ETH Zurich no ARIS ETH Zurich no ARIS | HBM

Análise experimental de estresse: estudantes conquistam os limites externos da troposfera com HBK

Estudantes da Academic Space Initiative Switzerland (ARIS) da universidade pública de pesquisa Eidgenössische Technische Hochschule Zurich (ETH Zurich) vem construindo foguetes de pesquisa desde 2017. Em 2020/21, uma equipe de mais de 50 estudantes empenhados, estudando para licenciatura, mestrado ou doutoramento, produziu a 4ª geração de foguetes de investigação como parte do projeto PICCARD, e entrou no European Rocketry Challenge (EuroC) em Portugal.

 

Seu objetivo era ganhar o prêmio na categoria, 'um aluno pesquisou e desenvolveu um motor atingindo uma altitude de 30.000 pés' com seu foguete de pesquisa PICCARD. Pela primeira vez, o foguete de pesquisa tinha um motor propulsor híbrido, desenvolvido pelos alunos. As capacidades funcionais do sistema foram demonstradas por um lançamento bem-sucedido no EuroC em outubro de 2021. Esse sucesso também foi alcançado em virtude de um novo sistema de monitoramento para medir as cargas na aeroestrutura do foguete de pesquisa. Os strain gauges HBK usados neste sistema forneceram informações valiosas sobre momentos fletores e forças axiais que ocorrem durante todas as fases do voo.

 

Isso formou a base para otimizar ainda mais o foguete de pesquisa e a participação bem-sucedida na Spaceport America Cup 2022 no Novo México. Aqui, como parte da missão de acompanhamento HELVETIA, a equipe quer transportar com sucesso uma carga útil de quatro quilos a uma altura de 30.000 pés e trazer todas as partes do foguete de volta com segurança para a Terra.

Desafio

A estrutura de um foguete é exposta a um estresse considerável durante o voo. Parte desse estresse pode ser estabelecido por meio de simulação. No entanto, alguns fatores de influência críticos, como o vento ou o choque da força de arrasto quando o paraquedas se abre, não podem ser determinados com precisão nas análises. Ao mesmo tempo, dados confiáveis sobre todos os fatores relevantes para a carga são necessários para produzir uma aeroestrutura de foguete que tenha a força máxima necessária para atingir os objetivos da missão, mas também seja leve. 

Solução

Para verificar as cargas que atuam na aeroestrutura do foguete PICCARD em condições de voo (usando simulação) e corrigi-las se necessário, um sistema para monitorar momentos fletores e forças axiais reais foi incorporado ao foguete. Os strain gauges HBK estão no centro deste sistema experimental de análise de tensão, fornecendo resultados de medição significativos, mesmo sob condições extremas. As informações obtidas fornecem uma melhor compreensão das cargas a que a aeroestrutura está sujeita, em todas as fases de um voo, permitindo uma otimização direcionada das peças estruturais.

Resultados

No passado, as equipes do ARIS estabeleceram as forças que atuam no foguete em vôo puramente analiticamente usando suposições simplificadas via simulação, mas para a missão PICCARD um sistema de monitoramento dedicado foi usado pela primeira vez. Isso foi integrado no foguete com os strain gauges robustos, fornecendo resultados úteis sobre as cargas que atuam na aeroestrutura do foguete. Os momentos de flexão e as forças axiais registrados durante a análise de tensão estrutural no voo de teste permitiram que o projeto de todas as peças estruturais de suporte de carga fosse otimizado para obter os melhores resultados. A equipe agora está bem equipada para participar da Spaceport America Cup 2022 no Novo México.

Estudantes da ETH Zurich alcançam as estrelas

A associação sem fins lucrativos Academic Space Initiative Switzerland foi fundada na universidade pública de pesquisa ETH Zurich em agosto de 2017. Desde então, tem incentivado os alunos a implantar seus conhecimentos teóricos em projetos práticos. Assim, as equipes da ARIS desenvolvem foguetes para participar de competições em todo o mundo para jovens acadêmicos e organizações sem fins lucrativos ambiciosas.

2020 viu o lançamento da 4ª missão ARIS com o projeto PICCARD. O objetivo desta missão é vencer a Spaceport America Cup 2022 no Novo México. Para esta competição, a equipe quer que seu foguete transporte uma carga útil de quatro quilos a uma altura de 30.000 pés e, em seguida, devolva todos os componentes com segurança à Terra. Para conseguir isso, 50 estudantes empenhados desenvolveram o foguete PICCARD completamente novo.

Pela primeira vez, ao contrário de seus antecessores com tecnologia de acionamento terceirizada, o PICCARD tem um aluno pesquisando e desenvolvendo motor de propulsor híbrido. O novo foguete conseguiu um primeiro voo bem-sucedido no European Rocketry Challenge em Portugal, demonstrando que o sistema funciona.

Assim como o novo motor, um sistema de monitoramento integrado ao foguete e baseado em strain gauges HBK foi usado pela primeira vez. Com sua ajuda, a equipe PICCARD conseguiu coletar dados valiosos durante o voo, permitindo a otimização direcionada do foguete para um lançamento bem-sucedido no Novo México.

