Door Benjamin Wilkosz
Deel 5, 28 april 2006

• Terminal Velocity, deel 1, 23 december 2004
• Terminal Velocity, deel 2, 16 februari 2005
• Terminal Velocity, deel 3, 27 april 2005
• Terminal Velocity, deel 4, 1 maart 2006
• Terminal Velocity, deel 6, 12 maart 2007
• Terminal Velocity, deel 7, 9 oktober 2007
• NLD23 lanceerdag, 28 april 2006

Waarschuwing: alle verantwoordelijkheid wordt afgewezen! De inhoud van deze pagina heeft als enkel doel te informeren. Probeer geen experimenten na te doen die op deze pagina staan. De NAVRO en de auteur van dit artikel kunnen geen verantwoordelijkheid nemen voor lezers die gebruik maken van dit artikel. Het is in Nederland verboden bij wet om de hier beschreven stuwstof te bezitten als u niet in het bezit bent van een ontheffing op de "Wet Explosieven Civiel Gebruik" (WECG).

Terminal Velocity - Testen van de Avalon 008 op het NLD23

Op het NLD23 werd de krachtbron van het "Terminal Velocity" project getest. Na enkele maanden ontwerpen en bouwen waren alle benodigde onderdelen klaar om te zien of ze een test met de volle stuwkracht aankonden.

Voorbereiding

Het gieten van de lading van de Avalon 008 was de eerste keer dat ik werkte met een sorbitol stuwstof en ik moet zeggen dat deze erg makkelijk te verwerken is. Hoewel niet alle stuwstofblokken perfect waren besloot ik dat de kwaliteit goed genoeg was voor een eerste statische test. De totale massa van de stuwstofblokken was 2630g, het doel was 2700g. De volgende keer dat ik ga gieten verwacht ik de massa van de stuwstofblokken iets te vergroten door de krimpeffecten mee te rekenen en te compenseren. Het aanmaken van de stuwstof was een beetje anders dan bij de andere motoren die ik gemaakt heb. Dit keer droogde ik het kaliumnitraat om goede mechanische eigenschappen te verkrijgen, maar ik maalde de oxidator niet. Vanwege de afmetingen van de Avalon 008 zou het verschil in verbrandingsefficiëntie ten gevolge van de kleinere oxidatordeeltjes verwaarloosbaar zijn. Gezien de tijd die nodig zou zijn om 2kg kaliumnitraat grondig te malen besloot ik deze fase over te slaan. Net als bij de Avalon 007 zijn alle stuwstofblokken gegoten met phenol waarbij aluminium mallen gebruikt zijn om de exacte geometrie te garanderen.

Het assembleren van de Avalon was rechttoe-rechtaan en duurde net iets meer dan een half uur. Na het pas maken van de thermische voering (phenolbuis) door er A2 papier om te wikkelen, werden alle zes stuwstofblokken aan elkaar gelijmd in de voering. Dit is gedaan om catastrofaal doorbranden tussen twee stuwstofblokken te voorkomen zoals ik met de Avalon 007 eens meemaakte. Een roestvaststalen schijf werd geplaatst voor de voorste afsluiting. Doel van deze schijf is de voorste afsluiting van aluminium te beschermen tegen de hoge temperaturen in de verbrandingskamer. Niet alleen kan erosie een gevaar voor de aluminium voorste afsluiting zijn maar, mogelijk nog belangrijker, voor de veligheidsmechanismes voor overdruk. De voorste afsluiting van de Avalon 008 heeft een zwakste punt, berekend om open te blazen bij 10MPa zodat de motorbuis veilig blijft. Verhoogde temperaturen kunnen er voor zorgen dat de voorste afsluiting wegblaast bij een lagere druk. Een boorgat in het centrum maakt de stuwstof toegankelijk voor de vlam van de ontsteker en zorgt voor een gecontroleerd leeglopen van de verbrandingskamer in het geval van een te hoge druk.

Net als met eerdere motors is er gebruik gemaakt van een pyrogen om de motor te starten. Om een snelle ontsteking te garanderen is het eerste stuwstofblok gecoat met zwart nitrocellulose poeder.

In plaats van met twee O-ringen is de nieuwe straalpijp ontworpen met slechts één O-ring om het gewicht te beperken. Het is duidelijk dat de O-ring tegen zeer hoge temperaturen moet kunnen bij een druk van 3,0 Mpa. Daarvoor zijn Viton™ O-ringen besteld. Helaas ging er iets mis met de bestelling en moest een gewone O-ring worden gebruikt. Als extra bescherming en hulp voor de O-ring zijn de straalpijp en O-ring ingevet met Mastic Blue™, een afdichting voor hoge temperaturen.

