Hipersonal czyli rakieta naddźwiękowa
Projekt Hipersonal zrodził się w wyniku dyskusji na forum pirotechnicznym w styczniu 2004 roku. Zastanawiano się wówczas nad możliwością osiągnięcia prędkości naddźwiękowych przez amatorskie rakiety. Większość uważała to za mało realne, ale teoretycznie udowodniono, że jest to możliwe.
ZAŁOŻENIA PROJEKTU HIPERSONAL, czyli Hipersoniczny Aparat Latający (nazwa zaproponowana przez KSarda) były następujące:
- Będzie to rakieta, która pokona barierę dźwięku.
- Napęd, to silnik o masie paliwa 300 gram i masie korpusu 300 gram (razem 600g).
- Masa startowa rakiety max. 1400 gram ( sam model bez silnika o wadze do 800g).
Niezbędne wyliczenia oraz projekt rakiety wykonał KSard.
Dane wyjściowe do projektu:
Ciężar rakiety bez paliwa[kg]: 0.80
Średnica rakiety [mm]: 55.00
Współczynnik oporu aerodynamicznego: 0.35
Czas pracy silnika [s]: 1.00
Ciężar paliwa [kg]: 0.30
Impuls właściwy paliwa [s]: 230.00
Impuls całkowity silnika [Ns]: 677.30 (Klasa J)
Teoretyczne parametry lotu rakiety naddźwiękowej HIPERSONAL:
Start z wyrzutni o długości minimum 2.00 m
Kąt startu nie mniejszy niż 85 [º]
Maksymalne wartości:
- Maksymalna prędkość lotu: 624.2441 [m/s]
- Maksymalne przyspieszenie: 647.5499 [m/s2]
Do przeanalizowania i wykonania były następujące “krytyczne” elementy rakiety:
- korpus silnika o masie do 300 gram i wytrzymałości do 100 atm;
- dysza do osiągania prędkości naddźwiękowej;
- paliwo rakietowe o ISP około 220;
- korpus rakiety – rura kompozytowa fi 50×1,5 mm, L=1000 mm zespolona ze statecznikami
- zespół odzysku – spadochron + mechanizm wyzwalający
- układ (najpewniej elektroniczny) pozwalający na pośrednie lub bezpośrednie wyznaczenie szybkości rakiety
- głowica – minimalizująca opory powietrza
- kamera pokładowa filmująca przebieg lotu z pokładu
Początek prac
W lutym 2004 roku do projektu przystąpił Paul, oferując wykonanie głowicy oraz korpusu rakiety. Dwuczęściowy kadłub wykonany został metodą warstwową z zastosowaniem balsy i laminatu epoksydowo szklanego. Całość została poddana szlifowaniu na specjalnej maszynie Paula, dzięki czemu uzyskano elementy niezwykle wytrzymałe i o idealnej geometrii.
Dane techniczne głowicy:
- Kształt: ostrołuk
- Długość: 300 mm
- Długość złączki: 50 mm
- Część widoczna głowicy: 250mm
- Ciężar głowicy: 71g
- Materiał: Styrodur + 0,8mm laminat szklany
Napęd
Wykonania silnika podjął się Pinot.
Przystępując do wyboru paliwa zakładano, że powinno być to paliwo kompozytowe na bazie nadchloranu amonu lub jego kombinacji z azotanem amonu. Lepiszczem zaś poliuretan lub inny elastyczny polimer uniemożliwiający pękanie ziarna w czasie spalania. Przeprowadzone zostały testy paliw zawierających nadchloran amonu – przy dużym stopniu rozdrobnienia paliwa te miały tak duża szybkość spalania, że próby przy zacisku w granicach Kn=100-200 dały za każdym razem CATO. Ostatecznie zadecydowano, że lepiszczem do paliwa APAN-4 zostanie lepiszcze poliuretanowe w postaci czystej bądź z dodatkiem do 25% ftalanu dibutylu. Poliuretanem jest elastomer poliuretanowy o bardzo niskiej lepkości (do 1000 mPas) ułatwiającej mieszanie stałych składników z lepiszczem. Odgazowanie składników przy takim lepiszczu nie jest konieczne.
Testy
Pierwsza próba rakietowa w ramach projektu odbyła się 4 lipca 2004 roku i zapoczątkował ją lot modelu KSarda o nazwie HTest ( skrót: Hipersonal Test).
- Masa startowa 1130 g
- Wysokość całkowita 1180 mm
- Średnica 52 mm.
Rakieta TEST 1H – wykonała nie do końca udany lot. Zawiódł układ odzyskiwania – zadziałał zbyt późno i spadochron na skutek dużych sił aerodynamicznych uległ uszkodzeniu.
