Geschiedenis van de raket

Al sinds de 4e eeuw voor Christus, in het Oude Griekenland, was er het idee van de raket.

In de middeleeuwen maakten de Chinezen en Europeanen effectief de eerste raketten of vuurpijlen. De brandstof die hierbij gebruikt werd was buskruit en was weinig efficiënt.

Pas in de 20ste eeuw, in 1907, experimenteerde de Amerikaanse Robert Hutschings Goddard (zie figuur 1) voor het eerst met vloeibare brandstof (zuurstof en lampenolie) naar een idee van de Russische geleerde Konstantin Tsiolkovski. Het duurde nog tot 1926 vooraleer een eerste raket op vloeibare brandstof met succes gelanceerd werd.

Goddard
Figuur 1. R. H. Goddard

In de jaren twintig en dertig experimenteerden geleerden nergens zo intensief als in Duitsland met het ontwerpen van raketten. Dat resulteerde niet alleen in een enorme technologische vooruitgang op het gebied van raketten met alcohol en vloeibare zuurstof maar ook van raketten met vaste stuwstoffen die betrouwbaarder en veel nauwkeuriger waren dan die op basis van buskruit. Onder leiding van Wernher von Braun leidde dit tijdens de Tweede Wereldoorlog tot de creatie van de beruchte V2, een krachtig en gevreesd oorlogswapen. Later kwamen wetenschappers erachter dat de V2 het eerste object is dat de ruimte wist te bereiken.

Duitse v2
Figuur 2. Duitse V2-raket op een mobiel lanceerplatform

Na de oorlog wedijverden de USSR en de USA om de beste rakettechnologie en dit leidde tot de race naar de maan. Het ruimtevaarttijdperk was gestart.

De eerste, kleine successen waren voor de USSR. Eerst was er de lancering van de Spoetnik in 1957. De Spoetnik raket, oorspronkelijk bedoeld als satelliet, werd uiteindelijk geen succesverhaal. De apparatuur op deze raket faalde en zo werd deze raket niet meer dan een stuk afval dat in een baan rond de aarde draait. Vervolgens werd door de USSR het eerste levende wezen, de hond Laika, in de ruimte gebracht. Ook dat liep niet helemaal goed, want Laika overleefde de vlucht niet. In 1961 kwam dan het eerste echte succes voor de USSR. Yoeri Gagarin in de Vostok 1 werd dan ook als eerste man in de ruimte wereldberoemd. Ook de eerste ruimtewandeling door Aleksej Leonov en eerste maanlanding door de robotverkenner Luna 9 werden gerealiseerd onder leiding van de USSR.

spoetnik 1
Figuur 3. Opengewerkt model van de Spoetnik 1

De Amerikanen kwamen die eerste jaren vaak op de tweede plaats maar onder leiding van Wernher Von Braun, die na de Tweede Wereldoorlog ging werken voor de Amerikanen, werd er in de jaren zestig toch ook heel wat vooruitgang geboekt. President Kennedy lanceerde in 1961 het Apolloproject. Zo ontwikkelde Von Braun een variant van de V2 raket, Saturnus V genaamd. Deze raket werd voor het eerst gelanceerd in 1967. Saturnus V is de krachtigste en zwaarste raket die ooit werd gebouwd. En dat leidde vanaf 1969 tot heel grote successen. Zo bereikte Neil Armstrong in de Saturnus V als eerste de maan en werd Neil Armstrong de eerste mens op de maan. In 1973 zorgde de Saturnus V ervoor dat een eerste Amerikaans ruimtestation in een baan rond de aarde werd geleid.

saturn V
Figuur 4. Saturn V

Na het bereiken van de maan kwam er een einde aan deze prestigewedloop tussen de USSR en de USA. De kosten waren immers veel te hoog. Alleen al het Apolloprogramma had voor de Amerikanen een prijskaartje van 20 miljard dollar. De verdere verkenning van de ruimte kreeg daarentegen meer aandacht. Satellieten met commerciële en/of wetenschappelijke doelstellingen werden gelanceerd. En dit werd prioritair ten opzichte van de bemande ruimtevaart.

