NERO Projecten - H7b vlucht

NERO

Projecten

H7 raket

H7b vlucht

Verslag H7b raketvlucht

	Inhoud
1	Inleiding
2	Opbouw
3	Voorbereiding
4	Lancering en recovery
5	Inspectie
6	Conclusie

Het H7 project is het vervolg op het succesvolle H6 project. Deze eerste volledig geïnstrumenteerde raket van NERO Haarlem maakte in 1992 als H6 zijn eerste en in 1994 als H6b zijn tweede geslaagde vlucht. De derde vlucht vorig jaar (H6c) mislukte doordat de recovery niet bleek te werken bij de hoge parachuteringssnelheid die het gevolg was van de windgevoeligheid van de raket. De opvolger van de H6 stond echter al klaar: in 1995 had de H7a immers zijn eerste succesvolle demo-vlucht gemaakt

Inleiding en korte historie van het project [Top] [Inhoud]

Het H7 project beoogt de bouw van een geïnstrumenteerde tweetrapsraket waarbij de ervaringen opgedaan bij het H6 project worden benut. De keuze voor een tweetrapsraket heeft een aantal redenen. Een tweetrapsraket heeft door zijn opbouw een aantal eigenaardigheden en specifieke problemen die een eentrapsraket niet heeft: bijvoorbeeld een ontkoppelsysteem, safe/arm en besturing van de vlucht, meervoudige scenarios (ingewikkelder faalboom) etc. Kortom een tweetrapsraket is een interessant onderzoeksobject. Voorts is het zo dat er in Nederland voorzover we hebben kunnen nagaan nog geen tweetrapsraket met succes heeft gevlogen, dus het is ook een primeur. Tot slot kan een tweetrapsraket in potentie hoger vliegen dan een eentrapper. Het ASK is weliswaar ongeschikt om die potentie te demonstreren maar het levert wel ervaring op "voor later". Omdat Haarlem op dit moment niet over zelf ontwikkelde motoren beschikt (kan nog komen in de toekomst) is besloten de motoren voor de H7 te betrekken van Meroc. De ontwikkeling van de Penta alfa mod.2 en Penta gamma is voor een deel financieel gesteund door Haarlem. Het gebruik van beide motoren in de bestaande, praktisch ongeïnstrumenteerde, raket zou technisch mogelijk zijn maar problematisch zijn in verband met het hoogtebereik. Het zou ook weinig zinvol zijn omdat de recovery van de raket nog niet onder de knie is en daarnaast is het vliegen met een tweetraps nogal kostbaar.

Vandaar een bescheiden stappenplan voor de H7.

Opbouw van de raket [Top] [Inhoud]

De H7a uit 1995 was een basis tweetrapsraket, met name bedoeld om te demonstreren dat de ontkoppeling werkte. Alles wat de raket ingewikkelder maakte dan nodig voor een demo vlucht was weggelaten. De vlucht van de H7a toonde aan dat de separatie stabiel was. Toen na het terugvinden van de neergestorte H6c op 1 april van dit jaar nog slechts twee maanden restte om de H7a geschikt maken voor een tweede vlucht op de NLD97 moest het stappenplan van de H7 wel worden bijgesteld. De verbeteringen betreffen daarom voornamelijk de tweede trap.

De verschillen tussen H7a en H7b zijn:

Ontkoppelsysteem: versteviging van de constructie van de zuiger en de vergrendeling (Ko)
Motor tweede trap: gebruik van de krachtiger Penta 500 inplaats van de Koudou (Leo) · Parachuteringssysteem toegevoegd gebaseerd op H6 ontwerp (Cees, Ko)
Rompdelen tweede trap parachuteringssysteem en electronica compartiment: uitgevoerd in koolstof met afneembaar inspectieluik (Rob, Ko)
Neuskegel: glasvezel inplaats van hout (Jeroen)
Electronica: Finite State Machine en nieuw safe/arm systeem (Bernard, Jeroen)
Aërodynamisch model en vluchtberekeningen: Kees, Wim en Mark

Al met al weer een flinke portie teamwork om alles op tijd klaar te krijgen!

