实验应力分析:学生用HBM产品征服对流层

 

苏黎世联邦理工大学(ETH Zurich)瑞士学术空间机构(ARIS)的学生自2017年以来一直在建造研究火箭。2020/21年,一个由50多名攻读学士、硕士或博士学位学生组成的团队,作为 PICCARD 项目的一部分,开发了第四代研究型火箭,并在葡萄牙参加了欧洲火箭挑战赛(EuRoC)。

 

他们的目标是用他们的 PICCARD 研究火箭赢得“学生研发,30000英尺高空发动机”类别的奖项。这是首次由学生开发的混合推进发动机,并在2021年10月在欧洲火箭挑战赛(EuRoC)上成功推出。这一成功还得益于一个新的监测系统,测量和监控火箭气动结构上的载荷。该系统使用 HBM 应变计来获得飞行所有阶段产生的弯矩和轴向力的宝贵信息。

 

这为进一步优化研究火箭并成功参加2022年美国太空港杯大赛奠定了基础。在这里,作为HELVETIA后续任务的一部分,该团队希望能将一个4公斤的有效载荷携带到30000英尺的高空,并使火箭的所有部件安全返回地球。

挑战

火箭结构在飞行中会承受相当大的载荷。其中一些应力可以通过仿真模拟来确定。然而,一些关键的影响因素,如风或降落伞打开时阻力的冲击,在分析中无法精确确定。同时还需要所有载荷的可靠数据,才能制造出一个足够坚固,重量又轻的火箭气动结构。

解决方案

为了验证飞行条件下作用在PICCARD火箭气动结构上的载荷(仿真模拟),并在必要时进行修正,火箭集成了一个监测实际发生的弯矩和轴向力的系统。HBM应变计是该实验应力分析系统的核心,即使在极端条件下也能可靠地提供有意义的测量结果。通过获得的这些信息,可以更好地了解飞机结构在飞行的所有阶段所承受的载荷,从而有针对性地优化火箭结构。

结果

在过去,ARIS团队通过模拟使用简化假设,纯粹通过分析确定作用在飞行中的火箭上的载荷,在新的 PICCARD 项目中,首次使用了专用的监控系统。将坚固的应变计集成在火箭中,获取作用于火箭气动结构的载荷。通过记录的弯矩和轴向力数据,来对结构部件进行重量优化,以获得最佳结果。目标是夺取2022年在新墨西哥州举行的美国太空港杯。

ETH Zurich students reach for the stars

瑞士学术空间机构(ARIS)于2017年8月在苏黎世联邦理工大学成立。它鼓励学生将他们的理论知识运用到实际项目中。ARIS团队的年轻学者一直在开发火箭,积极参加世界各地的比赛。

2020年,第四个ARIS任务与PICCARD项目一同启动。这项任务的目标是赢得2022年新墨西哥州举办的美国太空港杯。在这次比赛中,该团队希望将他们的火箭的4公斤有效载荷运送到30000英尺高空,所有部件安全返回地球。为了实现这一目标,50名在读学生开发了全新的PICCARD火箭。

和以往将驱动技术外包不同,PICCARD 是首次由学生研发的混合推进发动机。新火箭在葡萄牙举行的欧洲火箭挑战赛上首次成功飞行,证明了该系统的有效性。

除了新发动机,火箭上还首次集成了基于HBM应变计的监控系统。在它的帮助下,PICCARD团队能够在飞行过程中收集有价值的数据,从而有针对性地对火箭进行优化,以便在美国太空港杯大赛中成功发射。

通往最佳航空结构的挑战

对于确保 PICCARD 火箭能够成功飞行并返回地球,一个足够坚固的航空结构至关重要。它必须在尽可能轻的情况下应对飞行各个阶段产生的所有载荷。获知有效载荷是确保其能够自动推进到所需高度的唯一方式。因此,团队需要精确了解飞行期间作用在结构上的所有可能载荷,以便赋予火箭最大强度和最小重量。

在PICCARD的开发过程中,学生们采用模拟仿真技术来确定设计火箭气动结构最重要的参数。然而,模型仅能预测大概的外部影响。相比之下,真实飞行需要获取实际发生载荷的精确数据,进一步优化火箭航空结构。

任务监测系统成功发射

在一个单独的子项目中,学生们为PICCARD任务开发了一个轻量级、易于实现且精确的监控系统。系统安装在火箭油箱上方,可以记录火箭飞行过程中产生的弯矩和轴向力。这为进一步优化火箭结构奠定了基础,希望能在2022年美国太空港杯上获得冠军。

在监测系统中安装了三个惠斯通电桥,其中两个用于测量x和y方向的弯矩,一个用于测量z方向的轴向力,每个电桥配有两个HBM应变计,用于测量载荷。应变计安装在火箭碳纤维外壳的内部。使用350Ω应变计,并提供3.3 V的高精度电压。所有信号电缆均经过屏蔽,以确保最佳信号质量。测试表明,该模块的噪声非常小。传感器采用三点弯曲试验进行校准。对于弯曲载荷,引入了高达最大载荷四分之三的载荷。

弯矩变形可通过轴向力和温度进行补偿。轴向力测量了弯曲力和法向力引起的力分量,仅补偿了温度引起的变形。为了获得有关轴向力的直接信息,需要进一步处理这些测量数据。

精确的数据用于优化航空结构

新的监测系统在葡萄牙首次使用期间展示了其能力。它可靠地测量了飞行过程中的载荷,并提供了所希望的大部分数据。从火箭发射到飞行的远地点(最高点),x和y方向上的轴向力和弯矩可以精确确定。

不幸的是,在返回地球的过程中无法收集有意义的数据:由于降落伞系统的技术故障,降落伞没有按计划在远地点展开。只是在火箭以240米/秒的速度下落时,它们才打开。造成的冲击力太大,以至于火箭破裂。

尽管缺乏下降的测量值,但这些数据仍然有助于更好地了解系统。PICCARD 火箭的气动结构可以进一步优化,提高了在2022年美国太空港杯的获胜可能性。

HBM 提供精确的测量结果

在为新开发的监测系统选择测量技术时,HBM 应变计是理想的选择。理由包括过去的经验,该公司在测量技术领域的国际声誉,以及在最苛刻的环境条件下提供精确结果的能力。另一个优点是应变计易于集成,实现了HBM的“即插即测”承诺。此外,HBM团队还积极为PICCARD项目提供帮助和建议。

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关于 ARIS 和 苏黎世联邦理工大学

苏黎世联邦理工大学(ETH Zurich public research university)瑞士学术空间机构 自2017年以来一直致力于建造火箭。他们的目标是应用和深化理论知识,参加各种航空航天比赛。苏黎世联邦理工大学是一所专门研究技术和自然科学的大学。它成立于1855年,如今是世界上最著名的大学之一。16个系共招收了约23000名本科生和研究生。