ORION - Mała rakieta ze statecznikami kratowymi (Grid Fins)

[RDX]

Siema! To mój pierwszy oficjalny post więc się przy okazji przywitam Obserwowanie co robi SpaceX z kolejnymi SN sprawiło, że wróciłem zarówno do grania w Kerbal Space Program jak i interesowania się rakietami, zwłaszcza eksperymentalnymi. Od grudnia zeszłego roku chłonę wiedzę (Na stronie Ryśka Nakki robię już któreś okrążenie) i eksperymentuję z własnymi konstrukcjami. Powoli doposażam się też w sprzęt, pewnie niebawem będę brał się za konstrukcję hamowni, a i tokarka by się przydała... Stwierdziłem, że fajnie będzie się podzielić swoimi spostrzeżeniami i tak jak zazwyczaj unikam forów internetowych tak stwierdziłem, że się tu spróbuję wkręcić ze swoimi pomysłami

A teraz o rakiecie ORION i projekcie GRID

W necie jest bardzo mała, wręcz znikoma ilość informacji o zastosowaniu stateczników kratowych (kratownicowych) w skali modelarskiej. Brakuje mi zwięzłego opracowania o tym jak taki statecznik ma wyglądać, jakie są kryteria projektowe, ile powinien ważyć oraz jak zachowuje się w stosunku do zwykłego statecznika aby można to było jakoś sensownie zasymulować np. w open rocket. W ciągu ostatnich kilku miesięcy mojego researchu widziałem jedną, kiepsko udokumentowaną, konstrukcję na reddicie i to chyba tyle. Nie wiedziałem, że się tym zajmę więc nigdzie nie zapisałem linka i teraz już tego posta obawiam się nie odnajdę. Ale z opisu wynikało, że to działa, po prostu nie wiadomo do końca jak dobrze

Dotychczas stateczniki do rakiet wycinałem na laserze z 3 mm sklejki. Laser jest gdzie indziej niż mieszkam i któregoś dnia gdy chciałem zbudować kolejną rakietę okazało się, że nie mam już stateczników. Żeby nie czekać kilka dni stwierdziłem, że może by tak stateczniki wydrukować. Niestety wszystkie konwencjonalne projekty nie wyglądały sensownie jeśli chodzi o wagę i wymiary. Przypomniałem sobie tego redditowego posta i wziąłem się za projekt stateczników kratownicowych które były by łatwe do wydrukowania na każdej drukarce 3D, nie ważyły by dużo i w końcu odpowiedziały na pytanie czy to w ogóle ma sens.

Za szerokość przyjąłem średnicę korpusu rakiety (rurka elektroinstalacyjna PCV 25 mm), a długość na dwie średnice czyli 50 mm. Wysokość 5 mm + przedłużenie elementu mocowania dla zwiększonej wytrzymałości.

fusion.JPG (66.44 KiB) Przejrzano 5112 razy

W pierwszej chwili próbowałem wymodelować kratownicę przyjmując "oczko" na około 5 mm, ale poszedłem po rozum do głowy. Stworzyłem model z pełną częścią kratownicową i przez wyłączenie w slicerze drukowania górnych i dolnych warstw środek modelu idealnie wypełnił się kratką o grubości jednej linii filamentu i w pełni modyfikowalnym zagęszczeniu. Ustawiłem ostatecznie 20% gęstość i chwilę napawałem się jaki to ja nie jestem sprytny

slicer.JPG (93.23 KiB) Przejrzano 5112 razy

Wydrukowałem kilka sztuk, psując po drodze parę gnąc paluchami element montażowy (drukuje się tak szybko, że nie zdążył się schłodzić xD). Materiał to zwykłe PLA. Wydrukowałem od razu też czubek i zatyczkę z montażem silnika. Tak wyglądała gotowa rakieta z zamocowanym małym spadochronem. Po dociążeniu czubka i bez silnika waży 69 (chrum chrum ) gramów.

ORION 1.jpg (685.27 KiB) Przejrzano 5112 razy

Tu jeszcze detal montażu stateczników, są po prostu doklejone na "klej do plastiku" dragon - testuję sobie przy okazji różne kleje i ten jest ok do łączenia PLA z PCV na to wygląda bo nic nie odpadło:

FormatFactorymontaż stateczników detal.jpg (193.92 KiB) Przejrzano 5112 razy

Jeśli chodzi o parametry stateczników to waga zaskoczyła mnie najbardziej. Standardowy statecznik który dawałem do rakiet póki co ważył około 3-4 gramy. Waga pojedynczego statecznika z PLA to zaledwie 2 gramy.

FormatFactorystatecznik sklejkowy waga.jpg (373.1 KiB) Przejrzano 5112 razy

FormatFactorygridfin waga.jpg (390.18 KiB) Przejrzano 5112 razy

Szybka matematyka na "serwetce" - całkowita powierzchnia od góry gdyby statecznik był pełen to około 1198 mm^2 więc dla ułatwienia załóżmy, że mamy 1/5 tej powierzchni bo zastosowaliśmy 20% wypełnienia. Jest to zatem około 240 mm^2. Jeśli chcielibyśmy stworzyć statecznik o tej powierzchni ze sklejki o grubości 3 mm długość statecznika wyniosła by w tym momencie 80 mm. Pytanie teraz jak zasymulować to w open rocket? Opcje są według mnie dwie:

1. Przyjmujemy statecznik o standardowej grubości i długości wyliczonej przez podział powierzchni statecznika kratownicowego przez tą grubość, czyli dla mnie jeszcze raz: sklejka 3 mm, a zatem długość = 80 mm bo 240/3 = 80. Wysokość statecznika taka jak grid fin czyli 5 mm.

