28
AIAA CONFERENCE 2017 University of Alabama Huntsville Concept Study of a Reusable Suborbital Launch Vehicle Benjamin Thompson Ma/hew Haskell Jared Fuchs William Hankins Presenters 1

Concept#Study#of#a#Reusable# …space.uah.edu/Publications/AIAA_Region2_2017/Conference...• Pass"the"Von"Karman"Line"(100km)." ... Receive# Free#Space#Path#Loss#(400#km) ... •

  • Upload
    vuanh

  • View
    214

  • Download
    2

Embed Size (px)

Citation preview

AIAA  CONFERENCE  2017   University  of  Alabama  Huntsville  

Concept  Study  of  a  Reusable  Suborbital  Launch  Vehicle  

Benjamin  Thompson  Ma/hew  Haskell  Jared  Fuchs  William  Hankins  

Presenters  

1  

AIAA  CONFERENCE  2017   University  of  Alabama  Huntsville  

MISSION  INTRODUCTION  

2  

ObjecHve:  Can  undergraduate  student  organizaHons  launch  payloads  to  space?  •  The  Reusable  Suborbital  Launch  Vehicle  (RSLV)  mission  has  

the  primary  inten>on  of  developing  a  space  capable  student  launch  vehicle.  

Principle  Constraints:  •  Pass  the  Von  Karman  Line  (100km).  

•  Affordable  by  student  funding  sources.  –  U>lize  commercially  available  systems/propellant  

•  Development  >meline  of  under  3  years.  –  Within  a  reachable  TRL  level  of  our  student  organiza>on  

AIAA  CONFERENCE  2017   University  of  Alabama  Huntsville  

MISSION  INTRODUCTION  

3  

SoluHon:  MulHdisciplinary  System  •  To  accomplish  the  mission  a  system  is  needed  that  can  

u>lize  two  major  student  systems:  Ballooning  and  Rocketry  

30  50  70  90  110  130  150  170  190  

210  

6  8  

10  12  

14  

206  

191  180  

170  161  

184  

165  

150  

138  128  

176  

159  

146  

135  126  

157  

143  

132  122  

114  

129  

117  107  

99  92  

120  

109  100  

92  86  

93  

82  73  

66  61  

96  

83  

74  67  

61  

81  

71  63  

58  53  

65  49  

47  65  

65  32  

17  15  

20  

Al<tud

e  (km)  

Balloon  Assisted  Rocket  Concept  •  Use  a  balloon  to  hoist  

an  op>mized  rocket  for  a  high  al>tude  launch  –  Removal  of  drag  forces  

–  Substan>al  increase  in  al>tude  gain  

–  Reduc>on  in  propellant  investment/design  

AIAA  CONFERENCE  2017   University  of  Alabama  Huntsville  

INTRODUCTION:  PAST  MISSION  HERITAGE  

4  

Project  Farside  •  USAF  research  for  high  al>tude  

sounding  missions  –  Launched  in  the  1950’s  –  4-­‐stage  solid  fuel  rocket  –  Es>mated  al>tude  740  km  

Project  HALO  (High  AlHtude  LiW-­‐Off)  •  Amateur  team  located  out  of  

Huntsville  –  Launched  in  1994  –  Single  stage  hybrid  rocket  –  Es>mated  al>tude  of  66  km   Project  Farside    

Launch  (leH)  and  Rocket  (right)  (h/p://www.whiteeagleaerospace.com/opera<on-­‐farside/)  

AIAA  CONFERENCE  2017   University  of  Alabama  Huntsville  

CONCEPT  OF  OPERATIONS  

5  

AIAA  CONFERENCE  2017   University  of  Alabama  Huntsville  

RSLV  SYSTEM  OVERVIEW  

6  

Heavy  Li`  Balloon  

Transi>on  Ring  Tether  Lines  

Transi>on  Ring  

Launch  Plaborm  Rocket  Booster  

*Not  to  scale  

Launch  Plaborm  Tether  Lines  

AIAA  CONFERENCE  2017   University  of  Alabama  Huntsville  

BALLOON  SYSTEM:  OVERVIEW  

7  

Heavy  LiW  Balloon  Two  op>ons  currently  exist  for  heavy  li`  balloons:  •  Super  Pressure  

