Sirius Vs I Class: Τα δυο τελευταια R&D projects του Rocketry Department!

Πέραν των πολλών αποστολών που φέρνει εις πέρας η ASAT κάθε χρόνο, ένας από τους στόχους του Rocketry Department είναι η ανάπτυξη καινοτόμων projects, τα οποία στηρίζονται σε προηγμένη τεχνολογία. Ένα από αυτά είναι η ενεργή ενασχόληση με τον σχεδιασμό και την κατασκευή κινητήρων πυραύλου στερεού προωθητικού όπως ο I-Class και ο Sirius.

Ποιες όμως είναι οι κύριες διαφορές μεταξύ των δύο τελευταίων Propulsion R&D Projects της ASAT?

Η Αποστολή των Κινητήρων
Κάθε κινητήρας έχει διαφορετική αποστολή. Ενώ και οι δυο κινητήρες έχουν κοινούς στόχους όπως οι επιτυχημένες στατικές δοκιμές, η προσέγγιση σημείου λειτουργίας και το validation, η ομάδα χρησιμοποίησε τον I-Class πειραματικά ώστε να αποκτήσει τεχνογνωσία στους Solid κινητήρες. O Sirius θα χρησιμοποιηθεί σε High Power Rocket της ASAT o οποίος θα εκτοξευθεί στα 3000 m στον επερχόμενο διαγωνισμό EuRoC 2022 στο Ponte de Sor της Πορτογαλίας.

Βάσεις Πορείας Σχεδιασμού
Όσο το Rocketry Department προχωρούσε στον σχεδιασμό του Sirius βασίστηκε ιδιαίτερα στα πρότυπα της πυραυλικής και στους κανονισμούς των διαγωνισμών ενώ το συνεχές feedback των εμπειρογνώμων δεν έλειψε κατά την διάρκεια κατασκευής του. Στη συνέχεια στις βάσεις του σχεδιασμού του Sirius προστέθηκαν η εμπειρία Sub-Scale κινητήρων και η ανάλυση.

Χημική Σύσταση Στερεού Προωθητικού
Κοινό χαρακτηριστικό των δύο κινητήρων I-Class και Sirius δεν μπορεί παρά να είναι η χημική σύσταση του στερεού προωθητικού:

Νιτρικό Κάλιο → Οξειδωτής 65% → Παροχή Μορίων Οξυγόνου για την Διεξαγωγή της Καύσης

Σορβιτόλη → Καύσιμο 35% → Παραγωγή Ώσης

Η συγκεκριμένη αναλογία προσφέρει μέγιστη απόδοση και διευκολύνει την παρασκευή.
Με την εξίσωση καύσης να αποτελεί:

5O₂ + 4KNO₃ + 2C₆H₄O₆ -> 12CO₂ + 4H₂O + 2N₂ +2K₂CO₃

Χαρακτηριστικά Απόδοσης
Στον παρακάτω πίνακα φαίνονται τα χαρακτηριστικά απόδοσης κάθε κινητήρα σχεδιασμένου και κατασκευασμένου από το Propulsion Subsystem του Rocketry Department της ομάδας.

Τμήματα του Κινητήρα

Casing: Πρόκειται για τον μεταλλικό θάλαμο καύσης του κινητήρα. Ο κύριος ρόλος του είναι να φιλοξενεί και να αντέχει την διαδικασία της καύσης, επομένως είναι ένα από τα πιο κρίσιμα εξαρτήματα. Αποτελεί την κύρια δομή του κινητήρα στην οποία συναρμολογείται κάθε άλλο εξάρτημα.

Θερμική Μόνωση:

Liner: Είναι το πρώτο στρώμα στο εσωτερικό του μεταλλικού θαλάμου. Ο κύριος ρόλος του είναι να απορροφά σημαντικές θερμικές καταπονήσεις, ώστε να προστατεύει τον θάλαμο και να τον καθιστά επαναχρησιμοποιήσιμο. Επίσης γεμίζει τυχόν κενά μεταξύ του στερεού προωθητικού και του θαλάμου, ώστε να αποφεύγονται τυχόν απώλειες πίεσης.  

Inhibitor: Είναι το δεύτερο στρώμα στο εσωτερικό του θαλάμου καύσης το οποίο συνδέεται με το στερεό προωθητικό. Είναι το καλούπι του ρευστού προωθητικού υλικού κατά τη διαδικασία casting, παραγωγής καυσίμου. Ο κύριος ρόλος του είναι να περιορίζει τις επιφάνειες καύσης των στερεού καυσίμου και να προσφέρει δομική ακεραιότητα στα επιμέρους τμήματά του. Επίσης, προσφέρει επιπλέον προστασία όσον αφορά τις θερμικές τάσεις που μεταφέρονται από την καύση στον θάλαμο. 

