成功案例丨ASTRA 利用奇石樂火箭發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試測(cè)量技術(shù)開發(fā)混合火箭

早在 2021 年，德國(guó)不來梅大學(xué)的年輕工程師們就聯(lián)合起來，設(shè)計(jì)并建造了一枚可回收的混合火箭，并將其送入太空。實(shí)際上，從第一天起，這支名為 ASTRA 的學(xué)生團(tuán)隊(duì)就得到了奇石樂測(cè)量技術(shù)的支持，包括傳感器、DAQ 和軟件，例如用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試的測(cè)量技術(shù)。現(xiàn)在，在 2024 年歐洲火箭大賽（EuRoC 2024）即將到來之際，ASTRA 即將測(cè)試其第二臺(tái)原型機(jī)：Karma 2.0。

歌德曾經(jīng)說過：“你可以被擋路的石頭絆倒，也可以用它們創(chuàng)造出美麗的東西?！碑?dāng) Jesaiah Coy 在 2021 年大流行病封鎖期間，在大學(xué)長(zhǎng)期關(guān)閉的情況下萌生了制造混合火箭的想法時(shí)，他的腦海中一定閃過了類似的念頭。杰賽亞的工程師伙伴和太空愛好者們?cè)陬^腦風(fēng)暴會(huì)議上開始討論這個(gè)想法，現(xiàn)在這個(gè)想法已經(jīng)發(fā)展成為 ASTRA——太空技術(shù)和研究應(yīng)用協(xié)會(huì)。該組織有 50 多人參與（大部分是兼職人員）：其中包括負(fù)責(zé)法律、人力資源、資金和活動(dòng)組織的項(xiàng)目管理團(tuán)隊(duì)，以及專注于空氣動(dòng)力學(xué)、航空電子學(xué)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試和推進(jìn)、回收、地面系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的技術(shù)團(tuán)隊(duì)?！翱柆敗?是 ASTRA 火箭的名稱，“卡爾瑪2.0” 是 2024 年的原型。

▲ASTRA e.V. 在不來梅 2023 年空間技術(shù)博覽會(huì)上展示了他們的混合火箭設(shè)計(jì)：一年前，他們?cè)谕换顒?dòng)上與奇石樂進(jìn)行了首次接觸。

ASTRA 位于德國(guó)北部城市不來梅，大部分參與者都在這里學(xué)習(xí)，但該協(xié)會(huì)已經(jīng)與荷蘭代爾夫特、德國(guó)巴登-巴登以及位于蘭波爾德豪森的德國(guó)航空航天中心（DLR）的火箭測(cè)試機(jī)構(gòu)建立了合作關(guān)系。

向卡門線進(jìn)發(fā)——用混合火箭

Jesaiah Coy 

Jesaiah Coy 是 ASTRA 的創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官（CTO），負(fù)責(zé)大部分測(cè)試活動(dòng)和其他活動(dòng)，如活動(dòng)和競(jìng)賽。他表示：“我們的主要目標(biāo)是學(xué)習(xí)，彌合理論與實(shí)踐之間的差距。當(dāng)你把課堂上學(xué)到的東西在實(shí)踐中進(jìn)行嘗試時(shí)，你會(huì)感到非常有啟發(fā)和收獲。而且，除了制造火箭之外，還有很多其他的事情要做：后勤、伙伴關(guān)系、法律方面，以及最重要的預(yù)算規(guī)劃?！盇STRA 的長(zhǎng)期目標(biāo)是：制造一枚能夠到達(dá)海拔 100 公里的卡曼線的火箭?？€以美籍匈牙利數(shù)學(xué)家、航天工程師和物理學(xué)家西奧多·馮·卡門（1881-1963 年）的名字命名，被廣泛認(rèn)為是地球大氣層和太空的大致分界線。

Coy Say： 

為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，團(tuán)隊(duì)采用了混合火箭的方法：這種方法沒有純液體火箭那么復(fù)雜，而且可以避免德國(guó)對(duì)固體火箭特別嚴(yán)格的規(guī)定。Coy解釋說：“其中只涉及一種液體——一氧化二氮，它可以自我增壓。通往卡曼線的第一步包括向三千米和十千米的高空發(fā)射。2023 年，我們首次參加了歐洲宇航競(jìng)賽。我們成功地完成了所有測(cè)試和準(zhǔn)備程序，但后來時(shí)間不夠了，最終沒能發(fā)射火箭。因此，今年我們自然希望更進(jìn)一步?！?/p>

Coy again: 

在火箭研發(fā)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試方面，ASTRA 依賴于奇石樂和其他供應(yīng)商提供的測(cè)量技術(shù)。兩個(gè)合作伙伴在 2022 年 11 月的歐洲空間技術(shù)博覽會(huì)（也在不來梅）上首次接觸，當(dāng)時(shí) ASTRA 首次向公眾展示了自己的想法。從那時(shí)起，奇石樂就開始為年輕的工程師們提供傳感器和測(cè)量鏈，以及寶貴的幫助，甚至包括現(xiàn)場(chǎng)支持。Coy 再次說到：“Frank Busch從一開始就對(duì)我們的項(xiàng)目非常感興趣，而且從那以后一直保持著這種興趣。對(duì)我們來說，能夠應(yīng)用在航天工業(yè)中享有盛譽(yù)的奇石樂成熟的測(cè)量技術(shù)確實(shí)是一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)?！?/p>

▲ASTRA e.V. 在不來梅 2023 年空間技術(shù)博覽會(huì)上展示了他們的混合火箭設(shè)計(jì)：一年前，他們?cè)谕换顒?dòng)上與奇石樂進(jìn)行了首次接觸。