–  Long  dura>on  balloon  –  More  efficient  –  Difficult  to  manufacture  

•  Zero  Pressure  –  Easier  to  manufacture  –  Requires  ballasts    

•  Both  types  of  balloons  will  sa>sfy  mission  requirements  

•  Al>tude  stability  (over  short  dura>on)  is  the  primary  concern  

 

Balloon  Performance  Graph  Source:  Springer,  Engineering  Fundamentals  of  

Balloons  

>100kg  Payload  ≈  2x102  m3    Balloon  Volume  

AIAA  CONFERENCE  2017   University  of  Alabama  Huntsville  

BALLOON  SYSTEM:  AVONICS    

8  

Mission  FuncHons  •  The  gondola  avionics  perform  the  crucial  func>on  of  tracking  the  

vehicle  during  ascent,  providing  real  >me  telemetry  data,  and  igni>ng  the  booster  upon  command  

Sensor  •  In  order  to  perform  these  func>ons,  a  variety  of  sensors  are  needed  

including  a  GPS,  pressure  sensors,  accelerometers,  and  gyroscopes  –  From  these  sensors,  a  go-­‐no-­‐go  decision  can  be  made  from  the  ground  sta>on  

before  booster  igni>on  CommunicaHon  •  For  in  flight  communica>on  a  Digi  Xbee  SX  radio  will  be  used.  The  

APRS  (Automa>c  Posi>on  Repor>ng  System)  will  be  available  for  redundancy  and  recovery  purposes  

Digi  Xbee  SX  Performance  Transmissio

n   Receive   Free  Space  Path  Loss  (400  km)   Ground  StaHon  Transmission  Req.  

30  dB   -­‐113  dB    (Low  Data  Rate)   143.6  dB   >30  dB  

AIAA  CONFERENCE  2017   University  of  Alabama  Huntsville  

BALLOON  SYSTEM:  OVERVIEW  

9  

Launch  Setup  •  Launch  plaborm  

tethered  to  transi>on  ring  

•  Transi>on  ring  interfaces  with  balloon  

•  Quan>ty  of  transi>on  ring  tether  lines  determined  by  balloon  gore  count  

•  Tether  line  length  TBD  by  balloon  burst  criteria  and  sway  

•  Plaborm  Material  :                6061-­‐T6  Aluminum    

AIAA  CONFERENCE  2017   University  of  Alabama  Huntsville  

BALLOON  SYSTEM:  HIGH  ALTITUDE  

High  AlHtude  IgniHon  •  Objec>ves    

–  Keep  electronics  warm  and  func>onal  –  Keep  motor  warm  

•  Commercial  rocket  propellants  need  to  be  kept  above  0F  to  reliably  ignite  –  Adverse  affects  include  low  burn  rate  and  grains  suscep>ble  to  cracking  

•  Current  considera>ons  include  –  E-­‐matches  –  Thermite  –  Head  End  Igniter  Grain  

•  Further  research  necessary    

10  

AIAA  CONFERENCE  2017   University  of  Alabama  Huntsville  

ROCKET  BOOSTER:  OVERVIEW  

11  

Airframe  •  Carbon  fiber  body  tubes,  0.1524  meters  (6  in.)  in  diameter  •  Minimum  diameter  rocket  design  •  Aoaching  fins  via  fin  can  system  •  Fiberglass  nose  cone,  Von  Karman  profile,  aluminum  nose  >p  with  

threaded  rod  Propulsion  •  Pro150  O-­‐8000  solid  fuel  motor  Recovery  System  •  Single  drogue  chute,  0.2  meter  diameter  •  Three  primary  parachutes,  0.6  meter  diameter  Payload/Avionics  •  Avionics  in  nose  cone  to  make  radio  transmission  easier    

v  (cannot  transmit  through  carbon  fiber)  •  Antennas  will  be  placed  as  necessary  •  Payload  will  go  inside  of  fiberglass  coupler  

AIAA  CONFERENCE  2017   University  of  Alabama  Huntsville  

ROCKET  BOOSTER:  OVERVIEW  

12  

AIAA  CONFERENCE  2017   University  of  Alabama  Huntsville  

•  Plan  to  conduct  compression  tests  on  all  components  of  the  rocket  once  they  are  made  •  Es>mated  max  compressive  strength  of  standard  carbon  fiber  composite  tubing:  

5.70  x  108  N  /  m2  (82,671.5  psi)  (hop://www.performance-­‐composites.com/carbonfibre/mechanicalproper>es_2.asp)  

