Il gruppo di lavoro scientifico per la missilistica e il volo spaziale (WARR, Wissenschaftliche Arbeitsgemeinschaft für Raketentechnik und Raumfahrt), il più grande gruppo di studenti della Technische Universität München (TUM), si occupa dello sviluppo, del collaudo e del lancio di razzi sonda sperimentali. Il Progetto Nixus, l'ultima sfida intrapresa dal gruppo motivato di studenti, ha come obiettivo la progettazione di un razzo sonda a combustibile liquido che parteciperà alle competizioni studentesche, come la European Rocketry Challenge. Il razzo è destinato a competere nel segmento di competizione SRAD (Student Research and Developed) 30k. Tra le varie sfide, l'obiettivo principale di questa competizione è quello di raggiungere un'altitudine bersaglio di 30.000 piedi (9144 m) nel modo più accurato possibile.
L'utilizzo della propulsione liquida rappresenta un importante passo avanti nella complessità del sistema per il team missilistico WARR. Poiché il razzo è stato progettato da zero, l'obiettivo è quello di completare un sistema funzionante e qualificante in un breve lasso di tempo. Le generazioni future ottimizzeranno e perfezioneranno il progetto nel tempo e applicheranno le tecnologie e le competenze sviluppate in progetti successivi, come il superamento della Linea Karman (>100 km di altitudine).
La produzione e il collaudo sono fasi particolarmente importanti del processo di sviluppo. Questi servono a convalidare e migliorare i progetti, ma anche a fornire al WARR un'esperienza concreta nel settore dei voli spaziali commerciali contemporanei, consentendo agli studenti di acquisire un'esperienza pratica rilevante per l'industria molto prima del completamento dei loro studi.
Perle Systems è lieta di sponsorizzare il team di WARR con uno Switch PoE Industriale, una coppia di estensori Ethernet ad ampia portata, e un Device Server Seriale a temperatura estesa. Possiamo tutti seguire qui i loro progressi.
Considerazioni e dettagli sul progetto Nixus
Antonio Steiger, Electronics Team Leader del Progetto Nixus, commenta: Stiamo progettando il razzo e tutta l’elettronica da zero. Come si può immaginare, ci sono molte apparecchiature complesse che comunicano, monitorano e coordinano un lancio e un volo di successo. Ogni componente che scegliamo deve essere sottoposto a un'attenta valutazione in termini di idoneità e posizionamento.
Le parti fondamentali della struttura sono tre.
1.Il razzo: La durata e il peso rappresentano gli aspetti più critici per ogni componente a bordo del razzo. Più pesante è il razzo, più spinta è necessaria per lanciarlo da terra. Questo aspetto è particolarmente critico nei razzi a propellente liquido, poiché i motori a liquido sono generalmente più pesanti di quelli a solido a causa del peso delle pompe e dei condotti del carburante. Steiger commenta: I computer di volo sul razzo ricevono i comandi e inviano i dati diagnostici e di monitoraggio alla sala di controllo tramite RS485. Abbiamo scelto i ricetrasmettitori seriali RS485 per il razzo in virtù della loro leggerezza. Inoltre, ci permettono di avere una connessione cablata affidabile e semplice dal razzo all'interfaccia della piattaforma di lancio Chronos
.
2. Chronos, l'interfaccia della rampa di lancio situata a 10 m dal razzo: Le alte temperature e le sostanze esplosive rendono le rampe di lancio ambienti pericolosi in cui è richiesta una stretta osservanza delle linee guida di sicurezza. Perle ha fornito due apparecchiature di rete per dispositivi critici che possono essere manovrate da qui. Il Device Server IOLAN SDG2 è utilizzato per facilitare la trasmissione e la conversione dei dati RS485 tra il computer di bordo del razzo e l'infrastruttura di terra ethernet e il software di monitoraggio. Si tratta di un robusto device server seriale full duplex, in grado di funzionare fino a una temperatura di +74°C, che si adatta facilmente ai due computer di volo. Nonostante la semplicità della manutenzione e del controllo del Device Server IOLAN dovuta al software di monitoraggio basato sul web, questa linea di comunicazione viene interrotta al momento del decollo. Il secondo è uno Switch Ethernet PoE industriale IDS-108FPP utilizzato per fornire 30 watt di potenza a diverse telecamere IP che monitorano il razzo dalla rampa di lancio. Tutti i dati raccolti dalle apparecchiature di telemetria, dai sensori e dalle telecamere forniscono importanti informazioni al team di scienziati del razzo che siedono nella stazione di controllo a terra.
