Verslag H7a raketvlucht

1.

Opbouw van de raket [Top] [Inhoud] 

2.

Lancering [Top] [Inhoud]

De lancering van de H7a stond in het scenario gepland voor twee uur 's-middags, maar als gevolg van een aantal weigeraars (U-14 en E-39) werd omstreeks elf uur besloten het tijdstip twee uur te vervroegen. Hierdoor liep de zorgvuldige voorbereiding in het honderd. In allerijl moest worden overgegaan tot het samenbouwen van de delen van de raket. Binnen een half uur was de raket gereed voor transport naar de pyrotent. Hier zou voor het eerst blijken of de Penta-alpha (mod.1) motor zou passen in de eerste trap. De raket bleek goed ontworpen en de integratie verliep voorspoedig. Helaas bleek het praktisch niet mogelijk de twee trappen van bovenaf in de lanceertoren te laten zakken. Hier was bij de integratieprocedure wel vanuit gegaan maar deze handelingen konden natuurlijk niet eerder gerepeteerd worden. De volledig samengebouwde raket moest daarom van onderuit in de toren worden gestoken. Dit is voor de meeste NERO-raketten normaal gesproken geen probleem, behalve voor de H7a want die is met 2.50 meter veel te lang. Er moest daarom aan de voet van de lanceertoren eerst een kuil van ongeveer een meter diep en anderhalve meter breed worden gegraven. Na dit klusje dat onder leiding van Bob door een enthousiast jong lid van NERO Eindhoven werd uitgevoerd, kon de raket in de toren geplaatst worden. Na deze vertragingen die meer dan een uur duurden begon het zo hard te regenen dat openingen in de romp van de raket afgeplakt moesten worden om kortsluiting te voorkomen. Het torenteam ging met het raketteam de tent in en moest wachten tot het weer verbeterde. Enige tijd later kon de elektronica geactiveerd worden en de inhibit van de ontsteking van tweede trap worden opgeheven door met een tien meter lang koord een connector uit de romp van de raket te trekken. Als laatste handeling werd de ontsteker van de eerste trap aangesloten op de relaiskast bij de toren. 

In het scenario van de voorbereidingen was voorzien dat kort voor de lancering het publiek zou worden voorgelicht over het vluchtscenario. De bedoeling hiervan was dat, wegens het ontbreken van instrumentatie in de raket, zoveel mogelijk informatie zou worden verkregen door de raket met het oog te volgen. Het is tamelijk lastig om het verloop van de vlucht van een tweetrapsraket te registreren zonder dat bekend is wat er gaat gebeuren. De meeste mensen worden overweldigd door het schouwspel en vergeten vervolgens wat ze waargenomen hebben. De voorlichting van het publiek konden we door de vertragingen en de druk van de planning echter wel vergeten. De tot 10 seconden ingekorte aftelling verliep zonder onregelmatigheden zodat de motor geactiveerd kon worden. De ontsteking had een voorspelde vertraging van meer dan 4 seconden maar door de eerdere weigeraars die dag leek dat erg lang en even speelde de ervaringen met de H6B door de hoofden van de bouwers (deze raket weigerde drie keer op drie verschillende lanceerdagen in 1993 en 1994). Gelukkig was de ontsteking verder perfect en lift-off vond plaats. Direct na het verlaten van de toren klom de raket tegen de harde wind in en boog af naar het noordwesten. Na ruim twee seconden was de motor uitgebrand en de raket ging zijn coasting fase in. Deze was zo kort mogelijk gepland maar wel zo lang dat de motor zeker uitgebrand zou zijn plus een extra seconde voor stabilisatie van de stand. Vier seconden na lift-off vond de separatie plaats. Dit verliep op het oog volkomen gelijkmatig, zonder dat de vlucht van de raket verstoord werd. Na separatie begonnen de raketdelen zich langzaam uit elkaar te bewegen. Op zes seconden na lift-off, op een moment dat er ruwweg een meter "licht" tussen de delen zichtbaar was, vond ontsteking van de tweede trap Koudou-motor plaats. Hoewel deze slechts een kleine toename van de snelheid gaf was het toch voldoende om de tweede trap duidelijk weg te zien vliegen van de eerste trap. Hierna vervolgden de twee trappen verschillende banen en er gebeurden er op hetzelfde moment op verschillende plaatsen verschillende dingen in de lucht. De eerste trap vloog door in een stabiele "vinnen achter" houding. In tegenstelling tot hetgeen gepland was vond het uitwerpen van de eerste trap parachute plaats voorbij het hoogste punt. De trap waaide vervolgens met de krachtige wind (Beaufort 6) mee in oostelijke richting. De landing vond plaats op 49 seconden na lift-off op een plaats in het terrein achter de toren. De tweede trap vervolgde zijn praktisch parabolische baan met perfecte stabiliteit en dook na 30 seconden met de punt de grond in nabij de gronddoelen ten noorden van de toren. 

3.

