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

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 HELVETIA conseguiu coletar dados valiosos durante o voo, permitindo a otimização direcionada do foguete para um lançamento bem-sucedido no Novo México.

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.

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.

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