Zo werden er vanaf 1970 heel wat raketten de ruimte in gestuurd om ons zonnestelsel te verkennen. Venus, Jupiter, Mars en zelfs Pluto werden door ruimtesondes verkend. Dit leverde vele nieuwe foto’s op en tal van details over de atmosfeer, de samenstelling, het magnetisch veld en de stralingsgordels van de verschillende planeten.

Ook in Europa werd door de ESA (Europese ruimtevaartorganisatie) een eerste ruimteraket ontwikkeld: de Ariane 1, die op 24 december 1979 vanuit Kourou met succes werd gelanceerd. In 1980 ontwikkelden de Amerikanen om recyclageredenen de Space Shuttle. Daarbij werden lanceerraketten overbodig.

Zoals figuur 5 aantoont, volgden er nog vele belangrijke raketten.

evolutie
Figuur 5. Verdere evolutie raket

Vandaag zijn er ook commerciële bedrijven die volop investeren in ruimtevaart(toerisme). Zo richtte Elon Musk in 2002 SpaceX op met als doel de ruimte te civiliseren en een eerste stad op Mars te bouwen. Zo ver zijn we vandaag evenwel nog niet. In 2008 werd de Falcon 1 de eerste privaat ontwikkelde raket die een satelliet in een baan om de Aarde kon brengen. SpaceX werd dan ook het eerste bedrijf dat commerciële contracten voor cargovluchten en het vervoeren van NASA-piloten of astronauten naar het International Space Station ISS verkreeg. Daarbij wist SpaceX krachtige en herbruikbare raketten te ontwikkelen. Recent nog slaagde SpaceX er voor de eerste keer in om een lanceerraket Falcon 9 opnieuw te laten landen op een platform op zee.

Een ander bekend privaat bedrijf dat volop investeert in rakettechnologie en ruimtevaarttoerisme is Virgin Galactic van Richard Branson. Hun doel is om bemande ruimtevluchten aan te bieden aan het betalend publiek. Met hun SpaceShipTwo slagen ze er al in om tot op een hoogte van 80 km te komen. Reeds meer dan 600 reislustigen van over de hele wereld hebben een zitje gereserveerd.

Chemische raketmotor

Voor onze raket willen we natuurlijk een zo efficiënt mogelijke motor gebruiken. Om de juiste keuze te maken moeten we eerst onderzoek verrichten. De vraag die we ons stellen is hoe een raketmotor werkt.

Vloeibare raketmotor

In dit type raket (zie figuur 6) zitten twee vaten, één met vloeibare brandstof (fuel) en één met vloeibare zuurstof (oxidizer). Deze vloeistoffen worden via pompen in een bepaalde verhouding in de ontbrandingskamer (combustion chamber) gemengd en aldaar tot ontbranden gebracht. Bij deze ontbranding of chemische reactie komt er heel wat energie/kracht vrij, ook wel ‘thrust’ genoemd, die voor de stuwkracht van de raket zorgt. Het voordeel van dit type raket is zijn efficiëntie in combinatie met grote hoeveelheden stuwkracht. Helaas zijn er ook nadelen aan dit systeem. Tijdens de volledige vlucht draagt de raket namelijk het gewicht van de opslagtanks en de pompen, dit is ‘dood’ gewicht. Grote bedrijven ontwikkelen daarom raketten in fases of ‘stages’. Eenmaal de brandstof behorende bij een bepaalde fase of stage op is, wordt deze fase losgekoppeld en afgeworpen. Hierna begint de volgende fase aan zijn ontbranding om zo de lichtere raket verder de ruimte in te stuwen.

chemische raketmotor
Figuur 6. Chemische raketmotor
saturn V
Figuur 7. Saturn V

Op bovenstaande afbeelding (zie figuur 7) wordt de Saturn V weergegeven. Met deze raket werden missies naar de maan uitgevoerd. Deze raket bevat vele fasen die, eens hun brandstof opgebruikt is, loshaken en terugvallen op de aarde. Het nabouwen van een dergelijke raket is onrealistisch binnen het bestek van een gip. Daarnaast zijn vele van de benodigde grondstoffen voor ons moeilijk verkrijgbaar. Wij zullen ons daarom beperken tot de ‘vaste brandstof raket methode’.