Wariant 1.JPG (38.39 KiB) Przejrzano 5112 razy

2. Zakładamy, że powierzchnia od góry nie jest kratownicą i umieszczamy na modelu "pełny" statecznik. Open rocket krzyczy że nie umie tego poprawnie zasymulować, a my godzimy się na symulację z mniej aerodynamicznym kształtem niż w rzeczywistości.

Wariant 2.JPG (144 KiB) Przejrzano 5112 razy

Prawda jest gdzieś po środku co wykazał start próbny z silnikiem Klima B4-4, taki sam silnik był w symulacji, jednak bardziej skłaniał bym się ku opcji nr 2.

Poczekałem (cierpliwie, bo prawie dwa tygodnie) na bezwietrzne popołudnie i udałem się na mój poligon doświadczalny modląc się aby tym razem rakieta nie wpadła do rzeki. Tak ORION prezentował się na wyrzutni, z "firmową" naklejką dodaną w ciągu dwóch tygodni wypełnionych smutkiem i oczekiwaniem:

FormatFactory1616256357851.jpg (668.34 KiB) Przejrzano 5112 razy

Lot przebiegł wyśmienicie. Problem z lontem w pierwszej próbie trochę mnie zraził, ale za drugim razem odpalenie silnika poszło prawidłowo. Rakieta poszła w górę prosto jak strzała, wpadając w rotację w swojej osi która prawdopodobnie dodała jej stabilności. Poniżej zdjęcie z drona z naniesioną trajektorią:

trajektoria.jpg (889.95 KiB) Przejrzano 5112 razy

Dron wisiał na 49m z kamerą ustawioną lekko w dół, wiec można założyć, że góra klatki oznacza mniej więcej tą wysokość. Przy tym założeniu możemy zgrubnie oszacować wysokość na podstawie filmu. Od początku ruchu do momentu opuszczenia kadru minęło 1,33 sekundy, następnie rakieta jest 2,58 sekundy poza kadrem. Odzysk odpala się w 0,32 sekundy po pojawieniu się rakiety z powrotem w kadrze. Jeśli założymy, że rakieta osiągnęła apogeum w 1/3 lotu poza kadrem to mamy wysokość około 80,7m.

Cieszy mnie, że rakieta powróciła w jednym kawałku na spadochronie

Lądowanie.JPG (33.51 KiB) Przejrzano 5112 razy

Nic nie uległo uszkodzeniu, więc w drugim locie przetestuję rakietę na silniku Klima C. Jestem ciekaw, czy mocniejszy silnik nie spowoduje jeszcze większej rotacji i w efekcie popsucia trajektorii. Podsumowując na tą chwilę: Jeśli zależy nam na upakowaniu jak największej powierzchni natarcia to statecznik kratownicowy lepiej w mojej opinii wykorzystuje zadaną objętość. Powierzchnia boczna statecznika kratownicowego jest przy tym mniejsza więc powinien (teoretycznie) mieć mniejszą tendencję do kładzenia na wiatr, zatem któryś z kolejnych testów powinien odbyć się w bardziej wietrznych warunkach. Jeśli rozkminimy poprawną symulację, to może być lekka alternatywa dla zwykłych stateczników do kolejnych stopni rakiet, bo można je w łatwy sposób uczynić składanymi bez zajmowania miejsca wewnątrz rakiety. I tym chciałbym uczynić projekt GRID więc zapraszam do wspólnego zgłębiania tematu.

P.S.1 - Jeśli miałbym być turbo naukowy to teraz powinienem oberwać z rakiety stateczniki, dociążyć tył 6 gramami ołowiu i puścić ją tak, ale chyba mi się nie chcę. Trzeba budować kolejne, większe modele na własnych silnikach, o których już niebawem...

P.S.2 - Nawrzucałem tyle fotek, że skończyły mi się chyba załączniki, więc jak ktoś potrzebuje pliki do fusion, STLe gridfinów albo jakichkolwiek elementów rakiety to udostępnię w kolejnych postach - śmiało pytać, będziem wrzucać!

[Bdabrowski]

Bardzo ciekawy pomysł, aż kusi zrobić coś takiego do mojej rakiety testowej 120mm żeby sprawdzić jak to się sprawdza w większej skali np. zamiast sterolotek. Gdzieś też w internecie widziałem takie stateczniki (chyba użyte były w jakiegoś typu pociskach kierowanych).

[Daniel]

Rosjanie używają takowych w rakietach powietrze-powietrze R-77, no i oczywiście SpaceX do stabilizacji podczas lądowania.
Te które mają być zastosowane w boosterze Starshipa będą potężne!

[RDX]

Tak, najczęściej stosowane są do rzeczy które spadają głównie dlatego, że łatwo nimi obrócić w czasie lotu z dużą prędkością. Mnie interesuje bardziej aspekt nieruchomych stateczników, aby można było dać jak najmniejsze do kolejnego stopnia rakiety tak jak jest to rozwiązane np. w soyuzie przy awaryjnym odstrzeleniu kapsuły - po bokach są dość spore i gęste stateczniki kratowe które stabilizują kapsułę gdy odlatuje od niebezpieczeństwa:


Bomby MOAB korzystają z tego typu stateczników do stabilizacji żeby leciały czubkiem w dół:


Chyba najbardziej inspirujące są pociski kierowane. R-77 wykorzystuje dodatkowo zwykłe stateczniki, ale już taka 3M-54 w wersji do przenoszenia na łodziach podwodnych ma dość małe, składane stateczniki tego typu i nic więcej:


Czyli można zrobić te stateczniki jeszcze mniejsze, a będą i tak działały