{"id":8196,"date":"2019-11-18T23:54:03","date_gmt":"2019-11-18T21:54:03","guid":{"rendered":"https:\/\/spaceteam.at\/?p=8196"},"modified":"2019-11-18T23:54:03","modified_gmt":"2019-11-18T21:54:03","slug":"the-hound-oberstufenzuendung","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/wptest3.tust.at\/index.php\/2019\/11\/18\/the-hound-oberstufenzuendung\/","title":{"rendered":"The Hound: Oberstufenz\u00fcndung"},"content":{"rendered":"<p>Im August 2019 war das TU Wien Space Team zu Gast bei der Firma <a href=\"https:\/\/www.austinpowder.com\/austria\/home\/\">Austin Powder <\/a>um Messungen f\u00fcr die neue Oberstufenz\u00fcndung durchzuf\u00fchren. Die Z\u00fcndung der Oberstufe im Flug ist essentiell f\u00fcr einen erfolgreichen Flug unser zweistufiges Raketenkonzept \u201eThe Hound\u201c. Da die bisherige Oberstufenz\u00fcndung nicht sehr zuverl\u00e4ssig war, haben wir uns um Alternativen umgesehen.<\/p>\n<h2>Auswahlkriterien<\/h2>\n<p>F\u00fcr die Entscheidung wurden die unten angef\u00fchrten Gesichtspunkte ber\u00fccksichtigt:<\/p>\n<ol>\n<li>Logistischer Aspekt\n<ol type=\"a\">\n<li>Verf\u00fcgbarkeit in \u00d6sterreich und USA<\/li>\n<li>Legale Handhabung<\/li>\n<\/ol>\n<\/li>\n<li>Technischer Aspekt\n<ol type=\"a\">\n<li>Ist die Abbrandrate druckabh\u00e4ngig?<\/li>\n<li>Ist eine Nozzle-Plug erforderlich?<\/li>\n<li>In welcher Form wird das Pyrogen geliefert? (Pulver, Pellet)<\/li>\n<li>Wie wird das Pyrogen im Motor befestigt?<\/li>\n<li>Ist ein sicherer Einbau des Z\u00fcnders in die Rakete m\u00f6glich?<\/li>\n<li>Wie viel Masse des Pyrogenes wird ben\u00f6tigt?<\/li>\n<li>Gibt es eine Wechselwirkung zwischen Pyrogen und O-Ring? Kann diese zu Undichtigkeiten und Versagen des Motors f\u00fchren?<\/li>\n<\/ol>\n<\/li>\n<li>Sicherheitstechnischer Aspekt\n<ol type=\"a\">\n<li>Eigenschaften der Chemikalien (reizend, \u00e4tzende, leicht entflammbar, \u2026)<\/li>\n<li>Wie ist die Handhabung der Chemikalien?<\/li>\n<\/ol>\n<\/li>\n<\/ol>\n<h2>Erfolgreiche Z\u00fcndung<\/h2>\n<p>Unter den unten angef\u00fchrten Kriterien sollte eine erfolgreiche Z\u00fcndung eines kommerziellen Motors<\/p>\n<p>m\u00f6glich sein. Hierbei handelt es sich um empirische Werte bzw. Erfahrungswerte.<\/p>\n<ul>\n<li>Flammtemperatur &gt;1000\u00b0C<\/li>\n<li>Die Verbrennungsgase sollen den Motor f\u00fcr die Dauer von 200ms auf einen Druck von \u00fcber 2bar halten.<\/li>\n<li>Der Druck im Motor darf w\u00e4hrend der Z\u00fcndung den Wert von 30 bar nicht \u00fcberschreiten.<\/li>\n<\/ul>\n<h2>Borkaliumnitrat<\/h2>\n<p>Unter einer Vielzahl von M\u00f6glichkeiten hat sich unser Team f\u00fcr Borkaliumnitrat (BKNO3) entschieden. Die Bestandteile amorphes Bor und Kaliumnitrat sind in Amerika und \u00d6sterreich f\u00fcr uns verf\u00fcgbar (1a). In \u00d6sterreich ben\u00f6tigen wir f\u00fcr eine legale Handhabung professionelle Unterst\u00fctzung. Die Tests wurden daher auf den Sprengplatz der Firma <a href=\"https:\/\/www.austinpowder.com\/austria\/home\/\">Austin Powder<\/a> und unter der Aufsicht von ihren Mitarbeitern durchgef\u00fchrt (1b).<\/p>\n<p>Das BKNO3 erf\u00fcllt das erste Kriterium f\u00fcr eine erfolgreiche Z\u00fcndung, die beiden anderen Kriterien werden mittels Tests ermittelt.