Voorbereidingen [Top] [Inhoud]

Nieuw was dus een inspectieluik dat in verband met de aanwezigheid van de Finite State Machine (FSM) nog een cruciale rol zou spelen. De FSM bestuurt de vlucht. Inputs zijn o.m. sensors voor lift-off, ontkoppeling, en ontsteking tweede trap. Outputs zijn de ontstekers voor separatie, ontsteking tweede trap motor, loodsparachute en hoofdparachute, en status indicators. De precieze tijden waarop allerlei acties aan boord moeten plaatsvinden hangen af van het verloop van de vlucht (of alles werkt of dat er iets mis gaat) en de baan die gevlogen wordt. Om rekening te houden met het eerste is een faalboom opgesteld voor de vlucht. Voor alle realistische vluchtscenario's is van tevoren berekend op welke tijden welke acties moeten plaatsvinden om de kans dat de raket heelhuids wordt gerecoverd zo groot mogelijk te maken. De baan die gevlogen wordt hangt af onder meer af van de invloed van de wind en het eerder genoemde vluchtscenario. Met het programma Range 6 van Mark was het mogelijk al die scenario's en windinvloeden door te rekenen en de tijden te bepalen nodig om de tabel van de FSM in te vullen. Die tijden moesten daarna dus in de PIC controller worden geladen die het hart van de FSM vormt. Op basis van de weersvoorspellingen was de tabel van de FSM gevuld met tijden geldig voor 0 m/s wind respectievelijk 8 m/s, te selecteren d.m.v. een jumper.

De raket stond echter al naast de toren toen bleek dat een meer realistische windsnelheid zou zijn 4 m/s. Omdat doorrekenen met Range toch wat ingewikkeld zou zijn is besloten de tijden in de tabel van de flight controller aan te passen voor een vlucht met 4 m/s zijwind (ruimtelijk, rekening houdend met allerlei scenario's). Dat is gedaan door interpolatie van de 0 en 8 m/s wind gegevens. De cyclus van compileren, programmeren van de PIC microcontroller, vervangen van de reeds geplaatste controller door de nieuw geprogrammeerde controller en end-to-end testen van de FSM met het check-out kastje vergde slechts twintig minuten!
Niet slecht als je bedenkt dat we pas drie dagen van tevoren hadden uitgevonden hoe we de eerste gedebugde software versie van de FSM in de controller moesten programmeren. Op een experimenteerbordje, want de vluchtprint moest op dat moment nog gemaakt worden.

Zo was de H7B dus ogenschijnlijk optimaal voorbereid op de komende vlucht. Ogenschijnlijk, want de raket bevatte op dat moment al een fout (veroorzaakt door een human error) die ervoor zou zorgen dat de vlucht niet meer nominaal zou kunnen verlopen maar dat een van de faalscenario's gevolgd zou gaan worden.

Lancering en recovery [Top] [Inhoud]

Na het vervangen van de controller op het platform en het sluiten van het elektronicacompartiment kon de raket in de toren geplaatst worden. In tegenstelling tot twee jaar geleden gebeurde dat deze keer op de bij NERO gebruikelijke wijze, dat wil zeggen van bovenaf. Het bleek geen probleem de 212 cm lange en 13,4 kg zware raket boven de toren uit te tillen. Het bevestigen van de breekdraden van de raket en de automatische camera's was daarna routine. Frans verrichtte de laatste rituele handelingen aan de raket door het verbinden van de eerste trap ontsteker met de vuurlijn. Nadat de auto's teruggekeerd waren van het platform (waarom moet dat altijd zo snel eigenlijk?) was er nog ruim dertig seconden over voor de aftelling. Weer te weinig tijd om het papiertje met de essentiële timing gegevens erbij te pakken, de verrekijker te zoeken (wie heeft dat ding even geleend?), de stopwatch op scherp te zetten en een actieve observatiehouding aan te nemen...

Op t=0 ontbrandde de Penta motor zonder waarneembare vertraging en de raket steeg op. Nadat de raket uit de toren trad boog hij zoals verwacht enigszins naar de wind toe en vervolgde stabiel zijn weg. Tot ieders verbazing volgde er na het uitbranden geen ontkoppeling en geen ontbranding van de tweede trap. Werkte de Flight Controller in de tweede trap eigenlijk wel? Pijnlijk traag klom de H7b naar zijn hoogste punt maar voordat het zover was kwam de parachute van de eerste trap eruit. Inderdaad, want dat was een autonoom systeem dus daar kon de controller niet aan komen. Met de punt naar beneden gericht kwam de nu veel te zware H7 aan alleen zijn eerste trap parachute naar beneden zetten. Hoe was het mogelijk dat de tweede trap parachute er zoals gepland voor dit scenario niet uit kwam?? Inmiddels rende Jeroen Brinkman opgetogen rond en riep dat het precies ging zoals gepland ... voor dit scenario! Korte tijd later boorde de H7B zich met de punt in het zand en viel om.

