Chi tiết thiết kế dự án Nixus

Nhóm Công tác Khoa học về Tên lửa và Du hành Vũ trụ (WARR, Wissenschaftliche Arbeitsgemeinschaft für Raketentechnik und Raumfahrt), nhóm sinh viên lớn nhất tại Đại học Kỹ thuật Munich (TUM), tập trung vào việc phát triển, thử nghiệm và phóng tên lửa thăm dò thử nghiệm. Dự án Nixus, thử thách mới nhất được nhóm sinh viên đầy nhiệt huyết thực hiện, nhằm mục đích thiết kế một tên lửa thăm dò nhiên liệu lỏng để tham gia các cuộc thi dành cho sinh viên như Thử thách Tên lửa Châu Âu (European Rocketry Challenge ). Tên lửa này dự kiến ​​sẽ tham gia cuộc thi Nghiên cứu và Phát triển Sinh viên (SRAD) 30.000 người. Trong số nhiều thử thách, mục tiêu chính của cuộc thi này là đạt được độ cao mục tiêu 30.000 feet (9.144 m) một cách chính xác nhất có thể.

Việc sử dụng động cơ đẩy lỏng đánh dấu một bước tiến lớn về độ phức tạp của hệ thống đối với đội ngũ tên lửa WARR. Với việc tên lửa được thiết kế từ đầu, trọng tâm của họ là hoàn thiện một hệ thống hoạt động và đạt chuẩn trong thời gian ngắn. Các thế hệ tương lai sẽ tối ưu hóa và tinh chỉnh thiết kế theo thời gian, đồng thời áp dụng các công nghệ và năng lực được phát triển trong các dự án tiếp theo, chẳng hạn như vượt ra ngoài Đường Karman (độ cao trên 100km).

Sản xuất và thử nghiệm là những bước đặc biệt quan trọng trong quá trình phát triển. Chúng không chỉ giúp xác thực và cải tiến thiết kế mà còn mang lại cho WARR kinh nghiệm thực tế trong ngành hàng không vũ trụ thương mại đương đại, giúp sinh viên tích lũy kinh nghiệm thực tiễn liên quan đến ngành từ rất lâu trước khi hoàn thành chương trình học.

Perle Systems hân hạnh tài trợ cho đội ngũ WARR một Bộ chuyển mạch PoE công nghiệp , một cặp Bộ mở rộng Ethernet tầm xa và một Máy chủ Thiết bị Nối tiếp nhiệt độ mở rộng . Chúng ta có thể theo dõi tiến trình của họ tại đây .

Antonio Steiger, Trưởng nhóm Điện tử của Dự án Nixus, chia sẻ: " