Verslag H6a raketvlucht

1.

Overzicht van het project: een korte historie [Top] [Inhoud]

De primaire doelstellingen van het project waren:

1. het ontwerpen, bouwen en testen van een volwaardige raket in technische en planmatig opzicht, en
2. het ontwikkelen en toepassen van nieuwe technieken teneinde de prestaties en de betrouwbaarheid van de raket te verbeteren.

Terugkijkend op de vijf jaar die zijn verlopen sinds de vlucht van de H5 kan gesteld worden dat de afdeling er zeker in geslaagd is een volwaardige raket te ontwerpen en te bouwen, met gebruikmaking van een aantal nieuw ontwikkelde technieken, maar dat het project planmatig uit de hand is gelopen. Tijdsgebrek als gevolg van de grote werkdruk samenhangend met de organisatie van NLC, de reorganisatie van de vereniging en andere activiteiten (het Bulletin) hebben er voor gezorgd dat het systeem onvoldoende kon worden getest. Er heeft om die reden ook een aanzienlijke de-scoping van met name de instrumentatie moeten plaatsvinden. Het is mede door de ontwikkelde lichtgewicht technieken wel gelukt een van de technische doelstellingen, namelijk het bereiken van een zo hoog mogelijke eindsnelheid, te realiseren. De massa van de raket kon worden beperkt tot slechts 8,5 kg.

2.

Opbouw van de raket [Top] [Inhoud]

Het parachuteringssysteem is tweetraps. Op het hoogste punt wordt een luik weggeschoten uit de zijkant van het parachuterings-compartiment. Gelijktijdig wordt een loodsparachute uitgeworpen waarna de raket afdaalt met een snelheid van ongeveer 30 m/s. Op een hoogte van 600 meter wordt een hoofdparachute uitgeworpen waardoor de daalsnelheid wordt teruggebracht tot ongeveer 10 m/s. Deze acties worden ingeleid door de timer.

Het elektrisch systeem bestaat uit een autonome programmeerbare timer/pyro-actuatoreenheid, een microcontroller, een statusmonitor, een modulator en een 2-meter zender. Het systeem wordt gevoed uit een NiCd-batterij. De architectuur van het systeem is voorbereid op het toevoegen van een grote verscheidenheid aan instrumentatie, zoals een P/T-meter, versnellingsmeter, vibratiemeter, impact-resistent module e.d. Door tijdgebrek hebben we besloten deze modules niet te laten meevliegen op de eerste vlucht van de raket en ons te richten op de allernoodzakelijkste elektronica. Dit bood het voordeel dat het mechanisch systeem (motor, structuur, recovery) gekwalificeerd kon worden zonder de omvangrijke instrumentatie in de waagschaal te stellen. Hierbij hadden we ook het vluchtverloop bij de H5 in gedachten.

Het grondsegment is opgebouwd uit een ontvanger, een demodulator en een PC. Hiermee is een werkende downlink tot stand gebracht. De gegevens die naar de grond worden gezonden zijn statussen die de werking van de timer, de pyroactuators, en de parachutes weergeven. De laatste fase van de bouw; voorbereidingen voor de vlucht.

Gedurende de laatste fase van de bouw werden een aantal beslissende systeemtests uitgevoerd. Op zondag 20 september werd de gehele raketcombinatie voor het eerst in elkaar gezet. Op dat moment, minder dan zes dagen voor de lancering, moesten de volgende dingen nog gedaan worden:

• bedrading van de raket;
• inbouw sensors en elektrische modules;
• testen van het elektrische systeem w.o. downlink;
• implementeren software in de controller;
• samenstellen batterijpakket, batterijhouder en connectorbord;
• afwerken van de vinnen, de substructure en het luik van het parachuteringssysteem;
• testen van het parachuteringssysteem en de pyrotechniek (deblocking device en pyrobout);
• montage van de antenne in de boattail;
• spuiten van de romp;
• het voorzover mogelijk schrijven van de integratie- en lanceerprocedure;
• massabepaling en uitrekenen vluchtverloop;
• instellen van de timers.

