DanSTAR

DanSTAR bygger raket med aluminiumstruktur  

Når man træder ind ad døren til DTU Skylab, bliver man mødt af en knitrende fornemmelse af kreativitet og nørderi. Her er der højt til loftet, og materialer og installationer inviterer til at blive udforsket og udfordret.

Særligt iøjnefaldende er et åbent værksted i den ene side af stueetagens store velkomstlokale. Indrammet af arbejdsborde, ligger en lang, cylinderformet konstruktion, der er hævet til arbejdshøjde, i midten af værkstedet. Omkring konstruktionen er en gruppe studerende i fuld gang med dagens arbejde. Som en del af studenterorganisationen DanSTAR, der er en forkortelse for Danish Student Association for Rocketry, er de nemlig ved at konstruere en 4,5 meter lang raket, der kommer til at have en flyvehøjde på 9 km.

Ved nærmere øjekast viser det sig, at store dele af raketten er udført i aluminium. 

 

Den 4,5 meter lange raket

 

Sandwichkomposition af aluminium og kulfiber 

Her, sidst i april måned, står langt det meste af rakettens indre struktur færdig på arbejdsbordet i DTU Skylab. Den meterlange konstruktion består blandt andet af bearbejdede aluminiumprofiler og store aluminiumringe, der hver især er bearbejdet med henblik på at fungere som skelet og monteringspunkter for andre elementer i raketten. Nogle af hullerne fra bearbejdningen er også lavet udelukkende med henblik på at sænke den samlede materialemængde i raketten, og derved lette rakettens vægt. Alle elementerne er bearbejdet med udgangspunkt i 3D-printede prototyper i plast.  

Sammen danner de forskellige aluminiumemner grundlag for rakettens indre struktur, som vil blive endeligt afstivet af en specialdesignet kulfiberskal med en tykkelse på 2 mm. Aluminiummet og kulfiberen kommer derved til at agere som en sandwichkomposition, der sikrer rakettens form, styrke og lethed. Alle tre parametre er ekstremt vigtige, når en så kompliceret konstruktion som en fuldt fungerende raket skal designes og opbygges fra bunden 

- Aluminiummet holder indmaden i raketten på plads, og den stiver også godt af, men når kulfiberskallen spændes på ydersiden af raketten, så går det hele op i en højere enhed, fortæller Rasmus Arnt, formand for DanSTAR. 

 

Aluminiumstrukturen sørger for afstivning og fastholdelse af rakettens komponenter

 

Rasmus Arnt forklarer også, at de har valgt at anvende aluminium som en af hovedbestanddelene i raketten, fordi aluminiummet giver teamet en stor fordel, hvis det er nødvendigt at foretage designrelaterede ændringer undervejs:  

- Det havde været virkelig kompliceret, hvis vi skulle designe en custom-made kulfiberskal med monteringspunkter. Hvis vi pludselig har lyst til at lave et nyt monteringspunkt på en kulfiberskal, skal der findes en løsning til det. Aluminium kan vi derimod let bearbejde selv, og derfor er kombinationen af aluminium og kulfiber optimal.  

 

Alt struktur i raketten er lavet af aluminium. Båndene er lavet af store, tykvæggede rør, der er blevet drejet ned på indersiden og ydersiden. Listerne der løber hele vejen ned langs raketten, er færdigudformede profiler, der er lavet en masse huller/monteringspunkter i.

 

Fra 7075 og kobber til 6082 og 3D-printet aluminiummotor  

At bygge en raket er ikke noget, man bare lige gør. Alle parametre bliver genovervejet og testet flere gange. Derfor konstruerede DanSTAR til start en testmotor med et system, der opførte sig som raketten, men ikke lettede. På den måde kunne de teste selve motoren, påtankning og sikkerhedssystemet, inden raketten stod endeligt færdig. Testmotoren består henholdsvis af kobber og aluminium i legering EN AW-7075.  

Når en raket opsendes, sker det via en kontrolleret afbrænding af brændstof. For at gøre afbrændingen mulig, tager man udgangspunkt i brandtrekanten. Ifølge brandtrekanten er ilt, brændstof og varme essentielle faktorer for, at en afbrænding kan forløbe. Derfor har DanSTAR konstrueret raketmotoren ud fra dette:  

- Raketten fungerer efter det princip, at der er to typer brændstof: En alkohol der kan brænde, og lattergas der kan oxidere flammen. På store raketter bruger man flydende ilt i stedet for lattergas. I forhold til brandtrekanten får vi ilten fra lattergassen, vi får det der kan brænde fra alkoholen, og vi får varmen fra en glødetråd, der tænder, forklarer Rasmus Arnt og fortsætter: 

- Den øverste klods af raketmotoren fungerer som en injektor, hvor alt brændstoffet bliver sprøjtet gennem små huller, der sørger for at forstøve brændstoffet videre ud i motoren. Injektoren er også blevet testet med vand forud for test med brændstof. 