O caminho íngreme para uma aeroestrutura ideal

Uma aeroestrutura suficientemente robusta é essencial para garantir que o foguete PICCARD possa alcançar com sucesso seu voo e retornar à Terra. Ele tem que lidar com todas as forças que ocorrem em todas as fases do voo, sendo o mais leve possível. Essa é a única maneira pela qual ele e sua carga útil podem ser autopropulsado até a altura desejada. Portanto, a equipe precisa de conhecimento preciso de todas as cargas possíveis que atuam na estrutura durante o voo, para que o foguete possa ser dotado de força máxima e peso mínimo.

Durante o desenvolvimento do PICCARD, os alunos usaram simulação para determinar os parâmetros fundamentais mais importantes para projetar a aeroestrutura do foguete. No entanto, os modelos dão apenas uma ideia aproximada de influências externas difíceis de prever, como o vento. Por outro lado, as medições em voo fornecem dados precisos sobre as forças que realmente ocorrem, o que, por sua vez, permite o design ideal da aeroestrutura.

Lançamento bem-sucedido do sistema de monitoramento de missão

Em um subprojeto separado, os alunos desenvolveram um sistema de monitoramento leve, fácil de implementar e ainda preciso para a missão PICCARD. O sistema finalizado foi instalado acima do tanque do foguete, permitindo que os momentos de flexão e as forças axiais ocorridas durante o voo do foguete fossem registrados. Esses dados agora formam a base para uma maior otimização do design das partes estruturais do foguete, na esperança de ficar em primeiro lugar na Copa América do Spaceport 2022.

Um total de três pontes Wheatstone, duas para momentos nas direções x e y e uma para forças axiais na direção z, cada uma com dois strain gauges HBK, foram instaladas no sistema de monitoramento para medir cargas. Os strain gauges foram fixados no interior da carcaça de fibra de carbono do foguete. Os strain gauges de 350Ω foram usados e fornecidos com uma tensão de alta precisão de 3,3 V. Todos os cabos de sinal foram blindados para garantir a melhor qualidade do sinal e aterrados na placa de circuito. Testes anteriores mostraram que o módulo gerou muito pouco ruído. Os sensores foram calibrados por meio de um teste de flexão de 3 pontos. Para demonstrar a carga de flexão, foram introduzidas cargas de até três quartos do máximo.

A configuração do strain gauge para os momentos fletores permitiu que as deformações fossem compensadas por forças axiais e temperaturas. Por outro lado, a configuração para forças axiais mediu componentes de força causados por flexão e forças normais, e compensou apenas as deformações induzidas pela temperatura. Para obter informações diretas sobre forças axiais, é necessário um processamento adicional desses dados medidos.

Dados precisos permitem peças estruturais otimizadas

O novo sistema de monitorização demonstrou as suas capacidades durante a sua primeira utilização em Portugal. Ele mediu cargas de forma confiável durante o voo e forneceu a maioria dos dados esperados. As forças axiais e os momentos fletores nas direções x e y podem ser determinados com precisão desde o lançamento do foguete até o apogeu (ponto mais alto) de seu voo.

Infelizmente, não foi possível coletar dados significativos durante o retorno à Terra: os paraquedas não foram implantados conforme planejado no apogeu devido a uma falha técnica no sistema de paraquedas. Eles abriram apenas durante a descida, quando o foguete estava caindo a uma velocidade de 240 m/s. As forças de choque que isso causou foram tão grandes que o foguete se partiu.

Apesar da falta de valores medidos para a descida, os dados ainda permitem uma melhor compreensão do sistema. Dessa forma, a aeroestrutura do foguete PICCARD pode ser ainda mais otimizada, levantando a possibilidade de vitória na Spaceport America Cup 2022.

HBK entregando os melhores resultados

Ao escolher a tecnologia de medição a ser empregada no sistema de monitoramento recém-desenvolvido, os strain gauges da HBK foram a escolha óbvia. A decisão foi baseada em experiências positivas no passado, juntamente com a reputação internacional da empresa como fornecedora de tecnologia de medição que oferece resultados precisos mesmo sob as condições ambientais mais exigentes. Outra vantagem foi a facilidade com que os strain gauges podiam ser integrados, cumprindo a promessa da HBK de “plug and measure”. Além disso, a equipe da HBK se dedicou a apoiar o projeto PICCARD com ajuda e aconselhamento. Isso, além da identificação da HBK com os objetivos da missão, são argumentos convincentes a favor da colaboração futura e de outros projetos bem-sucedidos.

Faça o download do estudo de caso completo

Sobre a ARIS e a ETH Zurique

Na Academic Space Initiative Switzerland, estudantes empenhados da universidade pública de pesquisa ETH Zurich tem trabalhado intensamente na construção de foguetes desde 2017. Seu objetivo é aplicar e aprofundar seus conhecimentos teóricos para participar com sucesso em várias competições aeroespaciais. A ETH Zurich é uma universidade especializada em tecnologia e ciências naturais. Foi fundada em 1855 e hoje é uma das universidades mais conhecidas do mundo. Cerca de 23.000 estudantes de graduação e pós-graduação estão matriculados em 16 departamentos.