Donderdagochtend 24 september werd het elektrisch systeem met de controller maar zonder het radiofrequent gedeelte voor het eerst getest. In de nacht van vrijdag op zaterdag werden het pyrosysteem en het parachuteringssysteem getest. Het systeem bleek niet naar behoren te werken en bepaalde delen moesten worden aangepast. Op zaterdagmiddag werd onder het toeziend oog van het publiek voor het eerst het complete elektrisch systeem getest inclusief downlink. Hierna konden de definitieve voorbereidingen voor de lancering doorgezet worden. De tijdstippen van de parachutering werden uitgerekend en in de timer geprogrammeerd. Door een krachtsinspanning van het gehele team is het tenslotte gelukt de raket zaterdagavond 26 september om 18.50 uur, dat wil zeggen tien minuten voor het sluiten van het lanceervenster, gereed te krijgen voor lancering.

3.

Vlucht en berging [Top] [Inhoud]

Op t=0 werd de motor ontstoken en de raket steeg onmiddellijk en stabiel op. Op hetzelfde moment crashte de software van het grondsegment omdat de aldaar gebruikte 2-meter ontvanger niet bestand bleek tegen de dip in de kwaliteit van het signaal. Met grote tegenwoordigheid van geest heeft Hugo de Jong het systeem daarna opnieuw opgestart zodat de vlucht verder gevolgd kon worden.

Op het oog verliep het branden van de motor nominaal. Na ongeveer 10 seconden was de raket uit het gezicht verdwenen. Via een draagbare 2-meter ontvanger kon men het telemetrie signaal beluisteren. Na 35 seconden kon in de lucht een knal worden gehoord. Dit betekende dat het pyrosysteem voor het uitwerpen van het luik in ieder geval gewerkt had. Enige seconden later werd het uitwerpen van luik en loodsparachute bevestigd vanuit de telemetriepost waar men deze gebeurtenis op het monitorscherm kon waarnemen.

Na omstreeks twee minuten kon de raket aan zijn hoofdparachute worden waargenomen op een hoogte van ongeveer 600 meter. De raket produceerde een rookspoor hetgeen suggereerde dat bepaalde onderdelen in brand waren gevlogen. Al voor de landing ging de raketzender uit de lucht wat voor de mensen met radio-ontvangers het sein was hun apparatuur uit te zetten. Drie minuten na de lancering landde de raket op een afstand van ongeveer 700 meter van de toren in noord-noordoostelijke richting. De berging verliep vlekkeloos. Na ongeveer twintig minuten was de gehele combinatie weer terug bij het toeschouwersterrein. De loodsparachute en de sleeve van de hoofdparachute, en ook het luik, zijn tot op heden niet teruggevonden.

4.

Analyse van de vlucht [Top] [Inhoud]

De vlucht verliep op het oog nominaal. In werkelijkheid bleek er toch wel het een en ander verkeerd te zijn gelopen. Uit de telemetrische gegevens werd de volgende informatie verkregen:

Hierbij moet opgemerkt worden dat als gevolg van een nog niet opgehelderde fout in het systeem een verwisseling van statusbits in de gegevensstroom vanuit de raket had plaatsgevonden. Om de informatie te kunnen interpreteren moesten de bits eerst softwarematig weer 'op hun plaats' worden gezet. Uit de informatie blijkt dat alles volgens plan is verlopen, behalve dat de timer/counter niet had behoren te stoppen na 110 seconden, en dat het uitschakelen van de zender plaatsvond voordat de raket geland was. Met een volledig geïnstrumenteerde vlucht zou dat tot een aanzienlijk verlies van vluchtinformatie hebben geleid. Overigens bleek van de twee beschikbare tapes met telemetrische gegevens er slechts een van zodanige kwaliteit dat de gehele vlucht nagespeeld kon worden zonder dat de software van het grondsegment crashte. Dit bewijst maar weer eens hoe belangrijk het is om meer dan een telemetrie-ontvanger (met recorder) op het terrein beschikbaar te hebben.

Anderhalve week na de lancering is de raket door het H6a-team in detail geïnspecteerd. Bij het openen van het elektronica compartiment bleek al snel waarom de timer/counter zogenaamd 'gestopt' was na 110 seconden: de plunjer van het deblocking device was door het bovenste plateau van de substructure heen geslagen en had een deel van de timer (waaronder de count-status monitor) beschadigd.