3. Cor, parte della stazione radio di terra, il quadro della sala di controllo situato a 600-1000 m dalla rampa di lancio: le distanze di sicurezza tra la rampa di lancio e la sala di controllo, pari ad almeno 600 metri, ma spesso superiori, pongono al team di elettronica notevoli problemi di trasmissione dei dati. Spiega Steiger, Il nostro obiettivo per la configurazione era quello di utilizzare un unico cavo di interconnessione tra la sala di controllo e la rampa di lancio. Gli Estensori Ethernet TC di Perle rendono possibile tutto ciò e riducono il numero di conduttori necessari per trasmettere i dati dagli 8 di Ethernet a soli 4. Questo ci permette di utilizzare un cavo ethernet diffuso ed economico per più chilometri, pur avendo una riserva di quattro conduttori aggiuntivi per ulteriori funzionalità.
Aggiornamento n. 1: Fase di test dell'elettronica
Steiger commenta: Abbiamo integrato con successo il nostro computer di volo secondario tramite IOLAN, che ci permette di ricollegarci al computer di volo quando la connessione viene persa fisicamente in un qualsiasi momento. Una cosa che ci piace particolarmente di IOLAN è che la documentazione è davvero completa. Il dispositivo sembra fatto apposta per gli ingegneri. Possiamo usarlo per implementare tutto ciò che vogliamo ed eseguire la diagnostica via SSH per aiutarci a rilevare gli errori. I LED del dispositivo sono implementati in modo estremamente pulito e sono di grande aiuto nello sviluppo. Anche l'interfaccia Web è molto intuitiva e la utilizziamo regolarmente.
Test con Switch IDS e IOLAN Perle
Prova della telecamera IP
Test a flusso freddo
Mess Interface
Modello di razzo
Banco di prova assemblato
Steiger continua: Tutti i test dell'infrastruttura di terra sono stati eseguiti con successo tramite lo switch Perle IDS e il protocollo WebRTC. Con questa combinazione, siamo stati in grado di ottenere una latenza media inferiore a 164 ms per i video live nel browser. Questo supera di gran lunga la latenza standard di 460 ms dei produttori di fotocamere. Siamo davvero colpiti dal fattore di forma compatto di Perle Switch e dall'affidabile visualizzazione dell'attività nella rete con i LED.
Aggiornamento n. 2: Test hot fire riuscito per il motore in scala ridotta (capacitivo)
Nel corso dello sviluppo di un motore per razzi, una versione in scala ridotta è stata sottoposta al cosiddetto test hot fire. È stata la prima volta che il progetto Nixus ha prodotto una fiamma. Il meccanismo di accensione sviluppato internamente utilizza idrogeno e ossigeno per accendere in modo affidabile qualsiasi motore sul banco di prova Nixus. Permette di eseguire rapidamente i test, che saranno fondamentali per lo sviluppo del motore a propellente liquido in scala reale per la Space Port America Cup 2023. Nelle prossime settimane, consentirà di eseguire i primi test hot fire su larga scala del prototipo in scala ridotta del motore prodotto da Nixus. Durante il test, lo switch industriale PoE IDS-108FPP ha fornito 30 watt di potenza per alimentare le telecamere di sorveglianza IP a temperature inferiori allo zero. Ha gestito in modo affidabile i preziosi dati delle misurazioni, i comandi di controllo e due streaming video in diretta.
In un test separato, il Device Server IOLAN SDG2 TX ha raccolto dati di telemetria seriali dai computer di volo che sono stati trasmessi con successo attraverso il collegamento SHDSL a lungo raggio dei TC Ethernet Extender.
Steiger ha commentato: Oltre ai dati del computer di volo, abbiamo trasmesso due streaming video full-HD a 30 FPS (fotogrammi al secondo) senza alcuna latenza aggiuntiva da parte dello switch o degli extender. In effetti, ci siamo resi conto di utilizzare solo il 15% - 17% della connessione SHDSL. Il software per gli extender è stato molto chiaro e utile, e il consumo energetico di tutti i dispositivi è stato migliore del previsto. Questo dato è importante per il funzionamento tramite UPS. In sintesi, siamo lieti di riferire che tutto ha funzionato correttamente senza sforzi eccessivi.