Dzięki przeprowadzonej próbie ujawniły się najbardziej pilne problemy, które wówczas jeszcze należało rozwiązać:
- Elektroniczny układ do odpalenia spadochronu.
- Konstrukcja samego spadochronu a szczególnie:
- zwijanie spadochronu
- dobór odpowiednich linek
- zamocowanie spadochronu do rakiety
- zabezpieczenie linki mocującej przed gorącymi spalinami lad. miotającego.
- wielkość spadochronu
- ewentualnie spadochron wstępny(pomocniczy) oraz główny
- ilość ładunku miotającego
W ramach projektu HIPERSONAL w czerwcu 2005 roku na Pustyni Błędowskiej przeprowadzono kolejne testy z rakietą HTest3. Tym razem głównym zadaniem było sprawdzenie nowego układu elektronicznego do odzyskiwania rakiet. Układ opracował i wykonał Andrzej (Jaskiniowiec).
Pomysł systemu magnetycznego przywędrował z Niemiec, gdzie tamtejsi modelarze stosowali w rakietach układ typu Denta-Mag.
Układ zasilany z baterii 6F22 umożliwiał uruchomienie dwóch układów spadochronowych – pilot + spadochron główny metodą pirotechniczną.
Testy układu wypadły pozytywnie. Rakieta startowała dwukrotnie i każdorazowo układ uruchamiał spadochron.
Więcej na temat układu >>> tutaj
Paliwa KSarda
Niezależnie od prac nad napędem do rakiety naddźwiękowej prowadzonych przez Pinota, swoje badania prowadził także KSard. Opracował on kilka kompozycji paliwowych opartych na nadchloranie amonu takich jak: Blue Angel, SRB10 czy Red Devil.
Pierwszym znaczącym sukcesem było udane wykorzystanie paliwa Blue Angel w silniku SR 118. W marcu 2006 roku wykonano udany test silnika, który zawierał 100 g paliwa w korpusie z rury PVC.
Silnik wykonany na bazie rury i złączek PVC 1″ i składał się z 3 segmentów z kanałem 10 mm. Na początku maja 2006 roku udanie także zakończyły się próby naziemne z paliwem. Pomyślny przebieg testów z paliwem wysokoenergetycznym BLUE ANGEL dawały nadzieję na zrealizowanie projektu HIPERSONAL z wykorzystaniem silnika własnej konstrukcji klasy J. Silnik ten miał być zbudowany w technologii PVC z wykorzystaniem rury 1 1/4″. Składać się miał z 8 segmentów paliwowych o łącznej masie 400g paliwa BA. Konstruktor wówczas napisał:
„Zapewni on niezbędną siłę do nadania rakiecie prędkości powyżej 1Ma. Aby to osiągnąć, masa startowa modelu nie może przekroczyć 2,1 kg. Wykorzystując do tego celu części składowe modelu wykonanego przez Paula jest to możliwe. Cel wydaje się bardzo realny do osiągnięcia, tym bardziej, że mamy świetny i sprawdzony układ elektroniczny Jaskiniowca UUWS. Jedynym problemem będzie miejsce startu. Planowana wysokość lotu wyniesie 2000m i powinna być osiągnięta po upływie 17 sek. Rakieta poruszać się będzie z prędkością 1122 km/h z przyspieszeniem 46 g”.
LACERTA z silnikiem BA
Weryfikacją tych planów był start rakiety LACERTA.
Była to wówczas pierwsza zakończona sukcesem próba lotu rakiety na własnym silniku z paliwem wysokoenergetycznym. Masa startowa modelu 2,1 kg, w tym 180 g stanowiło paliwo.
Tak więc 13 maja 2006 roku lot rakiety Lacerta potwierdził możliwość zbudowania silnika do rakiety naddźwiękowej HIPERSONAL. Bezbłędnie zadziałał także układ odzysku typy UWS. Rakieta wystartowała pod dużym kątem z uwagi na silnie wiejący wiatr.
Obok zdjęcie modelu tuż po zejściu z wyrzutni. Rakieta wylądowała bezpiecznie na spadochronie kilkaset metrów od stanowiska startowego.
Pierwszy test rakiety napędzanej paliwem APAN_4N
Test został przeprowadzony 29 kwietnia 2007 podczas pikniku rakietowego. Silnik 30DL200 pracujący przy zacisku Kn=350 został użyty w rakiecie SM-3B skonstruowanej przez KSarda.
Rakieta SM-3B to konstrukcja wykonana z rury aluminiowej ważąca w całości około 2,7 kg.