Het falen van het deblocking device is terug te voeren op fouten die zijn gemaakt bij het aanbrengen van de twee ontstekerladingen, in de nacht voor de lancering. De lading sas die feitelijk aangebracht is bedroeg 100 mg per ontsteken, terwijl bedoeld was 20 mg per ontsteken. Het deblocking device functioneerde tijdens de vlucht dus met een vijf keer zo grote lading sas dan bedoeld was. Het systeem dat de energie van de plunjer moet absorberen was hier niet tegen bestand.

Uit analyse van de telemetrische gegevens en van waarnemers in het terrein blijkt dat de vlucht van de H6a-raket in grote lijnen nominaal is verlopen.

Een reconstructie van het vluchtprofiel kan worden gemaakt op basis van het gegeven dat ongeveer 35 s na Lift-off de knal van het uitwerpen van het luik kon worden gehoord. Gezien de ingestelde tijd van 25 s betekent dit dat deze gebeurtenis heeft plaatsgevonden op ongeveer 3400 meter afstand van het toeschouwersgebied. Verder werd de ontplooiing van de hoofdparachute op het van tevoren ingestelde tijdstip (110 s) waargenomen op een hoogte van naar schatting 600 m. De raket is geland op een afstand van ongeveer 700 meter van de toren, ongeveer 450 meter met de wind meegedreven uit het baanvlak van de lancering.

Als deze gegevens worden vergeleken met het vluchtprofiel zoals dat een paar uur voor de lancering is berekend met het programma Flight van Mark Veltena blijkt dat binnen de grenzen van de nauwkeurigheid sprake is geweest van een nominale vlucht. Bij een volledig nominale vlucht zou het hoogste punt hebben gelegen op 3450 meter en dit punt zou zijn bereikt op 24 s na Lift-off. Het uitwerpen van de hoofdparachute zou hebben moeten plaatsvinden op een hoogte van 600 m en het landingspunt zou hebben gelegen op 645 meter van de toren. Dit alles bij een standaard atmosfeer en zonder windinvloeden.

De verschillen tussen de ideale, en de feitelijke vluchtbaan kunnen eenvoudig worden verklaard uit de aanwezigheid van een zwakke wind uit zuidoostelijke richting, d.w.z. dwars op het baanvlak van de lancering. De raket heeft 85 seconden aan zijn loodsparachute gehangen en 70 seconden aan zijn hoofdparachute.

Voor de reconstructie van de vluchtbaan is gebruik gemaakt van de informatie over hoogtewinden die door de militairen ter beschikking is gesteld. Er is aangenomen dat de raket in de stijgfase in het baanvlak is gebleven en dat de raket hangende aan de parachute een horizontale snelheid heeft gehad gelijk aan de windsnelheid op die hoogte. Het effect van om de wind klimmen is verwaarloosd (dit zou het baanvlak onder de gegeven condities ten hoogste enige graden hebben kunnen draaien). Bij de gereconstrueerde vlucht blijkt de landingsplaats ongeveer 200 meter noordelijker uit te komen dan wat door het bergingsteam is geschat.

Daarom kan gesteld worden dat het vluchtverloop en de landingsplaats aan de hand van de vooraf beschikbare gegevens met voldoende nauwkeurigheid kon worden voorspeld om te garanderen dat de raket binnen het terrein zou blijven.

Het overigens nominaal zijn van de vlucht heeft de volgende betekenis: · de prestatie van de TG-10 motor was nominaal. · de drag-coëfficiënt van de 'von Karman'-neuskegel was ruwweg in overeenstemming met hetgeen verondersteld was (NB: in het transsone snelheidsgebied veroorzaakt de drag een vertraging van de raket van ongeveer 50 m/s21) · de daalsnelheid aan de parachute was in overeenstemming met hetgeen bij testen op de grond was gemeten.

5.

Conclusies [Top] [Inhoud]

De afdeling is er in geslaagd om een technisch volwaardige raket te bouwen en te lanceren. De 'nieuwigheden' die bij de vlucht van de H6a zijn geïntroduceerd hebben bewezen goed te functioneren. Dit betreft bijvoorbeeld: · de lichtgewicht constructietechniek (substructure en rompdelen) · de downlink en grondsegment · nieuw timer ontwerp · controller voor data-acquisitie · nieuwe parachutes · meer robuuste bevestiging van printplaten

Dit zijn allemaal verbeteringen ten aanzien van het ontwerp van de H5-raket, de voorganger van de H6a.