ROCKET  BOOSTER:  MATERIAL  ANALYSIS  

13  

Airframe  Analysis  

EquaHon   Variables   Result  

F  =  ma   •  m  =  47  kg    •  a  =  310  m  /  s2   14,570  N  

Cross  Sec<onal  Area  =    π(r21  –  r22)  

•  π  =  3.14159  •  r21  =  0.00581  m2  •  r22  =  0.00605  m2  

0.000754  m2  

σnormal  =  F  /  Surface  Area  •  F  =  14,570  N  •  Surface  Area  =  0.000754  m2   19,323,607  N  /  m2  

Safety  Factor  x  σnormal  •  Fnormal  =  19,323,607  N  /  m2  •  Safety  Factor  =  20  

386,472,149  N  /  m2  (56,053  psi)  

AIAA  CONFERENCE  2017   University  of  Alabama  Huntsville  

ROCKET  BOOSTER:  FIN  FLUTTER  

•  Equa>ons  created  in  excel  spreadsheet  with  the  help  of  Davis  Hunter  •  Calculated  at  100,000  feet  (30  km)    

14  

Fin  Flueer  Analysis  

EquaHon   Variable   Result  

Aspect  Ra<o  (AP)  =  Span2  /  Area   •  Span  =  6  in.  •  Area  =  36  in.2   1  

Taper  Ra<o  (TP)  =  Tip  Length  /  Root  Chord  Length  

•  Tip  Length  =  3  in.  •  Root  Chord  Length  =  9  in.   0.333  

x  =  {  39.3(AP)3  }  /  {  (Fin  Thickness  /  Root  Chord)3  *  (AP  +  2)  }  

•  AP  =  1  •  Fin  Thickness  =  0.0625  in.  •  Root  Chord  =  9  in.  

39,116,390  

y  =  {  Air  Pressure(Al<tude)  /  Air  Pressure(Sea  Level)  }  *  {  (TP  +  1)  /  2  }  

•  Air  Pressure(A)  =  0.162  psi  •  Air  Pressure(S)  =  14.7  psi  •  TP  =  0.333  

0.007347  

Flu/er  Velocity  =  (Speed  of  Sound  *  Shear  Modulus)  /  (x  *  y)  

•  Speed  of  Sound  =  968  `.  /  s  •  Shear  Modulus  =  7,830,000  psi  •  x  =  39,116,390  •  y  =  0.007347  

26,374  `.  /  s  

%  =  (Max  Velocity  /  Flu/er  Velocity)  *  100   •  Max  Velocity  =  1,165  `.  /  s  •  Fluoer  Velocity  =  26,374  `.  /  s   4.42  %  

AIAA  CONFERENCE  2017   University  of  Alabama  Huntsville  

ROCKET  BOOSTER:  AVONICS  

15  

FuncHons  •  The  rocket  avionics  are  limited  compared  to  the  balloon  avionics  with  

its  only  func>on  to  ini>ate  de-­‐spin  and  deploy  the  parachutes  –  During  por>ons  of  booster  flight,  GPS  al>tude  determina>on  is  not  available  

due  to  speed  and  al>tude  locks  •  In  order  to  determine  al>tude,  dead  reckoning  will  be  used  with  data  

coming  from  three  accelerometers  and  gyroscopes  –  Early  avionics  simula>ons  show  that  error  for  this  process  will  fall  under  2%    

CommunicaHon  •  Ideally,  the  rocket  will  remain  in  contact  with  the  ground  sta>on  

throughout  the  flight,  however  no  remote  commands  will  occur  •  Digi  Xbee  SX  radio  has  enough  range  for  use  in  the  booster  system  

–  Antennas  will  be  placed  as  necessary  to  maintain  LOS  with  ground  during  spinning  

AIAA  CONFERENCE  2017   University  of  Alabama  Huntsville  

RSLV  SIMULATION  DEVELOPMENT  

16  

Six  Degree  of  Freedom  SimulaHon  •  To  evaluate  performance  of  the  RSLV  at  high  

al>tude  a  custom  simula>on  was  created  to  answer  the  following    –  Stabiliza>on  at  low  density  –  Drag    with  changing  density  

SimulaHon  Environment  •  MATLAB  Simulink  

–  Numerical  integra>on  for  solu>ons  to  ODE’s  Primary  Physics  Considered  •  Drag/Li`  Forces  

–  Barrowman  formula>ons  with  extensions  for  compressible  flow  (Prandtl-­‐Glauert  approxima>on)  