<\/p>\n<h2>Testaufbau<\/h2>\n<p>Um aussagekr\u00e4ftige Ergebnisse der Tests zu erhalten, wurde versucht die Testbedingungen so realistisch wie m\u00f6glich abzubilden. Zun\u00e4chst die geometrischen Randbedingungen: Das Volumen des Motors entspricht in etwa dem des Testaufbaus in folgender Abbildung und der D\u00fcsendurchmesser von Motor und Teststand sind ident.<\/p>\n<div id=\"attachment_8198\" style=\"width: 1006px\" class=\"wp-caption aligncenter\"><a href=\"https:\/\/spaceteam.at\/2019\/11\/18\/the-hound-oberstufenzuendung\/testaufbau\/\" rel=\"attachment wp-att-8198\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" aria-describedby=\"caption-attachment-8198\" class=\"size-full wp-image-8198\" src=\"https:\/\/spaceteam.at\/wp-content\/uploads\/2019\/11\/Testaufbau.png\" alt=\"\" width=\"996\" height=\"496\" srcset=\"https:\/\/wptest3.tust.at\/wp-content\/uploads\/2019\/11\/Testaufbau.png 996w, https:\/\/wptest3.tust.at\/wp-content\/uploads\/2019\/11\/Testaufbau-300x149.png 300w, https:\/\/wptest3.tust.at\/wp-content\/uploads\/2019\/11\/Testaufbau-768x382.png 768w\" sizes=\"auto, (max-width: 996px) 100vw, 996px\" \/><\/a><p id=\"caption-attachment-8198\" class=\"wp-caption-text\">Testaufbau<\/p><\/div>\n<p>&nbsp;<\/p>\n<p>Die zweite Randbedingung ist der Umgebungsdruck. Die geplante H\u00f6he in der \u201eThe Hound\u201c die zweite Stufe z\u00fcndet ist bei etwa 10km. Auf dieser H\u00f6he herrscht ein Umgebungsdruck von etwa 0,25bar. Um diese Bedingungen zu simulieren, ist es notwendig den Umgebungsdruck des Testaufbaus in eine Vakuumkammer abzusenken. Die verwendete Vakuumkammer hat ein signifikant gr\u00f6\u00dferes Volumen, damit der Druck in der Vakuumkammer w\u00e4hrend der Verbrennung nur geringf\u00fcgig ansteigt.<\/p>\n<div id=\"attachment_8199\" style=\"width: 1006px\" class=\"wp-caption aligncenter\"><a href=\"https:\/\/spaceteam.at\/2019\/11\/18\/the-hound-oberstufenzuendung\/vakuumkammer\/\" rel=\"attachment wp-att-8199\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" aria-describedby=\"caption-attachment-8199\" class=\"size-full wp-image-8199\" src=\"https:\/\/spaceteam.at\/wp-content\/uploads\/2019\/11\/Vakuumkammer.png\" alt=\"\" width=\"996\" height=\"665\" srcset=\"https:\/\/wptest3.tust.at\/wp-content\/uploads\/2019\/11\/Vakuumkammer.png 996w, https:\/\/wptest3.tust.at\/wp-content\/uploads\/2019\/11\/Vakuumkammer-300x200.png 300w, https:\/\/wptest3.tust.at\/wp-content\/uploads\/2019\/11\/Vakuumkammer-768x513.png 768w, https:\/\/wptest3.tust.at\/wp-content\/uploads\/2019\/11\/Vakuumkammer-930x620.png 930w\" sizes=\"auto, (max-width: 996px) 100vw, 996px\" \/><\/a><p id=\"caption-attachment-8199\" class=\"wp-caption-text\">Vakuumkammer<\/p><\/div>\n<p>Der Drucksensor ist mit etwas Abstand zum BKNO3 verbaut. Die Verschraubungen sind mit Teflon abgedichtet, sodass die Verbrennungsgase nur durch die D\u00fcse am anderen Ende des Rohres entweichen k\u00f6nnen. Der Drucksensor misst den Druckverlauf im Testaufbau w\u00e4hrend der Verbrennung.<\/p>\n<h2>Versuchsdurchf\u00fchrung<\/h2>\n<p>F\u00fcr den ersten Versuch wurde eine Menge von 2g verwendet. Der Druck wurde bei allen Versuchen auf etwa 0,1 bar Absolutdruck abgesenkt, das ist geringer als die geforderten 0,25 bar. Leider hat beim ersten Versuch die Datenauswertung bereits vor der Z\u00fcndung aufgeh\u00f6rt aufzuzeichnen. Der Test hat jedoch gezeigt, dass eine Z\u00fcndung unter den gegebenen Bedingungen problemlos m\u00f6glich ist. Im Anschluss konnten keine unverbrannten Reste des BKNO3 in der Vakuumkammer gefunden werden.