成功案例丨ASTRA 利用奇石樂火箭發(fā)動機測試測量技術(shù)開發(fā)混合火箭

早在 2021 年，德國不來梅大學(xué)的年輕工程師們就聯(lián)合起來，設(shè)計并建造了一枚可回收的混合火箭，并將其送入太空。實際上，從第一天起，這支名為 ASTRA 的學(xué)生團隊就得到了奇石樂測量技術(shù)的支持，包括傳感器、DAQ 和軟件，例如用于火箭發(fā)動機測試的測量技術(shù)。現(xiàn)在，在 2024 年歐洲火箭大賽（EuRoC 2024）即將到來之際，ASTRA 即將測試其第二臺原型機：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?Jesaiah Coy 在 2021 年大流行病封鎖期間，在大學(xué)長期關(guān)閉的情況下萌生了制造混合火箭的想法時，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在頭腦風(fēng)暴會議上開始討論這個想法，現(xiàn)在這個想法已經(jīng)發(fā)展成為 ASTRA——太空技術(shù)和研究應(yīng)用協(xié)會。該組織有 50 多人參與（大部分是兼職人員）：其中包括負責(zé)法律、人力資源、資金和活動組織的項目管理團隊，以及專注于空氣動力學(xué)、航空電子學(xué)、火箭發(fā)動機測試和推進、回收、地面系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的技術(shù)團隊。“卡爾瑪” 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)博覽會上展示了他們的混合火箭設(shè)計：一年前，他們在同一活動上與奇石樂進行了首次接觸。

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

向卡門線進發(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），負責(zé)大部分測試活動和其他活動，如活動和競賽。他表示：“我們的主要目標是學(xué)習(xí)，彌合理論與實踐之間的差距。當你把課堂上學(xué)到的東西在實踐中進行嘗試時，你會感到非常有啟發(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。”ASTRA 的長期目標是：制造一枚能夠到達海拔 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，被廣泛認為是地球大氣層和太空的大致分界線。

Coy Say： 

為了實現(xiàn)目標，團隊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，而且可以避免德國對固體火箭特別嚴格的規(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賽。我們成功地完成了所有測試和準備程序，但后來時間不夠了，最終沒能發(fā)射火箭。因此，今年我們自然希望更進一步?！?/p>

Coy again: 

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

▲ASTRA e.V. 在不來梅 2023 年空間技術(shù)博覽會上展示了他們的混合火箭設(shè)計：一年前，他們在同一活動上與奇石樂進行了首次接觸。

利用奇石樂進行火箭發(fā)動機測試和推力測量

在撰寫本報告時（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)動機測試和風(fēng)洞測試將很快開始。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量推力：在試驗臺上，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（測量燃燒室內(nèi)外以及一個噴射器上游的壓力）的數(shù)據(jù)，我們能夠計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>

“這些測量遠非簡單，幸運的是，我們能夠幫助 ASTRA 團隊改進傳感器集成和測量鏈?！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航天中心現(xiàn)場，為學(xué)生團隊提供支持。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)場的測試工程師也對我們的數(shù)據(jù)質(zhì)量印象深刻，不僅因為我們的數(shù)據(jù)質(zhì)量，還因為至少有三位來自奇石樂的工程師親自前來支持像 ASTRA 這樣的學(xué)生活動?！?/p>

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

完整的測量技術(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)可輕松連接到運行 KiStudio Lab 軟件的標準筆記本電腦，進行參數(shù)設(shè)置和配置。為了完善測量鏈，ASTRA 還可以使用奇石樂的 jBEAM 軟件進行數(shù)據(jù)可視化和分析。Shancia Andrew 作為推進器部門的一員在ASTRA工作了近一年。她報告說 ：使用傳感器、KiDAQ 和軟件非常簡單——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 軟件進行分析也非常方便高效。

ASTRA的目標是在2024年5月之前完成推進系統(tǒng)的準備工作，這樣就可以將重點轉(zhuǎn)向風(fēng)洞和振動測試。雖然奇石樂的加速度傳感器尚未在該項目中使用，但屆時它們完全可以發(fā)揮有用的作用。Coy指出：“在過去的一年里，我們學(xué)到了很多測量技術(shù)和測試方面的知識，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)會的要求。在這一測試階段，ASTRA 還將有機會測試奇石樂公司的新型 4011A 壓阻式壓力傳感器。”

▲火箭發(fā)動機測試：ASTRA e.V. 推進器工程師 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賽之前，計劃在夏季進行墜落測試和模擬發(fā)射。這次比賽的成功將是通往卡曼線征程上的一個非常重要的里程碑，該團隊希望在 2025 年用超過 8 米高的火箭到達卡曼線。“我們?nèi)匀幻媾R的一個重大挑戰(zhàn)是如何找到并支付用于發(fā)射的太空港。顯然，這在德國是不可能的——出于安全考慮，你需要更靠近公海?！盋oy解釋說。如果他們成功抵達卡曼線，ASTRA 團隊將成為有史以來第二個實現(xiàn)如此宏偉目標的學(xué)生倡議，也是第一個使用混合火箭設(shè)計實現(xiàn)這一目標的學(xué)生倡議。

▲ASTRA e.V.團隊將參加 2023 年秋季在葡萄牙舉行的歐洲杯比賽：他們在奇石樂的支持下成功晉級，明年的成績一定會更上一層樓。