Gelukkig was de landing niet ver van de toren zodat de recuperatieploeg snel ter plaatse was. Daar lag een complete tweetrapsraket met de tweede trap onder spanning en op scherp, met een verfrommelde neus. Volgens de procedure diende nu een helper met de laagste status de kortsluitplug van de tweede trap motor aan te brengen, terwijl de overige aanwezigen een veilige afstand bewaren. Maar dat bleek overbodig: de kortsluitplug zat er namelijk nog in! Hetgeen in ieder geval consistent was met de waarneming dat de tweede trap motor nog niet gebrand had. Maar waarom was er dan niet op zijn minst een ontkoppeling geweest? De controller kan het verschil niet zien tussen een kortgesloten en een gezonde ontsteker, dus er zou geen belemmering zijn geweest de separatie te activeren. De status LEDs die zichtbaar waren aan de zijkant van de raket waren donker. Het was dus de vraag of de flight controller van de tweede trap het überhaupt wel gedaan had. Na het aanbrengen van de SAFE plug werd de raket onder spanning gehouden en teruggevoerd naar de tent om uit te zoeken wat er aan de hand was.

Inspectie [Top] [Inhoud]

Zoals gezegd bevat de H7b een inspectieluik dat toegang geeft tot de elektronica. Hiervan kon nu geprofiteerd worden. De flight controller werd doorgemeten en het bleek dat hij gewoon onder spanning stond en het "No-Sep" scenario had gevolgd: dit scenario wordt door de status leds als "00", alles donker, weergegeven. Nu kwam de aap uit de mouw want het bleek dat Jeroen en Mark bij de laatste update van de software hadden besloten dat in geval separatie uitblijft het verstandiger is de gehele combinatie aan de parachute van de eerste trap te laten landen. Hetgeen dan ook gebeurd was.

Blijft de vraag waarom het separatiesysteem niet had gefunctioneerd. De reden hiervoor werd een paar dagen later snel duidelijk nadat het separatiesysteem geopend werd: de ontsteker had goed gefunctioneerd maar de extra pyrolading (orde 100 mg) was vergeten! Het separatiesysteem is vervolgens alsnog voorzien van een lading en een nieuwe ontsteker en functioneerde daarna zoals het hoorde.

Conclusie [Top] [Inhoud]

Wat heeft deze vlucht ons nu opgeleverd? Allereerst de wetenschap dat voor kritieke acties altijd een checklist moet worden gehanteerd. Als gevolg van tijdsdruk is dat iets dat gewoonlijk tot het laatste moment wordt uitgesteld en vaak c.q. meestal helemaal niet gebeurt. Prepareren van een kritisch systeem (zoals pyrosysteem dus) moet eigenlijk met twee mensen gebeuren waarbij de tweede persoon de handelingen van de eerste controleert. Dat geldt voor het separatiesysteem maar evengoed voor het verwijderen van de kortsluitplug van de tweede trap motor.

Maar er is ook goed nieuws! De neuskegel is verfrommeld en daarmee hebben we twee vliegen in een klap geslagen: (1) de neuskegel was eigenlijk mislukt dus hij moest toch overnieuw, en (2) door te verfrommelen ving hij de schok van de landing op waardoor de raket gespaard bleef.

De Flight Controller werkte zoals het bedoeld was. Normaal ontwerp je een systeem voor een nominale vlucht en als het dan anders gaat gaat het mis. In het geval van de H7b was het systeem ontworpen om te kunnen inspelen op allerlei onvoorziene omstandigheden, maar niemand had er natuurlijk op gerekend dat die tijdens een vlucht ook werkelijk zouden optreden. Als dat dan wel gebeurt en je ziet dat het werkt dan is dat toch een succes.

Ook een succes voor de baanberekeningen en aërodynamica. Door eendrachtige samenwerking van Kees en Mark kon het verloop van de vlucht met realistische windcondities worden doorgerekend. Die windcondities waren dit keer bekend door de medewerking van Arnold en Peter, meteo-amateurs van de Vereniging voor Weer- en Sterrekunde. (Hierover meer in een volgend Bulletin.) Het bleek dat de feitelijke landingsplaats in het No-Sep scenario precies in het gebied lag dat door de simulaties was aangegeven. Het simulatieprogramma kan omgaan met onzekerheden in de invoergegevens en geeft als output desgewenst een soort waarschijnlijksverdeling voor het landingsgebied. Het plaatje dat hoort bij de vlucht van de H7b is hierbij afgedrukt.

Toch een succesvolle vlucht dus al ging het niet helemaal zoals bedoeld. De H7b zal vrij zeker als H7c nog een vlucht maken op de low-profile lanceerdag van 24 oktober dit jaar.

Lanceergegevens:

Toren instelling: elevatie: 80o azimuth: 35o
Wind gegevens (nabij toren) richting: 130o (+10o) snelheid: 4 m/s (+1,5 m/s)
Gemeten landingspunt ten opzichte van lanceertoren: Noord 425 m Oost 112 m