De doelstelling om het project goed te documenteren is voor een belangrijk deel gerealiseerd, hoewel nog veel dingen voor verbetering vatbaar zijn.

Voor wat betreft het voornemen het ontwikkelings- en bouwtraject beter te plannen kan gesteld worden dat dit niet gelukt is. De hoeveelheid werk die op het laatste moment gedaan moest worden en de stress die dit veroorzaakte was zo mogelijk nog groter dan bij de H5. Dit kan maar ten dele worden toegeschreven aan de extra belasting in verband met de organisatie van de NLC-2.

Ontwikkeling en bouw van de raket

Er is te lang vast gehouden aan het concept van een volledig geïnstrumenteerde raket, terwijl dit gezien de hoeveelheid beschikbare tijd en de ervaringen uit het verleden niet realistisch meer was.

Bepaalde kritische elementen (met name de substructure) waren onvoldoende uit ontwikkeld voordat zij deel uit gingen maken van de H6a ontwerp baseline. Dit gaf problemen tijdens de fase dat de raket moest worden samengebouwd. Bij de produktie van de buizen ging het overigens wel goed.

Er was onvoldoende testgereedschap voor de H6a ontwikkeld. Hierdoor moesten testopstellingen worden geïmproviseerd onder grote tijdsdruk.

Verloop van de lanceercampagne

De operationele teams van de NLC waren onvoldoende geïnstrueerd in verband met de vlucht van de H6a. Hierdoor is een boel informatie over de vlucht verloren gegaan, zoals: · - gegevens over de afdaling aan de parachutes (geen timing) · - registratie van het landingspunt van de H6a en de loodsparachute

Er zijn maar weinig dingen gemeten; de meeste informatie komt uit schattingen.

Kanttekeningen met betrekking tot het vluchtverloop

Als er meer wind was geweest was het niet meer mogelijk geweest de parachuteringstijden zo in te stellen dat recovery binnen het terrein gegarandeerd zou zijn. Dit komt door het gekozen type parachuteringssysteem, waarbij de tijden vast ingesteld worden. Het maakt bv. weinig uit voor de landingsplaats of de loodsparachute 10 seconden voor of na het hoogste punt wordt uitgeworpen. Voor het tijdstip dat de hoofdparachute wordt uitgeworpen moet een grote marge worden aangehouden.

Aan de hand van de beschikbare gegevens over het windprofiel kon met voldoende mate van nauwkeurigheid de landingsplaats worden voorspeld.

6.

Aanbevelingen [Top] [Inhoud]

1. Er moet tijdens de bouw van de raket ook testapparatuur worden ontwikkeld. De toestand van de raket moet in de toren op eenvoudige wijze te controleren zijn, met name voor wat betreft de arming van het pyrosysteem.
2. De operationele teams moeten geïnstrueerd worden te letten op de volgende zaken:
• registratie van geluidseffecten tijdens de vlucht (knal geluidsbarriere, uitwerpen luik), bij voorkeur met behulp van microfoons;
• registratie van de vlucht door middel van film- of videobeelden;
• stabiliteit tijdens de aangedreven en de ballistische fase;
• gedrag aan de parachute (stabiliteit, slingerfrequentie, e.d.);
• registratie landingspunt raket, en onderdelen (theodolieten);
• hoogte waarop parachutering plaatsvindt (hoekmeter);
• daalsnelheid aan parachute (hoekmeter/stopwatch);
• registratie van het telemetriesignaal via verschillende ontvangststations (met verschillende locatie, antenne, recorder etc.).
3. Er moeten gedetailleerde procedures worden opgesteld voor de volgende handelingen:
• prepareren en testen van pyrotechnische systemen systeemintegratie;
• vluchtvoorbereiding (waaronder timer programmeren en parachutes vouwen);
• countdown;
• berekening vluchttijden aan de hand van laatste gegevens (massa, meteo);
• programmeren vluchttijden in timer.

Handelingen die aan de hand van deze procedures worden uitgevoerd moeten worden gecontroleerd door een tweede (min of meer ter zake kundige) persoon. Voor kritische handelingen moet een checklist met afvink systeem worden gebruikt.