Vaste brandstofraket

Een ‘solid fuel rocket’ zoals afgebeeld in figuur 9 bestaat uit een vaste cilindervormige brandstofeenheid in het midden van de raket. Wanneer deze brandstof ontbrandt, wordt er stuwkracht gecreëerd. De cilindervormige brandstof is een vooraf samengesteld mengsel van een oxidator en een brandstof. Zoals in figuur 9 afgebeeld, bestaat de volledige raket bijna exclusief uit het brandstofmengsel (grondstof voor de drijfkracht of ‘propellant’). Deze methode is effectief omdat het teveel aan ‘dode massa’ tot een minimum beperkt wordt.

Dit systeem is voor ons gip-experiment het meest geschikt omdat alle onderdelen makkelijk verkrijgbaar zijn en het ook relatief makkelijk is om een testexemplaar samen te stellen. De vaste brandstof bestaat uit twee elementen, namelijk de brandstof (organische molecule) zelf en een katalysator. Voor onze proef kiezen we als brandstof `C6H12O6` (suiker) en als katalysator kaliumnitraat (`KNO3`). Een raket met dit vast brandstofmengsel wordt ook wel eens suikerraket genoemd.

solid fuel raket
Figuur 8. Solid fuel rocket
suikerraket
Figuur 9. Suikerraket

Zoals hierboven afgebeeld (zie figuur 8) loopt door het midden van de raket een ‘hollow core’ of holle buis. In deze buis wordt een lont geplaatst. Wanneer deze lont aangestoken wordt (ignition) start de chemische reactie of ontbranding. Door de plotse ontbranding ontstaat er onderaan de raket ter hoogte van het ‘clay nozzle’ of mondstuk een groot drukverschil dat resulteert in een opwaartse stuwkracht. Als voorbereiding op en/of deel van het experiment gaan wij op zoek naar: - De ideale verhouding brandstof/katalysator. - De invloed van additieven als koolstof en/of zwavel op de verbranding - De structuur van het brandstofmengsel (in poedervorm of als één vaste massa) - De invloed van de ‘nozzle’ of het mondstuk onderaan de raket op de stuwkracht (opgebouwde drukkracht) (‘geen’ versus ‘kegelvormig’ of ‘omgekeerde kegelvormig’ mondstuk).

Keuze brandstof

Voor de keuze van onze brandstof of suikers zijn er aantal mogelijkheden: glucose, dextrose, fructose, sucrose, sorbitol, enzovoort.

De volgende selectiecriteria werden bekeken:

1. Zuiverheid van de suiker (hoeveelheid kristalwater)
2. Smeltpunt
3. Reactievergelijking ideale verhouding brandstof/katalysator

Vele suikers bevatten kristalwater. Dit kristalwater zorgt voor een vermindering of reductie van de geleverde kracht per gram suiker omdat een deel van de opgewekte energie ten koste gaat van de verdamping of verwijdering van de watermoleculen uit het kristal. Hierdoor is de resulterende geleverde kracht kleiner. Omdat we geen controle hebben over de hoeveelheid kristalwater in de suikers is het nagenoeg onmogelijk om de geleverde kracht van verschillende suikers te vergelijken. Hoe lager het smeltpunt van de suiker hoe makkelijker de ontbranding ervan. Onderstaande tabel toont de smeltpunten aan voor de verschillende suikers.

smeltpunten
Tabel 1. Smeltpunten

Dextrose, ook druivensuiker genoemd, is de meest gebruikte suiker in combinatie met kaliumnitraat. Het smeltpunt van deze suiker ligt rond de 140°C, dit is een stuk lager dan het smeltpunt van sucrose. Fructose is de duurste suiker maar deze suiker heeft een smeltpunt van 103°C. Glucose heeft een smeltpunt van 146°C.

De reactievergelijking van suiker (glucose, dextrose en fructose) met kaliumnitraat ziet er als volgt uit (berekend op 1 mol `C_6 H_12 O_6`):

`C_6 H_12 O_6+3.310 KNO_3→2.116 CO_2+2.300 CO+4.512 H_2 O+ 1.424 H_2+1.665 N_2+1.585 K_2 CO_3+0.133 KOH`

De massaverhouding voor deze reactie is: 334.6741g `KNO_3` en 180.156g `C_6 H_12 O_6`. In procent is dit een verhouding van ±: 65% `KNO_3` en 35% `C_6 H_12 O_6`.