–  Small  angle  approxima>ons  •  Damping  Forces  

–  Barrowman  formula>ons  and  custom  deriva>ons  •  Angular  Moments  

–  Euler  equa>ons  for  ridge  body  dynamics  (along  principle  axes  of  iner>a)  

Compute  forces/moments  in  

rocket  body  frame  

Translate  resul>ng  accelera>ons  into  flat  earth  frame  

Add  gravity  (defined  in  earth  

frame)  

Numerically  integrate  for  posi>on  

 (earth  frame)  

SimulaHon  Flow  

AIAA  CONFERENCE  2017   University  of  Alabama  Huntsville  

RSLV  MISSION  PERFORMANCE  ANALYSIS  

17  

Trajectory  SimulaHons  •  The  6-­‐DOF  simulator  is  applied  to  determine  the  forces  and  al>tude  gains  

for  the  RSLV  at  desired  flight  al>tudes  

IniHal  AlHtude   Mass   Max  Velocity   Max  AcceleraHon   Max  Q   Apogee   Time  to  Apogee  

25  km   44  kg   1160  m/s   305  m/s2   25880  N/m2   92.3  km   125  s  

30  km   44  kg   1165  m/s   310  m/s2   13960  N/m2   100  km   125  s  

35  km   44  kg   1168  m/s   312  m/s2   7504  N/m2   107  km   125  s  

ImplicaHons  •  Flight  Al>tude  should  be  around  30km  for  best  performance  to  

engineering  challenge  •  Intended  vehicle  can  reach  space  •  Mass  op>miza>on  is  cri>cal  

O-­‐8000  Motor  Data  Max  Thrust   Impulse   Isp   Burn  Time   Casing  Mass   Propellant  Mass  8034  N   40960  Ns   224  s   5.1  s   14.06  kg   18.61  kg  

AIAA  CONFERENCE  2017   University  of  Alabama  Huntsville  

RSLV  BOOSTER  STABILITY  ANALYSIS:  SPIN  STABILIZATION  

18  

High  AlHtude  StabilizaHon  •  It  was  iden>fied  early  on  that  spin-­‐stabiliza>on,  if  possible,  was  the  preferred  method  •  6-­‐DOF  simula>ons  were  run  to  iden>fy  its  performance  

–  A  simulated  thrust  misalignment  of  0.1o    was  applied  during  burn  across  varying  fin  cants  to  achieve  different  roll  rates  

–  0.34o  fin  cant  obtains  a  3  Rev/s  roll  

De-­‐Spin    •  To  safely  deploy  the  recovery  system  the  rocket  will  need  to  be  de-­‐spun,  this  will  be  done  using  a  standard  

yo-­‐yo  de-­‐spin  mechanism  

IniHal  Roll  Rate   Final  Roll  Rate   Un-­‐stretched  Length   Spring  Constant   Mass  180o  /s   1o  /s   0.4  m   233  N/m   0.263  kg  360o  /s   1o  /s   0.4  m   1882  N/m   0.265  kg  720o  /s   1o  /s   0.4  m   15121  N/m   0.266  kg  

radians  

radians  

radians  

meters  

meters  

meters  

AIAA  CONFERENCE  2017   University  of  Alabama  Huntsville  

RSLV  RECOVERY  SYSTEM  ANALYSIS:  BOOSTER  

19  

System   Deploy  AlHtude   Diameter   Chute  Lines   Max  Line  Tension   Max  Pressure  

Drogue  (x1)   100  km   0.2  m   5   165  N   13140  N/m2  

Primary  (x3)   4  km   0.6  m   10   378.9  N   744  N/m2  

Landing  Velocity   Max  Velocity   Max  AcceleraHon   DriW  9.96  m/s   997  m/s   402  m/s2   61.9  km  

Recovery  SimulaHons  •  Wind  data  from  the  Black  Rock  launch  site  is  used  

AIAA  CONFERENCE  2017   University  of  Alabama  Huntsville  

RSLV  RECOVERY  SYSTEM  ANALYSIS:  GONDOLA  

20  

Recovery  SimulaHons  •  Wind  data  from  the  Black  Rock  launch  site  is  used  

System   Deploy  AlHtude   Diameter   Chute  Lines   Max  Line  Tension   Max  Pressure  