<\/p>\n<p>Nach einem Programmneustart haben wir die Menge an BKNO3 auf 4g, 6g und 8g gesteigert.<\/p>\n<p>Bei 8g wurde abgebrochen, weil ein Deckel der Vakuumkammer aufgegangen ist. Das freigesetzte Gas des BKNO3 w\u00fcrde nicht ausreichen, um einen \u00dcberdruck in der Vakuumkammer zu erzeugen. Der Testaufbau war axial nicht fixiert. Daher ist anzunehmen, dass der Impuls durch die Verbrennung des BKNO3 den Deckel aufgedr\u00fcckt hat. Wie in Kapitel 2 erw\u00e4hnt, soll der Maximaldruck unter 30 bar bleiben und beim letzten Versuch wurde ein Spitzendruck von 23 bar gemessen. Es ist anzunehmen, dass eine weitere Steigerung auf 10g den zul\u00e4ssigen Maximaldruck \u00fcberschritten h\u00e4tte. Man hat sich daher entschieden keine Versuche mit 10g durchzuf\u00fchren.<\/p>\n<h2>Auswertung<\/h2>\n<p>Kurz nach der Z\u00fcndung steigt der Druck rasch an und bricht sofort wieder ein. Der zweite Anstieg erreichte ein deutlich geringes Druckmaximum, jedoch ben\u00f6tigen die Verbrennungsgase einige Zeit bis sie den Testaufbau durch die D\u00fcse verlassen haben. Beim letzten Versuch mit 8g ist das Druckniveau am Ende h\u00f6her als erwartet, weil der Deckel aufgedr\u00fcckt wurde und der Drucksensor den Umgebungsdruck misst.<\/p>\n<div id=\"attachment_8201\" style=\"width: 955px\" class=\"wp-caption aligncenter\"><a href=\"https:\/\/spaceteam.at\/2019\/11\/18\/the-hound-oberstufenzuendung\/druckverlauf\/\" rel=\"attachment wp-att-8201\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" aria-describedby=\"caption-attachment-8201\" class=\"size-full wp-image-8201\" src=\"https:\/\/spaceteam.at\/wp-content\/uploads\/2019\/11\/Druckverlauf.png\" alt=\"\" width=\"945\" height=\"525\" srcset=\"https:\/\/wptest3.tust.at\/wp-content\/uploads\/2019\/11\/Druckverlauf.png 945w, https:\/\/wptest3.tust.at\/wp-content\/uploads\/2019\/11\/Druckverlauf-300x167.png 300w, https:\/\/wptest3.tust.at\/wp-content\/uploads\/2019\/11\/Druckverlauf-768x427.png 768w\" sizes=\"auto, (max-width: 945px) 100vw, 945px\" \/><\/a><p id=\"caption-attachment-8201\" class=\"wp-caption-text\">Druckverlauf<\/p><\/div>\n<p>In allen aufgezeichneten Kurven ist dieselbe Charakteristik zu sehen. Zuerst kommt es nach der Z\u00fcndung zu einem Drucksprung, der etwa 15ms andauert. Bemerkenswert ist, dass die Dauer ungef\u00e4hr gleichbleibend ist, jedoch die Druckspitze mit steigender Menge ansteigt. Es ist zu vermuten, dass es sich hierbei um eine vorauseilende Schockwelle handelt. Der Druck bricht fast auf den urspr\u00fcnglichen Wert ein, bevor er einige Millisekunden sp\u00e4ter wieder ansteigt.<\/p>\n<div id=\"attachment_8202\" style=\"width: 955px\" class=\"wp-caption aligncenter\"><a href=\"https:\/\/spaceteam.at\/2019\/11\/18\/the-hound-oberstufenzuendung\/schockwelle\/\" rel=\"attachment wp-att-8202\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" aria-describedby=\"caption-attachment-8202\" class=\"size-full wp-image-8202\" src=\"https:\/\/spaceteam.at\/wp-content\/uploads\/2019\/11\/Schockwelle.png\" alt=\"\" width=\"945\" height=\"560\" srcset=\"https:\/\/wptest3.tust.at\/wp-content\/uploads\/2019\/11\/Schockwelle.png 