We bespreken ook de reactie van sucrose aangezien deze suiker de goedkoopste is en daarom handig om mee te werken. Het smeltpunt van sucrose is 186°C.

De reactievergelijking van de verbranding van 1 mol sucrose met kaliumnitraat ziet er zo uit:

`C_12 H_22 O_11+6.288 KNO_3→3.796 CO_2+5.205 CO+7.794 H_2 O+3.065 H_2+3.143 N_2+2.998 K_2 CO_3+0.274 KOH`

De massaverhouding voor deze reactie is: 635.780 g `KNO_3` en 342.296 g `C_12 H_22 O_11`. In procent is dit een verhouding van ±: 65% `KNO_3` en 35% `C_12 H_22 O_11`.

We bespreken ook de reactie van sorbitol aangezien deze nieuwe suiker veel gebruikt wordt in de raketwereld en een lager smeltpunt heeft dan sucrose. Het smeltpunt van sorbitol is 95°C.

De reactievergelijking van 1 mol sorbitol met kaliumnitraat ziet er zo uit:

`C_6 H_14 O_6+3.345 KNO_3→1.870 CO_2+2.490 CO+4.828 H_2 O+2.145 H_2+1.672 N_2+1.644 K_2 CO_3+0.057KOH`

We kunnen concluderen dat de ideale verhouding van de massaprocent van al deze suikers met kaliumnitraat dezelfde zijn: 65% `KNO_3` voor 35% suiker.

suiker
Figuur 10. Onze brandstof: suiker
katalysator
Figuur 11. Onze katalysator: `KNO3`

De optimale motor

Alvorens voor we onze zelfgemaakte motor kunnen gebruiken, moeten we eerst testen of de motor voldoende stuwkracht kan genereren. Wij zullen verschillende modellen maken en deze testen om zo te kijken wat de beste motor is.

motor performance
Figuur 12. Raketmotor performance model
schema brandstof raket
Figuur 13. Schema van een vaste brandstof raket

Bovenstaande afbeeldingen komen van de website van NASA. Ze tonen hoe onze raket zal werken. Op de eerste afbeelding is aan de hand van de gele lijnen de vooruitgang van de ontbrandingsreactie (progressie van het ontbrandingsfront) in de raket zichtbaar. Eerst in een hoek en langzamerhand lopen deze lijnen steeds vlakker.
Voor alle verschillende types vaste brandstof geldt dat ze in minder dan een halve tot een seconde hun maximale stuwkracht opbouwen en daarna terugvallen tot een stabielere vrij constante stuwkracht. Dit type modelraketmotor, verkrijgbaar in de handel, gaan wij proberen na te maken. Bij dit model genereer je in de eerste fase (de eerste seconde) voldoende stuwkracht om de zwaartekracht te overwinnen en de raket van de grond te krijgen en vervolgens voldoende stuwkracht (versnelling) om de snelheid of kinetische energie van onze raket op te drijven. Tijdens de tweede fase (stabielere ontbranding) neemt de snelheid van de raket of de kinetische energie stelselmatig toe.
Tenslotte treedt de ‘delay’ of rustfase op (gemarkeerd als blauwe zone in figuur 12 en 13) waarbij een brandvertragende brandstof de stuwkracht aanzienlijk doet afnemen. Eens de stuwkracht (of ontbranding) te klein wordt of beëindigd is, zal door toedoen van luchtweerstand (wrijving) en zwaartekracht de snelheid van de raket afnemen tot op zijn hoogste punt (potentiële energie is maximaal, kinetische energie is 0 J en de snelheid van de raket is 0 m/s).
Op dat ogenblik treedt de ‘ejection’ fase op (rode zone in figuur 12 en 13). Een lading buskruit schiet de parachute naar buiten en zo kan de raket veilig landen.

Dynamica

Zwaartekracht

Alles wat een massa heeft, ondervindt ook de zwaartekracht. Hoe groter de massa, hoe groter de kracht.

