This is a report of the third firing of the Ballistic Evaluation motor constructed by the Vlaamse Raket Organisatie (VRO). During the second firing a number of issues surfaced, which were since resolved and this third test is intended to verify these fixes.

Voorbereiding

Aangezien tijdens de vorige test problemen opdoken met de opstelling van de BEM op een pallet, werden voor deze test een paar wijzigen aangebracht. De drukcel werd op een dikke stalen plaat bevestigd, waarin onder het uiteinde van de drukcel een uitdieping gefreesd werd om voldoende doorbuiging toe te laten. Deze stalen plaat werd op een stuk stevig staalprofiel bevestigd, hetwelk rechtstreeks op de grond geplaatst werd. Het profiel werd een beetje in de grond gedrukt zodat het stabiel werd.

Foto: Testopstelling. Uiterst links is de draadloze ontstekingsdoos te zien, met daarnaast de laptop die de gegevens logt en de BEM zelf. De druksensor werd ondersteund om oscillaties van de stuwkrachtmeting te voorkomen. Op de achtergrond is de camera op statief te zien.

Omdat op basis van de brandduur van de vorige test vermoed werd dat er mogelijks lekkage geweest is van het vlamfront naar de zijkant van het brandstofblok, werd ditmaal een laag Parabond aangebracht aan de binnenzijde van de fenolbuis. Deze laag van een paar mm dik zorgt voor een betere hechting van de brandstof aan de wand van de buis, zodat het vlamfront hier niet meer kan indringen. De aansluitingen tussen de Static Test Controller en de druksensor, drukcel en breekdraden werden voorzien van connectoren, zodat het systeem gemakkelijk op te stellen en af te breken is en het geheel bedrijfszekerder wordt. Hierbij werd getest of alles correct aangesloten is.

De aansluiting met de druksensor werd ditmaal opgevuld met olie om indringen van rookgassen te vermijden. Hiervoor werd de druksensor van de motor losgemaakt, werd de ontluchtingsmoer aan het sensoreinde open gezet, en werd met een injectiespuit een paar cc siliconenolie ingebracht. Het einde van het buisje werd afgedicht met vet, dit om uitlopen van de olie te voorkomen. De aansluiting van het buisje met het motordeksel werd tevens gevuld met vet, en de druksensor werd terug aangesloten.

Tijdens de vorige test werd vastgesteld dat de mechanische opstelling van de druksensor zorgde voor oscillaties in de stuwkrachtmeting. Om dit te voorkomen werd de druksensor ondersteund door een houten blokje.

Om tot een goede ontsteking te komen werd een paar gram zink-zwavelpoeder gemengd met alcohol, en met een wattenstaafje aangebracht op het ontbrandingsoppervlak van het brandstofblok. Na vervliegen van de alcohol bleef een laag poeder ietwat aan de brandstof gehecht. De ontsteker was gelijkaardig aan die gebruikt tijdens de vorige test.

Observaties tijdens de test

Na het aftellen drukte David de ‘Arm’-knop in, waarna de waarschuwingssirene van de draadloze ontstekingsdoos duidelijk hoorbaar was. Na een paar seconden werd op de ontstekingsknop gedrukt, de ontsteking van het zink-zwavelpoeder was onmiddellijk zichtbaar. De ontsteker werd uitgeworpen, hij vloog niet ver doordat hij goed verbonden was met de luidsprekerklemmen van de ontstekingsdoos.

Een vlam was zeer kortstondig te zien, gevolgd door witte rook die traag uit de keel stroomde. Dit duurde een tweetal seconden, waarna de witte rook verdikte en sneller stroomde, duidend op een volledige ontsteking van de brandstof.

Vanaf het moment van volledige ontsteking heeft de motor 26 seconden gebrand. De rookontwikkeling was vrij regelmatig, op de videobeelden was af een toe een spatvormige uitstoot te zien tussen de rook. Er was geen zichtbare indrukking van de drukcel, noch waren oscillaties van de druksensor te zien zoals op de beelden van de vorige test. Aan de rand van de moer waarin de keel bevestigd is, was rondom een lichte rookvorming te zien, mogelijk te wijten aan een (klein) lek in de structuur van de keel. Het zou eventueel ook kunnen gaan om terugslag van de rookgassen door turbulentie rond de keelregio. Deze rookvorming was niet aanwezig van in het begin van de verbranding, maar trad pas na een 15-tal seconden op.

Foto: rookontwikkeling tijdens de test

Observaties na de test

Een minuut na de test was de motor handwarm. Er werd gevoeld aan de aansluiting van de druksensor met de motor, aan het verbindingsbuisje en aan de sensor zelf. Er was een lichte opwarming van de aansluiting aan het motordeksel (zoals verwacht kan worden door geleiding van de warmte in het metaal), er werd geen opwarming van het buisje en de sensor zelf vastgesteld.

Foto: motordeksel na de test

De verkleuring zoals vastgesteld na de vorige test heeft zich verder doorgezet. Opvallend is dat deze verkleuring vooral optreedt aan één zijde van de keelregio. Er werden visueel geen tekenen van lekkage vastgesteld rond de montering van de keel, de koppeling van de druksensor of de aansluitingen van de breekdraden.

Foto: geopende motor

De motor werd geopend. Onmiddellijk was duidelijk dat de laag Parabond ablatief gebrand heeft, dit was te zien aan een afbladerende harde korst aan de binnenwand. De laag is echter niet volledig doorgebrand tot op de fenolbuis, de witte laag was nog duidelijk aanwezig, zij het in iets meer poederige vorm. Aan de dichtingen van de verbrandingskamer met boven- en onderdeksel waren geen sporen van lekkage te zien.