Igniter → Πυροκροτητής. Αποτελεί το μέσο το οποίο δίνει εκκίνηση στην διαδικασία της καύσης. Τοποθετείται στο άνω άκρο του κινητήρα και μέσω ρεύματος, πυρακτώνεται η αντίσταση του εκτοξεύοντας κατευθυνόμενες σπίθες. Με αυτόν τον τρόπο, δίνεται έναυση στον κινητήρα μέσω της μετάδοσης των θερμών καυσαερίων κατά μήκος του κινητήρα, ξεκινώντας από το άνω άκρο.

Propellant Grain → Στερεό Προωθητικό. Αποτελεί το στερεό προωθητικό του κινητήρα. Είναι κυλινδρικής μορφής με εσωτερικό κυλινδρικό πυρήνα. Οι διαστάσεις και ο αριθμός των τμημάτων λαμβάνουν συγκεκριμένες τιμές οι οποίες καθορίζουν την απόδοση του κινητήρα. Τα στερεά προωθητικά παράγονται με την διαδικασία του casting όπου υπάρχει έγχυση των ρευστών συστατικών σε καλούπι. Εκεί στερεοποιούνται τα καύσιμα υπό συμπίεση και προκύπτει το τελικό προωθητικό μέσω της διαδικασίας ξεκαλουπώματος.

Nozzle → Είναι ένα από τα σημαντικότερα τμήματα του κινητήρα. Ο κύριος ρόλος του είναι αρχικά η υποηχητική και στη συνέχεια η υπερηχητική εκτόνωση των θερμών καυσαερίων. Έτσι επιτυγχάνεται η παραγωγή της ώσης με βάση τον 3ο Νόμο του Newton. 

Στατική Δοκιμή Κινητήρα

Δημιουργήθηκαν οι πειραματικές διατάξεις των κινητήρων πάνω στις οποίες θα λάβουν χώρα οι δοκιμές. Στον I-Class υπήρξε μέτρηση Προωθητικής Δύναμης και Θερμοκρασίας ενώ στον Σείριο προστέθηκε η μέτρηση Πίεσης. Η πειραματική διάταξη του Σείριου μπορεί να λάβει ευθυγράμμιση του κινητήρα σε οποιαδήποτε διεύθυνση. Πρόοδος υπάρχει και στα ηλεκτρονικά του κινητήρα καθώς δημιουργήθηκε αντίστοιχο PCB για να στελεχώσει τις στατικές δοκιμές. Οι πειραματικές διατάξεις μπορούν να τοποθετηθούν οριζόντια αλλά και κατακόρυφα έτσι ώστε οι κινητήρες να δοκιμαστούν και στις δύο διευθύνσεις, εξάγοντας κατά αυτόν τον τρόπο την ροή μάζας από το ακροφύσιο.

Στόχοι
Το Propulsion Subsystem έθεσε διαφορετικούς στόχους που πρέπει να πετύχει ο κάθε κινητήρας.

Ο κινητήρας I-Class σχεδιάστηκε για να εξυπηρετεί τρεις βασικούς στόχους. Να μετρήσει την παραγόμενη δύναμη και την θερμοκρασία ενώ παράλληλα να γίνει η επικύρωση πειραματικών μετρήσεων με τα θεωρητικά μεγέθη. Δεν προορίζεται για χρήση σε πύραυλο.

Ο κινητήρας Sirius ομοίως στοχεύει με τον I-Class μετρώντας επιπλέον την πίεση στο εσωτερικό του θαλάμου καύσης. Ωστόσο, μεγάλο στόχο του κινητήρα αποτελεί η χρήση σε πύραυλο Υψηλής Ισχύος της ομάδας και συγκεκριμένα της Andromeda με την οποία συμμετέχουμε στον EuRoC 2022.

Το κεφάλαιο του I-Class ήταν μεγάλο και σημαντικό για εμάς. Μέχρι στιγμής ο I-Class δοκιμάστηκε 11 φορές, στην Αερολέσχη των Σερρών, έχοντας συνολικά 9 επιτυχημένες δοκιμές. Ο I-Class μας έδωσε τεράστια εμπειρία έτσι ώστε να λάβει σειρά ο Sirius με τον οποίο θέλουμε να συμμετέχουμε εξ’ολοκλήρου στους επερχόμενους διεθνείς και ευρωπαϊκούς διαγωνισμούς πυραυλικής, κάτι το οποίο μέχρι σήμερα καμία ελληνική ομάδα δεν έχει πετύχει. Ο Sirius έχει σκοπό να ανυψώσει την Andromeda σε ένα απόγειο 3 km και η αποστολή του αποτελεί μια από τις πιο ενδιαφέρουσες προκλήσεις που εχει αντιμετωπίσει το Rocketry Department!