`F_z=m*g`

m is de massa

g is de gravitatieversnelling

Stuwkracht

Stuwkracht is een kracht die de raket vooruitduwt door een massa met hoge snelheid naar achteren te werpen. Voor een raket is het belangrijk dat de stuwkracht (nodig om hoogte te winnen) groter is dan de zwaartekracht en de luchtweerstand samen. De verhouding `F_s` / `(g*m)` zal dus minstens groter dan 1 moeten zijn.

Fs is de stuwkracht

g is de gravitatieversnelling

m is de massa

Derde wet van newton

Om te kunnen vliegen is er draagkracht nodig. Volgens de derde wet van Newton volgt er op elke actie een even grote reactie. Dus als een voorwerp een kracht uitoefent op een ander voorwerp, dan oefent dit voorwerp gelijktijdig ook een kracht uit op het eerste voorwerp. `F=m*a`

F is de kracht van het ene voorwerp op het andere

m is de massa

a is de versnelling

Krachten

Aerodynamica is de wetenschap die de beweging van gassen beschrijft. Dit kan gaan over de beweging van gassen rond een lichaam, bijvoorbeeld rond de vleugel van een raket of stroming in een vrije ruimte. Het woord aerodynamica valt op te delen in twee delen: aero en dynamica. Aero betekent lucht en dynamica is een ander woord voor krachtenleer. Aerodynamica betekent dus letterlijk ‘de beweging van lucht’. Aerodynamische krachten treden op als de raket door de lucht vliegt. De grootte van deze krachten hangt af van verschillende factoren zoals grootte, vorm en snelheid van de raket. Deze krachten worden alleen opgewekt wanneer de raket in beweging is ten opzichte van de lucht. Bij stilstand zijn er dus geen (aerodynamische) krachten. Aerodynamische krachten wekken lift en weerstand (zie verder). Voor onze raket zijn dit heel belangrijke factoren want we werken binnen de atmosfeer.

krachten
Figuur 14. Krachten

Luchtweerstand

Luchtweerstand is de weerstand die een voorwerp ondervindt wanneer het zich beweegt door lucht.

`F_L=``1`/`2` `ρ*v^2*A*C_W`

F is de kracht die op het voorwerp werkt

ρ (rho) is de luchtdichtheid

v is de snelheid van de raket ten opzichte van de lucht

A is de grootste dwarsdoorsnede van de raket loodrecht op de bewegingsrichting

`C_W` is de weerstandscoëfficiënt

De weerstandscoëfficiënt is een dimensieloze grootheid die afhankelijk is van de luchtstromingen omheen de raket en dus sterk beïnvloed wordt door de aerodynamische vorm van de raket.

Ons doel is om de luchtweerstand zo laag mogelijk te houden, we zoeken dus een aerodynamisch optimale vorm voor onze raket (bv. een raket met afgeronde top). Zie ook hoofdstuk 3.8.

Ook zijn de vinnen of vleugels van onze raket belangrijk, deze zorgen voor een hogere stabiliteit en een rechtlijnig vlucht van de raket. De plaats waar de vleugels worden gemonteerd is belangrijk. Voor een grotere stabiliteit plaatst je ze best achteraan de raket (ondanks de hogere luchtweerstand). Om de luchtweerstand zo laag mogelijk te houden geven we onze raket een smalle langwerpige romp of vorm. Het centrum van de massa is de plaats op de raket waar de massa geconcentreerd is. Het is positief voor de stabiliteit als dit punt dichter bij de neus van de raket ligt, dit doe je door massa toe te voegen bij de neus. Het punt waar de druk het hoogst is, ligt eerder best zo dicht mogelijk bij het uiteinde van de raket dan bij het centrum van de massa. Zo verkrijgt de raket een hogere stabiliteit en is er minder kans dat de raket tijdens de vlucht uit evenwicht geraakt.

centrum-raket
Figuur 15. Massa- en drukcentrum van een raket

Lift

Lift is een kracht die wordt gegenereerd door een voorwerp dat door een vloeistof of gas beweegt. Indien het voorwerp niet beweegt is er dus ook geen lift. Er moet dus een verschil in snelheid zijn tussen de vloeistof (of gas) en het voorwerp. De lift wordt beïnvloed door onder andere de vorm, de grootte, de snelheid en de massa.