Foto: keelregio na de test, metalen staafje ingebracht via aansluiting druksensor

In het convergente gedeelte naar de keel, in de keel zelf en in het divergente gedeelte na de keel was een afzetting te zien van ongeveer een mm dik. Deze afzetting was hard en korstvormig, bij mechanische verwijdering ervan kwam ze gemakkelijk los en brak ze in stukken. Het was duidelijk dat de opening naar de druksensor in het divergente gedeelte hierbij geblokkeerd is geraakt. Bij het inbrengen van een metalen staafje langs buiten in de aansluiting van de druksensor werd op deze laag gestoten, enige lichte kracht was nodig om de laag te doorbreken. Hierbij brak een stuk van deze laag af (zie foto).Deze afzetting heeft de keel zelf niet geblokkeerd, hoewel vermoed wordt dat de doormeter van de keel wel lichtelijk verkleind is tijdens de test.

Foto: afzetting na verwijdering uit de convergente regio

Er wordt vermoed dat deze laag afkomstig is van de rookgassen van de brandende Parabond, die gecondenseerd zijn tegen de (koelere) motorwand en deksel. Dit dient onderzocht te worden tijdens verdere tests. David stelt voor om eventueel een ander materiaal te gebruiken voor de coating, nl. een temperatuursbestendige elastische silicone of polymeer gebruikt om kachels af te dichten.

Foto: brandstofhuls

De buitenzijde van de brandstofhuls zag er proper uit na de test, er waren lichte sporen van onverbrand zink-zwavel, maar veel minder dan tijdens de vorige test. De contacten van de breekdraden waren proper en blinkend, er was telkens een lichte afdruk te zien in het middel van de messingbusjes waar de aansluitstiften contact hebben gemaakt. De aansluitstiften vertoonden een lichte afzetting van zinkzwavelpoeder op de conische tip van de stiften, het uiteinde waar contact gemaakt wordt was echter zuiver en blinkend. De afdichting van de onderkant van de huls was intact. De breekdraden waren doorgebrand, een aantal draden staken nog een paar mm uit de messing busjes, en waren druppelvormig afgesmolten.

Foto: breekdraad na de test

Analyse

Geluid

Er is geen geluidsopname beschikbaar. Deze werd wel gemaakt, maar tijdens het afsluiten van de laptop vlak na de test werd een fout gemaakt waardoor het geluidsbestand niet weggeschreven werd. Om dit te vermijden is het beter om in de toekomst na het einde van de test de laptop niet af te sluiten, maar in “hibernate” of “standby” te zetten. Na opnieuw opstarten in een geschiktere omgeving (bureau) kan dan rustig gezorgd worden dat alle data goed bewaard wordt.

Beeld

You-Tube link

Gemeten data

De volgende instellingen werden gebruikt:

Current config:
- Sample speed: 100 Hz
- Active channels:
	- Loadcell:........... on
	- Pressure transducer: on
	- Breakwires 1,2,3&4:. on
- Test identification: "VRO BEM test 3"
- Ringbuffer size: 85 samples

De basiswaarden waren 20 voor de drukcel, 278 voor de druksensor en 99 voor de breekdraden.

Na de test was duidelijk dat het wegschrijven van de gegevens niet getriggered werd. Mogelijk was de druk op de drukcel en/of druksensor niet hoog genoeg om de start van de test te detecteren, dit kan ook te wijten zijn aan een verkeerde calibratie van de elektronica. Er zijn dus geen meetgegevens beschikbaar.

Bij analyse van de elektronica na de test werd vastgesteld dat de drukcel niet meer in balans is. Er werden afwijkende weerstandswaarden vastgesteld tussen de verschillende aansluitingen, terwijl deze normaalgezien gelijk moeten zijn. Er wordt vermoed dat de drukcel beschadigd geraakt is, ofwel door mechanische impact of door elektrische oversturing.

Tijdens de voorbereiding van de elektronica werd reeds duidelijk dat er geen goede manier is om de druksensor te calibreren. Dit werd tot nog toe gedaan door middel van een verloopstuk met manometer aan te sluiten, en dit onder druk te zetten met een fietspomp. De over een beperkt bereik verkregen meetwaarden werden dan geëxtrapoleerd naar de rest van het meetbereik van de druksensor. Het is duidelijk dat een betere methode zou zijn om het systeem onder druk te zetten op een manier die het hele meetbereik bestrijkt, bvb met een drukgasfles met (inert) gas.

Ook is duidelijk dat de druksensor een veel te groot bereik heeft (200 bar) voor dit type testen. Het is een goed idee om een tweede druksensor aan te schaffen met een meetbereik dat beter aangepast is aan deze tests.

Het zou ook handiger zijn om voor de druksonsor een aansluiting te hebben die snel kan aan- en losgekoppeld kan worden (“Quick Connect”). Dit kan misschien mee geïntegreerd worden in de aanpassingen die gedaan moeten worden om indringen van rookgas in de aansluiting te vermijden.

Conclusies / verbeterpunten

De ontsteking heeft goed gewerkt, wel dient het systeem aangepast te worden om ook voor kleine keeldiameters bruikbaar te zijn.

De Static Test Controller heeft geen meetgegevens vastgelegd. In de toekomst moeten de aansluitingen robuuster uitgevoerd worden, en moet een goed systeem ontwikkeld worden om de versterking van de sensoren te kunnen instellen (vooral de druksensor).

De drukcel is mogelijk beschadigd en dient best vervangen te worden.

Comments