Primary  (x1)   30  km   1.5  m   10   19.96  N   113  N/m2  

Landing  Velocity   Max  Velocity   Max  AcceleraHon   DriW  10.0  m/s   62.9  m/s   1  m/s2   51.6  km  

AIAA  CONFERENCE  2017   University  of  Alabama  Huntsville  

RSLV  BALLOON  DRIFT  ANALYSIS  

21  

Balloon  DriW  SimulaHons  •  Wind  data  from  the  Black  Rock  launch  site  is  used  to  consider  the  balloon  dri`  

Apogee   Ascent  Velocity   DriW  

30  km   3.0  m/s   20.6  km  

AIAA  CONFERENCE  2017   University  of  Alabama  Huntsville  

RSLV  SCALE  TESTING  

22  

Scale  TesHng  ObjecHves  With  a  limited  budget  (under  $100)  we  want  to  address  several  big  ques>ons:  •  Test  launch  gondola  and  rail  design  

–  Is  the  two  short  rails  enough  for  a  stable  ground  launch?  

•  Balloon  assembling  /  manufacturing    –  Iden>fy  unforeseen  challenges  in  crea>ng  a  custom  balloon?  

•  Balloon  puncture  method  –  Will  the  rocket  puncture  the  balloon  at  low  speeds?  

•  Gondola  launch  stability  –  How  will  the  gondola  and  balloon  respond  to  rocket  thrust?  

AIAA  CONFERENCE  2017   University  of  Alabama  Huntsville  

RSLV  SCALE  TESTING:  ROCKET  

23  

Scale  Launch  Plaborm  /  Rocket   Launch  Guide  Close-­‐up  

Scale  Rocket  Design  •  Minimum  diameter  model  rocket  •  C-­‐6  Motor    •  Loaded  Mass:  50g  

Scale  Gondola  Design  •  3-­‐D  printed  frame  •  Mass:  100g  46.6cm

 

Launch  Guide  

Launch  Rail  

Blast  Shield  

2.48cm  

10.28cm  

Carbon  Fiber  Rail  

AIAA  CONFERENCE  2017   University  of  Alabama  Huntsville  

RSLV  SCALE  TESTING:  BALLOON  

24  

Heat  Seal  Close-­‐up  

Scale  Balloon  Design  •  Pumpkin  Shape  •  9  Gores  •  Polyethylene  (0.7  mil)  •  Custom  heat  sealing  •  Volume:  9.63  m3  

55.88cm  

91.44cm  

Gore  Seals  

AIAA  CONFERENCE  2017   University  of  Alabama  Huntsville  

RSLV  SCALE  TESTING:  SHROUD  LINES  

25  

Indoor  Fill  TesHng  •  4  Ground  tether  lines  (3.0m)  •  4  Gondola  hoist  lines  (2.1m)  •  Connected  to  balloon  gores  at  circumference  •  Mass:  170  g  

Gondola  Hoist  Lines  Tether/Hoist  Line  

ConnecHons  

AIAA  CONFERENCE  2017   University  of  Alabama  Huntsville  

RSLV  SCALE  TESTING:  RESULTS  

26  

Scale  Flight  Results  •  Two  aoempts  made,  both  unsuccessful  due  to  weather  and  balloon  issues    – Winds  greater  then  1  m/s  prevented  balloon  alignment  – Micro-­‐holes  in  balloon  leaked  helium  on  flight  line  

Lessons  Learned  •  Balloon  manufacturing  techniques  

–  Several  methods  tried  and  improvements  made  on  each  aoempt.  

–  Significant  progress  in  tes>ng  balloon  shroud  line  design  •  Gondola  Launch  Plaborm  

–  Sta>c  ground  tests  of  the  model  rocket  launched  from  the  plaborm  successful.  

AIAA  CONFERENCE  2017   University  of  Alabama  Huntsville  

CONCLUSION  

27  

Student  Suborbital  Launch  Vehicle  Possible?    •  Ini>al  research  and  development  has  shown  that  a  balloon  launched  rocket  system  has  the  poten>al  to  be  an  amateur  suborbital  launch  vehicle  –  Commercial  systems  can  be  used  to  achieve  mission  goals  – Design  is  within  developmental  reach  of  a  student  organiza>on  

Future  Plans  •  Pursue  funding  for  full  mission  development  •  Refine  simula>ons  •  Scale  tes>ng  

AIAA  CONFERENCE  2017   University  of  Alabama  Huntsville   28  

QuesHons?