`F_(L)=C * r * (`( v^2 )`/`2`) * A`

`F_(L )` is de lift

C is de coëfficiënt

r is de dichtheid

v is de snelheid

A is de oppervlakte

Stromingen

Er zijn twee soorten stroming: laminair en turbulent. Laminair betekent dat de stroming in stroomlijnen om het voorwerp beweegt. Turbulent wil zeggen dat de stroming rechtstreeks op het voorwerp botst. Een combinatie van beide is ook mogelijk. Wij wensen dat de stroming van de raket zo veel mogelijk laminair blijft, omdat de stromingsweerstand van een turbulente stroming groter is dan bij een laminaire stroming. Turbulente stroming vindt plaats bij hoge stroomsnelheden. Indien de snelheid afneemt kan de turbulente stroming worden omgezet in laminaire stroming. Hierbij komt het getal van Reynolds van pas, dit getal bepaalt of een stroming laminair of turbulent is. Een hoge waarde resulteert in turbulente stroming en een lage waarde in laminaire stroming.
`Re={ν*L*ρ` / `μ}={`ν*L`/ V}`

ν is de karakteristieke snelheid

L de karakteristieke lengte

ρ de dichtheid van het stromende medium

μ de dynamische viscositeit van het stromende medium

V de kinematische viscositeit

Stromingen rond en invloed van stromingen op voorwerpen worden in windtunnels zichtbaar gemaakt en getest.

weerstand
Figuur 16. Verschillende luchtweerstandscoëfficiënten voor allerlei objectvormen

Weerstand

De weerstand van een voorwerp is afhankelijk van de grootte, de snelheid, de luchtdruk en de vorm van het voorwerp. Een raket met de vorm van een ‘bullet’ of kogel (afgeronde top) heeft duidelijk een veel kleinere luchtweerstandscoëfficiënt dan een raket van dezelfde diameter met een platte top.
`D={C_W}*{(r*v^2)`/ `2}*A`

D is de weerstand

`C_W` is de weerstandscoëfficiënt

r is de dichtheid

v is de snelheid

A is de oppervlakte

Praktische proef

De stuwkracht testen

In de eerste proef gaan we het verloop van de stuwkracht van een raket bestuderen. Hiervoor gebruiken we een kleine weegschaal, een paar kleine commerciële raketten en tape. We plaatsen een raket op de weegschaal en maken deze stevig vast zodat de raket rechtop blijft staan. We resetten vervolgens de weegschaal zodat de gewogen massa nul is. Dan ontsteken we de raket. Hierbij genereert de raket stuwkracht op de weegschaal. De gegenereerde stuwkracht en het volledige verloop ervan tijdens de verbranding wordt zo meetbaar op de weegschaal.

Fase 1: De ontsteking van de raket, zie figuur 17.

fase 1 proef
Figuur 17. Fase 1
fase 2 proef
Figuur 18. Fase 2

Fase 2: De raket begint stuwkracht te creëren, de weegschaal heeft tijd nodig om de werkelijke massa waar te nemen. Daarom staat er nog maar 1.94 gram, zie figuur 18.

Fase 3: De raket zit op zijn volledig vermogen maar hierbij komt energie vrij onder de vorm van licht. Hierdoor merken we niet veel op, zie figuur 19.

fase 3 proef
Figuur 19. Fase 3
fase4 proef
Figuur 20. Fase 4

Fase 4: Omdat de weegschaal niet zo snel de veranderingen in massa kan meten, blijft de gemeten massa nog enkele tellen aanwezig (zie figuur 20).

Hiermee kunnen we bepalen hoeveel stuwkracht een raket kan creëren. Deze methode is betrouwbaar voor het meten van de kleine raketten maar voor de grotere zoals de ‘LAV1’ zullen we een andere methode moeten gebruiken.

Sensoren

Het is praktisch om tijdens de vlucht van de raket gegevens te verzamelen om verschillende aspecten te kunnen bestuderen van het vluchttraject tot de stuwkracht. Het is ingewikkelder om deze gegevens te verzamelen tijdens de vlucht. Dus hebben we gebruik gemaakt van sensoren die we in de raket hebben gemonteerd. We zouden bijvoorbeeld de hoogte kunnen meten met behulp van een elektronische barometer of het vluchttraject en de verschillende krachten die inspelen op de raket met behulp van een elektronische accelerator.