利用奇石樂進(jìn)行火箭發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試和推力測(cè)量

在撰寫本報(bào)告時(shí)（2024 年 2 月下旬），ASTRA 的 “卡爾瑪 2.0 ”混合火箭正處于建造過程的 B 階段，因此火箭發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試和風(fēng)洞測(cè)試將很快開始。最新的火箭高度約為 4.5 米，威力應(yīng)該是第一枚 ASTRA 原型火箭的 2.5 倍，重量略輕。四支奇石樂公司生產(chǎn)的 9021A 型壓電力傳感器用于測(cè)量推力：在試驗(yàn)臺(tái)上，這些傳感器安裝在一塊板和火箭艙壁之間。Coy解釋說：“傳感器在這種設(shè)置下工作得非常好。結(jié)合來自奇石樂壓力傳感器（測(cè)量燃燒室內(nèi)外以及一個(gè)噴射器上游的壓力）的數(shù)據(jù)，我們能夠計(jì)算出混合火箭的比推力和總推力。這些數(shù)據(jù)與性能優(yōu)化密切相關(guān)?！?/p>

“這些測(cè)量遠(yuǎn)非簡(jiǎn)單，幸運(yùn)的是，我們能夠幫助 ASTRA 團(tuán)隊(duì)改進(jìn)傳感器集成和測(cè)量鏈?！逼媸瘶蜂N售工程師Frank Busch說，“他們的數(shù)據(jù)質(zhì)量一開始并不理想，無法獲得理想的結(jié)果，因此我和兩位同事一起前往德國(guó)航天中心現(xiàn)場(chǎng)，為學(xué)生團(tuán)隊(duì)提供支持。他們改變了設(shè)置，使用了不同類型的傳感器，將壓電式壓力傳感器改為壓阻式壓力傳感器，以減少熱沖擊的影響——之后，一切都非常順利?！盋oy再次說到：“最后，就連現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試工程師也對(duì)我們的數(shù)據(jù)質(zhì)量印象深刻，不僅因?yàn)槲覀兊臄?shù)據(jù)質(zhì)量，還因?yàn)橹辽儆腥粊碜云媸瘶返墓こ處熡H自前來支持像 ASTRA 這樣的學(xué)生活動(dòng)?！?/p>

▲在 ASTRA 的 “卡爾瑪”火箭的燃燒室中集成了奇石樂的測(cè)量技術(shù)：這是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試中不可或缺的資產(chǎn)。

完整的測(cè)量技術(shù)——從傳感器到軟件

所有傳感器都連接到 KiDAQ 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)可輕松連接到運(yùn)行 KiStudio Lab 軟件的標(biāo)準(zhǔn)筆記本電腦，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和配置。為了完善測(cè)量鏈，ASTRA 還可以使用奇石樂的 jBEAM 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化和分析。Shancia Andrew 作為推進(jìn)器部門的一員在ASTRA工作了近一年。她報(bào)告說 ：使用傳感器、KiDAQ 和軟件非常簡(jiǎn)單——我?guī)缀蹩梢杂霉P記本電腦完成所有工作。數(shù)據(jù)質(zhì)量非常好，使用 jBEAM 軟件進(jìn)行分析也非常方便高效。

ASTRA的目標(biāo)是在2024年5月之前完成推進(jìn)系統(tǒng)的準(zhǔn)備工作，這樣就可以將重點(diǎn)轉(zhuǎn)向風(fēng)洞和振動(dòng)測(cè)試。雖然奇石樂的加速度傳感器尚未在該項(xiàng)目中使用，但屆時(shí)它們完全可以發(fā)揮有用的作用。Coy指出：“在過去的一年里，我們學(xué)到了很多測(cè)量技術(shù)和測(cè)試方面的知識(shí)，現(xiàn)在我們能夠更好地優(yōu)化我們的混合火箭，并滿足歐洲軌道交通協(xié)會(huì)的要求。在這一測(cè)試階段，ASTRA 還將有機(jī)會(huì)測(cè)試奇石樂公司的新型 4011A 壓阻式壓力傳感器。”

▲火箭發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試：ASTRA e.V. 推進(jìn)器工程師 Shancia Andrew 正在檢查與 KiDAQ 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連的奇石樂壓力傳感器。

在 2024 年 10 月第二次參加歐洲火箭競(jìng)賽之前，計(jì)劃在夏季進(jìn)行墜落測(cè)試和模擬發(fā)射。這次比賽的成功將是通往卡曼線征程上的一個(gè)非常重要的里程碑，該團(tuán)隊(duì)希望在 2025 年用超過 8 米高的火箭到達(dá)卡曼線?！拔覀?nèi)匀幻媾R的一個(gè)重大挑戰(zhàn)是如何找到并支付用于發(fā)射的太空港。顯然，這在德國(guó)是不可能的——出于安全考慮，你需要更靠近公海。”Coy解釋說。如果他們成功抵達(dá)卡曼線，ASTRA 團(tuán)隊(duì)將成為有史以來第二個(gè)實(shí)現(xiàn)如此宏偉目標(biāo)的學(xué)生倡議，也是第一個(gè)使用混合火箭設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的學(xué)生倡議。

▲ASTRA e.V.團(tuán)隊(duì)將參加 2023 年秋季在葡萄牙舉行的歐洲杯比賽：他們?cè)谄媸瘶返闹С窒鲁晒x級(jí)，明年的成績(jī)一定會(huì)更上一層樓。