον εσωτερικό θάλαμο και σε συγκεκριμένο F/O ratio (λόγος Καυσίμου/Οξειδωτικού)
Μέρη του Κινητήρα Στερεού Καυσίμου:
Motor casing, Solid Propellant Grain, Inhibitor, Thermal Insulation, Nozzle, Igniter Casing Bulkhead, O-rings.
Το casing του κινητήρα είναι φτιαγμένος από κράμα αλουμινίου, το οποίο είναι πολύ ελαφρύ, και επιλέχθηκε για να αντέχει τις μεγάλες πιέσεις μέσα στον κινητήρα. Αυτό προστατεύεται από την θερμοκρασία και τα καυσαέρια που παράγονται με θερμική μόνωση.
Η προωθητική ΄ύλη μας (Propellant) αποτελείται από Νιτρικό Κάλιο (KNO3) το οποίο λειτουργεί ως οξειδωτικό και Σορβιτόλη (C6H14O6) ως καύσιμο. Η προωθητική ΄ύλη παίρνει μορφή μέσα σε κυλινδρικό καλούπι για να αποκτήσει την κατάλληλη γεωμετρία και μετά τοποθετείται μέσα στον σωλήνα. Η εξωτερική διάμετρος του καλουπιού χρησιμοποιείται ως inhibitor. Το inhibitor δεν επιτρέπει την καύση από την εξωτερική προς την εσωτερική διάμετρο του προωθητικού επιτρέποντας μας έτσι να καθορίζουμε πλήρως την εξέλιξη του ρυθμού καύσης και της πίεσης του θαλάμου. Η κυλινδρική γεωμετρία του grain οδηγεί σε ένα progressive Thrust v Time profile όπως μπορούμε να δούμε από το διάγραμμα παρακάτω. Αυτό σημαίνει πως η ώση αυξάνεται με τον χρόνο.
Το υπερηχητικό ακροφύσιο (nozzle) μας, που έχει γεωμετρία De Laval, είναι το πιο σημαντικό μέρος του κινητήρα γιατί η γεωμετρία του καθορίζει την ταχύτητα των αερίων που παράγονται, όπως και την πίεση μέσα στον θάλαμο καύσης. Ο σχεδιασμός του ακροφυσίου σχεδιάζεται με βάση τα δεδομένα συστατικά του προωθητικοί καθώς και την δεδομένη γεωμετρία του. Τα χαρακτηριστικά του είναι: 6mm διάμετρος λαιμού, 16mm διάμετρος εξόδου ακροφυσίου.
Για να αποφύγουμε την διαρροή καυσαερίων από τον κινητήρα χρησιμοποιούμε ένα o-ring σύστημα στεγανοποίησης.
Τελικά, για την κατάλληλη διαδικασία ανάφλεξης, ο pyrogen igniter και η σκόνη ανάφλεξης (ignition powder) τοποθετούνται κοντά στο upper bulkhead. Η σκόνη ανάφλεξης (ignition powder) που χρησιμοποιούμε είναι μπαρούτι (black powder).
Χειριζόμαστε την προωθητική ύλη, καθώς και το μπαρούτι με τα κατάλληλα μέτρα, σύμφωνα με κανονισμούς (Material Safety Datasheet | Safety Rules for Handling and Manufacturing Propellants and Explosives)
Στατικά Τεστ (Static Tests)
Πραγματοποιούμε στατικά τεστ τον κινητήρων για να επιβεβαιώσουμε τις θεωρητικές παραμέτρους επίδοσης του σχεδιασμού μας. Αυτές οι παράμετροι υπάρχουν στο Table 1. Όλες οι μετρήσεις μας έγιναν με μία loadcell διάταξη, ρυθμό αποθήκευσης δεδομένων 90 μετρήσεων το δευτερόλεπτο.
Μέχρι στιγμής έχουμε πραγματοποιήσει 22 στατικά τεστ, 18/22 με επιτυχία.
Τα αποτυχημένα τεστ οδήγησαν 2 φορές στην καταστροφή του loadcell και αναγκαστήκαμε να το ξαναφτιάξουμε. Αυτές οι αποτυχίες οφείλονταν σε ατέλειες του κινητήρα και συγκεκριμένα στο ότι ο inhibitor δεν είχε έρθει καλά σε επαφή με την επιφάνεια που καλύψαμε, την ύπαρξη ρωγμών στο προωθητικό που προήλθαν κατά την διάρκεια της μεθόδου παρασκευής του, της γεωμετρίας του προωθητικού αλλά και την μεγαλύτερη ποσότητα μπαρουτιού, που οδήγησε σε αυξημένη πίεση μέσα στον θάλαμο καύσης.
Με τα στατικά τεστ καταφέραμε να επιτύχουμε την αξιοπιστία και την επαναληψιμότητα των μετρήσεων, ενώ υπάρχει και συμφωνία με την θεωρητική μελέτη, αλλά και με την απόδοση του κινητήρα στις πτήσεις!
O επόμενος στόχος μας είναι η αύξηση της μάζας του προωθητικού και επομένως το scale up του κινητήρα μας, μια διαδικασία, όπου συμμετέχουν περισσότερες μεταβλητές και την καθιστούν αρκετά πολύπλοκη!
Ακολουθήστε το link για να δείτε το βίντεο του στατικού τεστ κινητήρα στερεού προωθητικού 29 mm 122-G85: https://youtu.be/WirxoaQVDS4