Werking sensoren

Om alle sensoren aan te sturen moeten we een soort van module hebben die alles aanstuurt en reguleert. Hiervoor gebruiken we een ‘arduino nano’ (zie figuur 21). Dit is een programmeerbare module waaraan we alles sensoren kunnen koppelen. Deze ‘arduino’ neemt de geregistreerde gegevens waar en bewaart deze op een micro SD geheugenkaart (zie figuur 22).

arduino proef
Figuur 21. Arduino nano
microSD proef
Figuur 22. Micro SD kaart lezer

Types sensoren

Om de hoogte te bepalen maken we gebruik van een elektronische barometer (zie figuur 23). Deze sensor meet de luchtdruk. Via de veranderingen in luchtdruk kunnen we de hoogte bepalen.

barometer proef
Figuur 22. Barometer
accelerator proef
Figuur 24. Accelerator met 3 assen

We maken ook gebruik van een accelerator met 3 assen (zie figuur 24). Deze accelerator verzamelt data over de afbuigingen en de versnelling van de raket tijdens de vlucht.

Bouw van het sensoren systeem

De eerst stap was om een schema uit te werken en alle sensoren met de module te verbinden (zie figuur 23). De volgende stap was om alles met elkaar te verbinden met kabeltjes, deze werden vast gesoldeerd aan elke sensor en aan de module (zie figuur 26).

elektrisch schema proef
Figuur 25. Elektrisch schema
sensoren arduino proef
Figuur 26. Sensoren verbonden met arduino

Solderen is een proces waarbij een loden draad wordt gesmolten en hierdoor worden de draden vastgezet op de PCB (Printed Circuit Board) van de sensoren en de ‘arduino’. Vervolgens moest er een code geschreven worden om alles in harmonie te laten samen werken. ‘Arduino’ code is een variant op C++ en moet niet onderschat worden. Het doel van de code is om tijdens de vlucht metingen te doen met de sensoren en vervolgens de bekomen meetresultaten meteen op te slagen op een geheugenkaart. Vervolgens zouden we dan met de gegevens van de barometer de hoogte kunnen bepalen. Met de gegevens van de accelerator kunnen we afwijking zien in de x of y assen van de raket aan de hand hiervan kunnen we dan het vlucht traject van de raket proberen na te bootsen. Hieruit valt veel te leren voor volgende modellen om aanpassingen te maken.

Kalibreren van de sensoren

3d accelerator proef
Figuur 27. 3D Beeld accelerator

Om de sensoren juist te kalibreren en nadien juist te positioneren in de raket was het handig om een 3D beeld te verkrijgen van de accelerator. Hiervoor gebruikte we een programma dat de gegevens van de accelerator rechtstreeks om zetten in een 3D model (zie figuur 24). Om dat de sensoren van goedkope Chinese makelij zijn is er soms wel een kleine afwijking aanwezig. Om dit te omzeilen is er een makkelijke oplossing. Bij het opstarten van het systeem werkt als naar behoren maar na enkele minuten is er een lichte evenredige afwijking waarneembaar hierdoor hebben we een extra ‘reset’ knop toegevoegd aan de ‘arduino’ om deze vlak voor de lancering opnieuw te kalibreren. Het sensorsysteem zal in een beschermende koker gestoken worden en vervolgens bevestigd worden aan de raket. Deze koker dient ervoor om de sensoren af te schermen van een eventuele gefaalde lancering.

Meetresultaten

Test 1 V1/V2/V3/L1

De testresultaten van deze eerste vier modellen waren teleurstellend en eindigden in een grote rookpluim. Deze vier modellen waren allemaal anders geconstrueerd in drie stappen die hieronder worden beschreven.