945w, https:\/\/wptest3.tust.at\/wp-content\/uploads\/2019\/11\/Schockwelle-300x178.png 300w, https:\/\/wptest3.tust.at\/wp-content\/uploads\/2019\/11\/Schockwelle-768x455.png 768w\" sizes=\"auto, (max-width: 945px) 100vw, 945px\" \/><\/a><p id=\"caption-attachment-8202\" class=\"wp-caption-text\">Schockwelle<\/p><\/div>\n<h2>Zusammenfassung<\/h2>\n<p>Die Tests haben gezeigt, dass BKNO3 problemlos bei geringem Umgebungsdruck gez\u00fcndet werden kann und das f\u00fcr die Erf\u00fcllung der Kriterien in Kapitel 2 etwa 6 bis 8g BKNO3 notwendig sind (2f). Die logistischen Aspekte wurden bereits behandelt, nun werden auf die restlichen Auswahlkriterien eingegangen. Wie in den Versuchen gezeigt werden kann, hat der geringe Umgebungsdruck den Abbrand nicht signifikant ver\u00e4ndert (2a). Eine Nozzle-Plug ist somit nicht erforderlich (2b). Das Pyrogen ist sowohl in Pulver als auch in Pellets verf\u00fcgbar (2c). Das Pyrogen kann mit einem Basket im Motor befestigt werden und hat keine negative Auswirkung auf die O-Ringe (2d,2e,2g).<\/p>\n<div id='gallery-1' class='gallery galleryid-8196 gallery-columns-2 gallery-size-thumbnail'><dl class='gallery-item'>\n\t\t\t<dt class='gallery-icon portrait'>\n\t\t\t\t<a href='https:\/\/wptest3.tust.at\/basket\/'><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" width=\"150\" height=\"150\" src=\"https:\/\/wptest3.tust.at\/wp-content\/uploads\/2019\/11\/Basket-150x150.png\" class=\"attachment-thumbnail size-thumbnail\" alt=\"\" aria-describedby=\"gallery-1-8203\" \/><\/a>\n\t\t\t<\/dt>\n\t\t\t\t<dd class='wp-caption-text gallery-caption' id='gallery-1-8203'>\n\t\t\t\tBasket\n\t\t\t\t<\/dd><\/dl><dl class='gallery-item'>\n\t\t\t<dt class='gallery-icon portrait'>\n\t\t\t\t<a href='https:\/\/wptest3.tust.at\/mde\/'><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" width=\"150\" height=\"150\" src=\"https:\/\/wptest3.tust.at\/wp-content\/uploads\/2019\/11\/2019-09-20_20-51-01_AndreasHandy-150x150.jpg\" class=\"attachment-thumbnail size-thumbnail\" alt=\"\" aria-describedby=\"gallery-1-8200\" \/><\/a>\n\t\t\t<\/dt>\n\t\t\t\t<dd class='wp-caption-text gallery-caption' id='gallery-1-8200'>\n\t\t\t\tBasket with Head End Ignition\n\t\t\t\t<\/dd><\/dl><br style=\"clear: both\" \/>\n\t\t<\/div>\n\n<p>&nbsp;<\/p>\n<p>Aus dem sicherheitstechnischen Aspekt ist BKNO3 wie Schwarzpulver handzuhaben. BKNO3 ist weder \u00e4tzend noch reizend, aber leicht entflammbar (3a,3b).<\/p>\n<p>An dieser Stelle m\u00f6chten wir uns bei Herrn<a href=\"http:\/\/www.energeticmaterials.at\/\"> Dr. Kappl (energeticmaterials.at)<\/a> und der Firma <a href=\"https:\/\/www.austinpowder.com\/austria\/home\/\">Austin Powder<\/a> f\u00fcr die freundliche Unterst\u00fctzung recht herzlich bedanken!<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Im August 2019 war das TU Wien Space Team zu Gast bei der Firma Austin Powder um Messungen f\u00fcr die neue Oberstufenz\u00fcndung durchzuf\u00fchren. Die Z\u00fcndung der Oberstufe im Flug ist essentiell f\u00fcr einen erfolgreichen Flug unser zweistufiges Raketenkonzept \u201eThe Hound\u201c. Da die bisherige Oberstufenz\u00fcndung nicht sehr zuverl\u00e4ssig war, haben wir uns um Alternativen umgesehen. 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