Recovery [Top] [Inhoud]

De tweede trap werd tot hilariteit bij de aanwezigen ook al midden op een brede zandweg aangetroffen met de punt 70 cm in de grond, onder een hoek van ongeveer 75 graden met de horizontaal. Het bleek niet mogelijk de raket in een keer uit de grond te trekken, zodat hij moest worden uitgegraven. De punt van de raket, een massieve houten 'von Karman' vorm, bleek nog volledig intact alleen de verf was eraf geschuurd bij de inslag! Dit verbazingwekkende feit was een onverwacht gunstig resultaat, want we waren er vanuit gegaan dat in ieder geval het voorste gedeelte van de tweede trap bij de inslag (met een snelheid van ongeveer 130 m/s) verbrijzeld zou worden. De toestand van de raket is nu zodanig dat hij met een minimum aan extra werk weer opnieuw zou kunnen vliegen. 

4.

Vluchtanalyse [Top] [Inhoud]

1. de motor zijn verwachte prestaties heeft geleverd;
2. het ontkoppelsysteem goed heeft gewerkt;
3. welke relatieve bewegingen de gesepareerde raketdelen gemaakt hebben;
4. wat de daalsnelheid van de eerste trap parachute is geweest.

Motorprestatie

De parameters die de prestatie van de Penta-alfa mod.2 motor bepalen (althans voor de gebruiker) zijn totale impuls en verbrandingstijd. Daarnaast is het interessant te zien of de verbranding gelijkmatig is. Tevoren was bekend dat deze motor een aanzienlijke ontsteekvertraging heeft. Aan de hand van video opnamen gemaakt door Rob is bepaald dat de ontsteekvertraging 4.4 seconden bedroeg. De brandtijd van de motor bedroeg ten minste 2.2 sec (laatste vlamverschijnselen) en er is rook gezien tot 3.6 seconde na ontsteking. Dit komt goed overeen met de gemeten stuwkrachtkarakteristiek waarbij de stuwkracht tussen 2.25 en 2.4 na ontsteking snel afneemt. De geleverde impuls moet worden afgeleid uit een reconstructie van de gevlogen baan, zie hierna. 

Baanreconstructie

Reconstructie van de gevolgde baan is uitgevoerd met behulp van het simulatieprogramma Flight-3 (geschreven door Mark, NERO-Haarlem). De gegevens van de raket (met name de massa van de verschillende delen) zijn bepaald uit een spreadsheet en slechts gedeeltelijk door middel van weging. De instelling van de lanceertoren is door de organisatie gegeven als elevatie 75 graden. Op een lanceerfoto van de Deense Small Tom raket is echter te zien dat (althans voor deze raket) de toren op 70 graden elevatie stond afgesteld. De richting van de toren was opgegeven als "45 graden ten opzichte van de as van het terrein". Dit is goed te matchen met de stand van de toren zoals die zichtbaar is op lanceerfoto's gemaakt vanuit het publiek (met behulp van een telelens). Er zal worden aangenomen dat de toren een azimuth van 12.5 graden ten opzichte van het (kaart-)noorden had. Op lanceerfoto's van Maarten T. en John K. is te zien dat de raket na het verlaten van de toren tegen de wind in draait over een (geprojecteerde) hoek van ongeveer 10 graden. Door middel van een goniometrische berekening kan worden aangetoond dat, bij gelijkblijvende elevatie, een dergelijke afwijking overeenkomt met een draaiing van het baanvlak van 2.7 graden (75 graden elevatie), en 3.6 graden (70 graden elevatie). Dit geeft een onzekerheid in de richting waarin de raket werkelijk vertrokken is van ongeveer 3 graden ten opzichte van de instelling van de toren. 

Er is enige onzekerheid over de landingsplaats van met name de tweede trap. Het enige theoretische houvast is een kompaspeiling en de berekende baan. Op het kaartje is te zien in welk gebied de tweede trap vermoedelijk geland is. Het gearceerde gebied omvat de spreiding in toren elevatie tussen 70 en 75 graden, en een spreiding in azimuth van 3 graden. Het blijkt dat de gegevens met elkaar zijn te matchen voor het linker deel van het gearceerde gebied (rotatie baanvlak tussen 1.5 en 3 graden, elevatie tussen 70 en 75 graden). De plaats van impact van de tweede trap, nabij de ingang van een doelbunker voor vlakbaangeschut, kon niet op de kaart worden geidentificeerd. Het tijdstip van impact kan met de simulatie wel met behoorlijke nauwkeurigheid worden bepaald: 29.3 seconden (elevatie 70 graden) tot 30.5 seconden (elevatie 75 graden). Gemeten is 30 seconden na lift-off. Voor de gevoeligheid van de gereconstrueerde totale impuls voor de vluchttijd geldt bij benadering: 

variatie in impuls (Ns) = 70 x variatie in vluchttijd (sec) 

Dit is de belangrijkste indicatie dat de Penta-alfa mod.1 motor zijn nominale impuls van 2174 Ns binnen een marge van zeg 1.5 % ook inderdaad heeft geleverd! 