Rakieta została wyposażona w system odzysku typu UWS oparty na czujniku typu KMZ. Podstawa wyrzutni to element starodawnego, ciężkiego teodolitu ważący około 30kg. Łapy podstawy głęboko wbite w ziemię – na nim zainstalowano pręt prowadzący.Start był nieudany z powodu nieprawidłowego zapłonu. Paliwo APAN_4N nie zapala się łatwo i potrzebuje więcej czasu na “rozkręcenie się” niż typowe paliwo oparte na samym nadchloranie amonu. Zapalnik był zbyt mocny, co spowodowało silny podskok rakiety, która opadając wyłamała zaczep prowadnicy, w wyniku czego zablokowała się na wyrzutni. Chwilę potem nastąpił właściwy zapłon silnika, który wraz z rakietą porwał całe stanowisko startowe. Było to zdumiewające zjawisko, które pokazało jaką mocą dysponuje silnik 30DL200 z paliwem APAN_4N.
Wyglądało to dość groźnie, ale obserwatorzy znajdowali się w bezpiecznej odległości a zdjęcia robiono aparatem z teleobiektywem. Mimo wszystko test dał sporo ciekawych informacji o zachowaniu silnika w rakiecie. Pokazał, że silnik pracuje prawidłowo, stabilnie i jest w pełni powtarzalny, podobnie jak w testach statycznych. Poprawy wymagał jedynie sam zapłon.
Podzespoły HIPERSONALA gotowe
Na początku września 2008 roku wszystkie podzespoły rakiety naddźwiękowej były gotowe. Oto części składowe rakiety HIPERSONAL, którymi wówczas dysponowano. Wszystkie elementy wykonał Paul.
Patrząc od góry:
1. Korpus dłuższy
2. Korpus krótszy
3. Moduł przeznaczony do zamontowania elektroniki
4. Łoże silnika
5. Głowica
Po lewej:
1. Łącznik
2. Zabezpieczenie silnika
3. Pierścień końcowy
4. Krążek oporowy zamykający łoże silnika
Po prawej:
1. Elektroniczny system odzysku UUWS
Po zważeniu wszystkich części modelu zestawionych razem, ciężar wynosił dokładnie 550 g (bez elektroniki, która wraz z baterią ważyła 105 g).
Pozostało jeszcze wykonać stateczniki wcześniej uzgadniając ich ostateczny kształt. Okazało się, że dysponowano jeszcze sporym zapasem masy. Rozważano na tym etapie także możliwość umieszczenie na pokładzie kamery filmowej, ale wówczas jeszcze nie było miniaturowych kamer, które nadawałyby się do tej misji. Rozpisano również konkurs wśród forumowiczów na malowanie rakiety.
13-09-2008 podczas Małopolskiego Zlotu Rakietowców, odbył się start innego modelu wykonanego przez Paula, na pokładzie którego znalazła się elektroniczna aparatura pomiarowa – SALT.
Model gabarytowo przypomina Hipersonala, a celem lotu było sprawdzenie działania elektroniki pokładowej, układu odzysku a przede wszystkim możliwości śledzenia wzrokowego małego przedmioty poruszającego się z dużą prędkością. Lot zakończył się sukcesem. Model wykonany został z laminatu szklanego oraz z balsy 1,5mm zwiniętej na rdzeniu o średnicy 38mm. Sposób ten pozwala na wykonanie bardzo sztywnego korpusu o wspaniałych właściwościach mechanicznych.
- Waga samej rakiety – 220g
- Waga spadochronu – 35g
- Waga elektroniki – 15g
- Waga silnika – 165g
- Razem masa startowa – 435g
Wymiary:
Długość: 1180mm
Średnica: 41,5mm
Maksymalny pułap jaki osiągnął model to 533m w czasie 11 sekund. Silnik jaki został użyty do startu to silnik klasy “F” o ciągu max. ok. 64 Ns. Następna próba miała zostać dokonana na silniku klasy “G” ale przy tak złych warunkach atmosferycznych-bardzo silny wiatr oraz niski pułap chmur- zrezygnowano z jej przeprowadzenia, gdyż już przy zastosowaniu silnika klasy “F” model był słabo widoczny.
SOBOwtór Hipersonala
W ramach przygotowań do lotu rakiety naddźwiękowej, KSard na początku stycznia 2009 roku zbudował model odpowiadający gabarytowo Hipersonalowi. Był jednak znacznie cięższy od HIPERSONALa.
Przeznaczeniem SOBOwtóra było sprawdzenie właściwości aerodynamicznych konstrukcji oraz test silnika klasy I, który zawierał paliwo wysokoenergetyczne Red Devil .
Dane techniczne SOBOwtóra:
- Długość: 1490 mm
- Średnica 57 mm
- Masa 1530 g
Korpus wykonany został z papieru nasyconego lakierem poliuretanowym, ze statecznikami wzmocnionymi włóknem szklanym i żywicą epoksydową. Głowica z pianki poliuretanowej wzmocniona także kompozytem szklano-epoksydowym. Pod nią znajdował się przedział mieszczący kamerę pokładową. Układ odzyskiwania składa się z aparatury elektronicznej typu UWS oraz spadochronu o średnicy ok. 1 metra. Rakieta wyposażona została w silnik z dyszą grafitową, zawierający 200 gramów paliwa.