 

Brandtrekanten viser de tre elementer, der er nødvendige, for at en afbrænding kan forløbe.

DanSTAR anvender disse som grundlag for afbrændingen i raketmotoren.

 

I testmotoren består injektoren af aluminium. Op ad injektoren er der placeret en dyse og et brændkammer, der begge er udført i kobber. Når to forskellige metaller kommer i direkte kontakt med hinanden og en væske, kan der opstå galvanisk korrosion, hvor det mest uædle af metallerne fungerer som offeranode og korroderer:  

- Aluminiumdelen sidder godt mast op ad kobberet inde i motoren, og brændstoffet bliver skudt gennem både aluminium- og kobberdelen. Kombinationen af aluminium og kobber der bliver mast godt ind mod hinanden, samtidig med at der føres væsker gennem dem, er bare rigtig uheldig, fordi materialerne ligger i hver sin ende af spændingsrækken. Det betyder, at aluminiummet er offeranode i den her sammenhæng, hvilket vi tydeligt kan se på stumperne, konkluderer Rasmus Arnt, og tilføjer:

 

Spændingsrækken viser, hvor ædle metaller er. Hvis to forskellige metaller sættes sammen og tilføres fugt, vil det mindst ædle af metallerne korrodere.

 

- Det var en virkelig ærgerlig overraskelse at se, hvor korroderet stumpen var, men alle tal viser, at 7075 har en meget lav korrosionsbestandighed, så det lærte vi på den hårde måde. En af de største lektier vi kan tage med ud af det her, er at tage hensyn til korrosion og spændingsrækken, når man begynder at sætte forskellige materialer sammen. Aluminium har et beskyttende lag aluminiumoxid på overfladen. Langt hen ad vejen troede jeg, at aluminiumoxiden ville holde aluminiummet i live, men lige så snart aluminiummet blev mast sammen med kobber og tilført fugt, startede korrosionen.

  

Brændstoffet sprøjtes ind i motoren via de små huller øverst i injektoren.

Her ses galvanisk korrosion på injektoren som følge af, at aluminiummet har været i tæt kontakt med kobber samtidig med brændstofvæsken.

 

Det har hele tiden været DanSTARs plan, at de skulle konstruere det, de kalder en ’flight-grade’ efterfølger til testmotoren. Den nye ’flight-grade’ motor er fuldt udført i aluminium, og er blevet 3D-printet på Teknologisk Institut.

Efter fundet af korrosion i testmotoren blev DanSTAR ekstra opmærksomme på at tage forbehold for korrosionsforhold i raketten generelt. Derfor valgte de at udføre alle resterende aluminiumdele i raketten i EN AW-6082 i stedet for EN AW-7075. EN AW-7075 er en legering med meget høj styrke, oggrund af styrken omtales den i nogle kredse også som ’space-grade’. Derfor var EN AW-7075 DanSTARs umiddelbare valg. De fandt dog ud af, at den ekstremt høje styrke ikke var nødvendig. I stedet valgte de at prioritere korrosionsbestandighed frem for styrke, ved at anvende EN AW-6082, der er langt mere korrosionsbestandig end EN AW-7075:  

 - Vi regner ikke med, at korrosion bliver et problem, men vi har stadig valgt at bruge 6082 i de resterende dele af raketten, fordi vi kommer til at skrue rustfrie stumper ned i aluminiummet, og alle rør, komponenter og fittings er også lavet af rustfrit stål, så under alle omstændigheder er der stål i nærheden af aluminiummet. For at vi forhåbentligt slipper bedst muligt afsted med at sætte to forskellige slags materialer sammen, har vi derfor valgt at bruge en mere korrosionsbestandig aluminiumlegering, afslutter Rasmus Arnt. 

 

Alle rør, fittings og andre komponenter er fremstillet af rustfritstål, der er monteret til strukturen udført i aluminium.

Her ses ligeledes komponenter i rustfrit stål.

 

DanSTAR påbegyndte projektet med testmotoren i slutningen af 2017, og de har arbejdet på selve raketten siden efteråret 2018. Teamet har ambitioner om, at raketten skal opsendes i Danmark i løbet af sommeren 2019.  

Alumeco har sponsoreret aluminiummet til projektet. Vi glæder os til at se raketten blive opsendt, og ønsker DanSTAR held og lykke med projektet.