Aggiornamento n. 3: Lanci riusciti in sicurezza a una distanza di 500 metri
Il team del Progetto Nixus ha recentemente effettuato il lancio di un razzo a combustibile solido e i test di un motore a dimensioni reali per prepararsi alla European Rocketry Challenge di quest'anno.
Steiger ha commentato: AAbbiamo portato online con successo la nostra interconnessione a lungo raggio lunga 500 metri, un conveniente cavo Ethernet con 4 fili di dati, un interruttore di emergenza e due circuiti di avvio della sequenza di accensione. Ciò è stato possibile grazie alla tecnologia SHDSL degli extender Ethernet forniti da Perle. Attraverso un unico cavo, quattro fili trasmettono video in diretta e altri dati, mentre il resto dei fili viene utilizzato in parallelo per i circuiti critici di sicurezza. Tra questi abbiamo un circuito di arresto di emergenza con un pulsante nella sala di controllo e sulla rampa di lancio, oltre a due pulsanti di sequenza che consentono lo spegnimento e lo spurgo del motore sia dalla sala di controllo che dalla rampa di lancio. Siamo finalmente riusciti ad abbandonare gli inneschi di sequenza basati su software e ad effettuare lanci in sicurezza ad una distanza di 500 m.
Il collegamento a lungo raggio
, continua Steiger, è stato utilizzato con successo durante un lancio di qualificazione del nostro razzo a motore solido EX-1B per testare l'elettronica di terra e di volo. Tutto ha funzionato alla perfezione. L'accensione del motore attraverso la connessione a lungo raggio è stata precisa e in contemporanea venivano trasmessi i dati per il video in diretta.
Inoltre, il team del Progetto Nixus ha anche effettuato un test in scala reale della camera di combustione per quasi l'intera durata della combustione, circa 11 secondi. La camera di combustione ha funzionato in modo assolutamente stabile, senza alcuna anomalia.
Steiger conclude: Al momento, per quanto ne sappiamo, siamo l'unico team di studenti in Europa ad aver sviluppato un motore bi-liquido a etanolo/ossigeno liquido adatto al volo. Per noi si tratta di un traguardo enorme, che merita un riconoscimento.
Aggiornamento finale: Il WARR vince il Design Award EuRoC 2023
Project Nixus si è aggiudicato il Design Award della European Rocketry Challenge (EuRoC) 2023, nonostante abbia dovuto abortire il lancio del suo razzo EX-4. Il sistema EX-4 è stato definito il migliore in assoluto in termini di design e innovazione
, secondo Antonio Steiger, Electronics Team Lead del progetto.
Per oltre un anno, il team di Project Nixus ha ricercato, sviluppato e testato rigorosamente l'interfaccia della rampa di lancio Chronos
, la sala di controllo Cor
, i sistemi elettronici e correlati e, naturalmente, il razzo EX-4 stesso.
Alla competizione, che si è svolta nel Portogallo centrale ed è durata sette giorni, hanno partecipato più di 600 studenti di 22 team provenienti da 14 paesi europei. Giunto alla quarta edizione, l'evento si presenta come la prima competizione di lancio per studenti universitari europei.
Il maltempo e le forti piogge hanno interferito con gli ultimi preparativi, costringendo a posticipare sempre più la finestra di lancio. Questo ha fatto sì che non rimanesse abbastanza tempo per garantire un lancio sicuro e ben riuscito. Nonostante la delusione, il lancio non è stato una battuta d'arresto. Le condizioni avverse sono inevitabili nel settore missilistico e l'EuRoC ha fornito al team di Project Nixus una preziosa esperienza in termini di preparazione al lancio.
Il team ha inoltre avuto l’opportunità di stringere legami con studenti di missilistica di tutta Europa, con i quali spera di scambiare concetti e idee e, magari, di collaborare a imprese future.
Perle è orgogliosa di aver sponsorizzato Project Nixus e di aver fornito al WARR uno switch PoE industriale, una coppia di extender Ethernet a lungo raggio e un device server seriale per temperature estreme, componenti fondamentali per il successo dello sviluppo dei sistemi di lancio.