Parametry silnika:
- korpus aluminiowy o średnicy 42 mm
- masa całkowita 570g
- masa paliwa Red Devil 200 g
- układ typu Bates (4 bloki)
- współczynnik doskonałości konstrukcji = 0,54
W listopadzie 2009 roku rakieta wystartowała, wykonując stabilny lot. Silnik zadziałał prawidłowo, jednak kolejny raz zawiódł układ odzysku i model uległ zniszczeniu. Przyszedł czas na testy oryginalnego Hipersonala.
2009-08-08 Manching
8 sierpnia 2009 roku w Manching, w Bawarii odbyły się dwa pierwsze, testowe loty rakiety Hipersonal z prędkością poddźwiękową. Celem testu było sprawdzenie zachowania się rakiety w locie oraz działania poszczególnych podzespołów. Próby wypadły bardzo pomyślnie.
Konstrukcja rakiety w technologii kompozytowej została wykonana w całości przez Paula_S. Masa startowa 1060 g. Podwójny układ odzysku złożony był z układów elektronicznych SALT oraz D-Mag.
Model startował z wyrzutni cztero-prętowej o długości ok. 1 m
Podczas pierwszego lotu model napędzany był silnikiem prochowym klasy G. Osiągnięta wysokość 229 m
Drugi lot odbył się z silnikiem B-125 ( Maurer ). Osiągnięta wysokość 739 m z maksymalną prędkością 135 m/s
Charakterystyka silnika BC-125
Paliwo na bazie 47 – 50% Nitrocelulozy (NC) i 34 – 37% Nitrogliceryny + dodatki (nieznane).
Producent BAYER – podaje, że paliwo posiada Iw=2450 Ns/kg
- Masa paliwa – 73 g
- Średnica – 32 mm
- Długość – 62 mm
- Impuls całkowity silnika Ic=315 Ns
- Czas pracy t = 1,065s
Rakieta HIPERSONAL doczekała się kolejnych dwóch startów
Miało to miejsce 9 października 2010 roku na pikniku rakietowym zorganizowanym przez Polskie Towarzystwo Rakietowe. Pierwszy start odbył się na silniku prochowym klasy “G” , a drugi na silnik AEROTECH H 123W.
Silnik prochowy wyniósł model na wysokość ok. 240m a silnik AEROTECH wyniósł model na wysokość 994m. W tej próbie osiągnięto prędkość 175 m/s.
Oczywiście prędkość dźwięku nie została jeszcze osiągnięta, ale wszystko na to wskazuje, że w kolejnej próbie planowanej na kwiecień 2011 roku, rakieta będzie w stanie ja przekroczyć.
Bariera dźwięku pokonana – 10 kwietnia 2011 roku na poligonie wojskowym pod Toruniem odbyły się starty rakiety naddźwiękowej Hipersonal.
Pierwszy testowy lot rakieta wykonała w sobotę 9 kwietnia z użyciem silnika klasy “G” produkcji Witolda Tendery.
Model uzyskał wysokość 241 metrów. Celem tego lotu było sprawdzenie nowej elektroniki do rejestracji prędkości oraz przyspieszenia firmy AGM ALTIMAX. Test zakończył się pełnym sukcesem.
Oto wykres z tego lotu:
Atak na barierę dźwięku odbył się w niedziele 10 kwietnia 2011 roku.
W rakiecie zastosowano silnik klasy „J” produkcji amerykańskiej firmy AEROTECH.
Hipersonal uzyskał wysokość 2451,5 metrów osiągając maksymalną prędkość 383,71 m/s. Bariera 1 Macha została pokonana z dużym zapasem. Model wylądował na spadochronie około 5 km od wyrzutni. Dzięki zastosowanej elektronice GPS oraz pomocy ekipy poszukiwawczej składającej się z członków PTR, rakieta została bardzo szybko zlokalizowana i odnaleziony.
Tak przedstawia się wykres z lotu zarejestrowany przez elektronikę pokładową
Loty przebiegły zgodnie z założeniami oraz wcześniejszymi symulacjami. Mimo dość silnego wiatru start był w pełni udany i bardzo widowiskowy.
PODZIĘKOWANIE
W imieniu Polskiego Towarzystwa Rakietowego składam wyrazy uznania dla konstruktora i wykonawcy rakiety HIPERSONAL Paulowi Stania.
Paul – to dzięki Twojej pracy, wiedzy oraz poniesionym nakładom finansowym udało zrealizować się ten śmiały projekt.
Dziękujemy