De test en de resultaten

De test werd gedaan op mijn hydraulische testbank. Dit systeem is nauwkeurig (ook onder dynamische condities), gemakkelijk te gebruiken en niet duur. Voor deze test was de testbank voorzien van een aluminium overdrukkamer onder de motor (zoals te zien op de foto's). De hydraulische cilinder is gevuld met olie en een klein beetje lucht om het dynamische gedrag van de drukdoos te optimaliseren. Twee phenol ringen, ingevet met vaseline werkten als een glijdend lager.

Na het indrukken van de ontsteekknop startte de motor erg snel. De start was erg turbulent vanwege het hoge gehalte zwart nitrocellulose poeder coating en het grote pyrogen. Er was een kleine vuurbal te zien die ontsnapte uit de nozzle. Snel hierna ging de motordruk opbouwen. Binnen 0,3 seconden was de motor volledig ontstoken waarbij hij 450N stuwkracht leverde. De druk bouwde op en na 0,8 seconden na ontsteking ging de motor vol gas waarbij hij 820N stuwkracht gaf. Het was verbazingwekkend te zien hoe stabiel de motor werkte. Voor de volgende 2,6 seconden leek de motor in totaal evenwicht. Een effect waarop ik hoopte, beschreven in Terminal Velocity, deel 4. Ik schrok de eerste keer dat ik de video zag door iets wat leek op een hapering in de testbank. Tijdens de eerste run met deze testbank zorgden de nauwe toleranties van het glijlager voor vastlopen ten gevolge van thermische expansie, zoals te zien in Terminal Velocity, deel 2. Een nadere bestudering van de video toonde dat de naald nog steeds bewoog en na 3,4 seconden begon de drukafname in te zetten. Met een vastgelopen testbank zou de drukdoos enkele minuten geblokkeerd zijn totdat de motorbuis afkoelt. De drukafname laat de interne structuur van de motor zien. Om té sterke erosieve effecten tegen te gaan hebben de twee stuwstofblokken die het dichtst bij de straalpijp zitten een 30mm schacht, in plaats van een 25mm schacht. Na het opbranden van deze laatste twee stuwstofblokken stabiliseert de motordruk na 3,7 seconden voor een heel korte periode Op 4,1 seconden na ontsteking is bijna alle stuwstof opgebruikt en de motor komt tot rust...

Zoals altijd moet dit resultaat worden gezien als een benadering van de realiteit. Verkeerde aflezingen (positief en negatief), Wrijving van de glijlagers en/of de drukdoos (negatief) en andere factoren kunnen een afwijking in de stuwkrachtcurve veroorzaken.

Gedurende de inspectie in het veld kwam ik er achter dat de O-ring van de straalpijp vloeibaar geworden was! Onder de hoge temperatuur en druk is de buitenkant van de O-ring langs de straalpijpzekeringsring gestroomd en weer vast geworden op de buitenkant van de straalpijp. De binnenkant van de straalpijp was volledig verkoold! Gelukkig waren er geen tekenen van erosie in de motorbuis. Zonder de extra dichtingskit zou de situatie er geheel anders uit kunnen zien. Uit deze test bleek dat deze dunwandige straalpijp MOET worden voorzien van een hoge temperatuur O-ring!

Nu is het de tijd om de Terminal Velocity voor te bereiden voor zijn eerste vlucht op NLD24! Al de karakteristieken van de Avalon 008 zijn nu bekend, de eerste berekeningen (schattingen) kunnen worden gemaakt. De Terminal Velocity met een gewicht van ongeveer 4,7kg zal een hoogte van 2400m en een maximale snelheid van 260m/s (Mach 0.78) halen.

Bij deze wil ik dank uitspreken aan Mayfran Limburg B.V. voor het draaien van de O-ring groeven in de motorbuis, Hogeschool Zuyd voor het beschikbaar stellen van een draaibank groot genoeg om de motorbuis te draaien, Robby van Sambeek voor het anodiseren van de motorbuis (geweldig gedaan!), Fred van Arkel en Rafael Wilkosz voor het maken van de beelden/foto's van de statische test en tot slot maar niet het minste Jolijn Harmsen voor de hulp bij het schoonmaken van de motor!

Benjamin Wilkosz

Volgend deel: Terminal Velocity, deel 6, 12 maart 2007