Voor wat betreft de eerste trap is er een extra onzekerheid over de precieze snelheid en richting van de wind, de drag coëfficiënt van de gesepareerde eerste trap, het tijdstip van parachutering, en de daalsnelheid van de parachute. Voor de drag coëfficiënt is de waarde 1 genomen. Het tijdstip van parachutering was afgesteld op 11 seconden. De daalsnelheid van de parachute (niet getest) was berekend op 15 m/s. Alleen de landingsplaats en het tijdstip zijn vrij nauwkeurig bekend: zie kaartje. Het blijkt nu dat terwijl gewoonlijk voor het functioneren van elektronische timers mag worden uitgegaan van een hoge precisie, de parachutering van de eerste trap in dit geval veel later heeft plaatsgevonden dan volgens de timer-instelling. Bedoeld was een parachutering kort voor het hoogste punt. Wat is waargenomen is een parachutering ver na het hoogste punt. Op het kaartje is te zien welke gevolgen dit heeft voor de mogelijke alternatieven in de vluchtbaan. Alleen als een elevatie van 70 graden wordt aangenomen blijkt het mogelijk te zijn zowel de fout in het parachuteringstijdstip als de gemiddelde daalsnelheid binnen acceptabele grenzen te houden. 

In de onderstaand tabel worden de alternatieven in de vluchtbaan weergegeven, en de gevolgen die dat heeft voor de fout in de timer en de parachute daalsnelheid. 

Zou een timerfout van 2.9 sec nog verklaarbaar zijn (de gebruikte CMOS 4538 schakeling is niet bedoeld voor tijden langer dan 10 seconden), een fout van bijna 8 sec lijkt onmogelijk. Voor de parachute geldt dat bij de H6-raket, waar een kruisparachute van hetzelfde ontwerp in zit, al was gebleken dat de berekende daalsnelheid tot 30 % kan afwijken van de waargenomen daalsnelheid. Voor de 70 graden optie zou de werkelijke daalsnelheid 38 % hoger zijn dan berekend. 

Alle waarnemers concludeerden dat de raketcombinatie gedurende de gehele vlucht uiterst stabiel was. Op het moment van separatie konden geen bewegingen waargenomen worden. In feite bleven de twee trappen nog enige tijd (minder dan een seconde) aan elkaar kleven. Pas daarna bleef de eerste trap achter in haar baan, en begon de onderlinge afstand versneld groter te worden. Voor wat betreft de afstand tussen de twee trappen op het moment van ontsteking tweede trap (d.w.z. twee seconden na separatie) lopen de meningen zeer uiteen. Waarnemingen varieeren van 50 cm tot 2 meter. De simulatie met Flight-3 geeft als resultaat dat de trappen in de eerste seconde 2 meter separaren en in de tweede seconde 4 meter, maar hierbij wordt het effect van het zog niet meegenomen. Het lijkt daarom waarschijnlijk dat de twee raketdelen na ongeveer een seconde "los" kwamen, waarna er nog een seconde over was om de relatieve afstand te laten groeien tot ongeveer 2 meter. 

Voor wat betreft de techniek van het ontkoppelsysteem is het volgende op te merken. Bij de integratie van de twee rakettrappen (in de pyrotent) bleek dat de pin-pusher bijna contact maakte met de uitlaat van de tweede trap Koudou motor. Uit een statische test van het systeem was naar voren gekomen dat bij activering van het systeem bepaalde delen kunnen wegspringen. Om te voorkomen dat de pyroactie de uitlaat zou beschadigen is op het laatste moment een buffer van schuimrubber over de pin-pusher gemonteerd. Bij inspectie na de landing bleek de buffer zijn werk goed gedaan te hebben. De koperkabel waar de pin-pusher mee aan de eerste trap was bevestigd bleek bij de landing te zijn losgetrokken. 

5.

Conclusie [Top] [Inhoud] 

Het separatiesysteem heeft zeer goed gefunctioneerd. Er kon geen verstoring van de raketcombinatie als gevolg van de separatie worden waargenomen. De bevestiging van de pin-pusher aan de eerste trap is niet sterk genoeg. Er moet een oplossing worden bedacht voor de schade die de pin-pusher aan omringende systemen kan toebrengen. Het is wenselijk als de schaaldelen ook gerecoverd kunnen worden. Bij het huidige ontwerp gaan deze onderdelen, die met hoge precisie gefabriceerd moeten worden, verloren. 

De timer van de eerste trap parachutering blijkt onnauwkeurig te zijn. Er moet worden nagegaan of dit wordt veroorzaakt door de omgevingscondities of dat het een fundamentele beperking van het ontwerp is. 

De daalsnelheid van de eerste trap parachute blijkt veel hoger te zijn dan berekend. Het verdiend daarom de voorkeur deze parachutes ook eerst statisch te testen.