Stap 1

De raketten zijn allemaal opgebouwd uit licht karton die vervolgens opgerold werden tot een buis (zie figuur 28 en 29). Deze buizen werden vervolgens verstevigd met duct tape.

kartonnen buis proef
Figuur 28. Kartonnen buis
modellen proef
Figuur 29. Modellen
Stap 2

Figuur 31 toont hoe we de verschillende modellen zullen bouwen. Er worden verschillende technieken gebruikt om de beste techniek eruit te halen en deze te gebruiken voor de volgende testen. Als we de beste techniek hebben, maken we op schaal een grotere raket die later ook de sensoren zal dragen. Voor de V1 raket gebruiken we aan beide kanten van de koker een kleistop die voorkomt dat de poederbrandstof eruit zou vallen. Deze klei is gemaakt van gemalen kattenbakkorrel. De brandstof is in alle modellen gemaakt van 65% KNO3 (zie figuur 30) en 45 % suiker. Het kaliumnitraat dient als een oxidator voor de suiker. Voor de V2 en V3 gebruiken we hetzelfde mengsel in poedervorm, maar nu smelten we het tot een gelei die we dan in de koker gieten. Na het vullen van de raketten moeten we ze klaar maken. We boren een gaatje door de onderste stop met een 3.2mm boor, dit is in verhouding tussen de diameter en het gaatje (zie figuur 32).

kaliumnitraat proef
Figuur30. Kaliumnitraat
plan proef
Figuur 31. Plan
klei proef
Figuur 32. Klei stop met gat
Stap 3

In deze stap gaan we de raketten testen. Hierbij hebben we een metalen buis in de grond gestoken waaruit we de raketten kunnen lanceren zoals bij vuurwerkpijlen. We hebben de raketten voorzien van een lont en ze aan een stok vastgemaakt zodat ze wat meer in evenwicht waren en makkelijker te lanceren waren (zie figuur 33 en 34).

v1 raket proef
Figuur 33. Klaargemaakte raket V1
stuwkracht proef
Figuur 34. Stuwkracht V1

De V1 en de V2 modellen hadden gelijkende kenmerken. Zo wordt er stuwkracht gecreëerd (zie figuur 35), maar het was nooit genoeg om de raket in lucht te krijgen. De V3 creëerde al wat meer stuwkracht als we de vlam uit de raket vergelijken met de vorige modellen (zie figuur 35). Maar omdat er ook meer brandstof aanwezig was zorgde dit voor een grote rookpluim (zie figuur 36).

v3 stuwkracht proef
Figuur 35. Stuwkracht V3
v3 rook proef
Figuur 36. Een overtollige hoeveelheid rook V3

De L1 had meer succes omdat de grootte van het gaatje in de kleistop hetzelfde bleef en omdat de raket zelf groter was kon er meer druk opgebouwd worden. Dit resulteerde in een grotere stuwkracht maar om dat de raket te veel druk opbouwde vloog de raket in brand.

l1 vlammen proef
Figuur 37. De L1 in vlammen
Test S1/S2

Deze modellen werden S1 en S2 genoemd. De S staat voor small (klein). Deze raketten werden op een andere manier gemaakt. Het grootste verschil was hoe de brandstof gemaakt werd. Op het internet vonden we mensen met dezelfde problemen, die spraken over het feit dat het poeder heel fijn gemalen moest worden zodat het eenmaal in de raket aangeklopt kon worden met een stok. Veel mensen gebruikten een blender om dit poeder fijn te malen. Deze methode hebben we echter niet toegepast, we deden beroep op een andere methode. De methode is om het poeder tussen twee oppervlaktes te malen. Op deze manier werkt een windmolen, door het graan te pletten tussen een rollende steen en een stenen oppervlak. We gebruikten hiervoor een schoendoes en 2 houten plankjes (zie figuur 38). Het werkte, we hadden nu heel fijn poeder, dat wanneer ik het aanklopte met een stok het zijn vorm behield. Wanneer we in dit vastere mengsel een gat boorden behield het zijn vorm zodat we overbleven met een buis doorheen de brandstof. In deze buis steken we dan de lont. Zodra deze is aangestoken brandt het doorheen de raket zodat alle brandstof bijna tegelijk brandt, hierdoor wordt er veel meer stuwkracht gecreëerd. Deze methode was zeer succes vol, en de raket vloog de lucht in (zie figuur 39).

fijnmaal methode proef
Figuur 38. Fijnmaal methode
s1 vlucht proef
Figuur 39. S1 zijn eerst vlucht

Videos (klik om te vergroten)

poster video 1 poster video 2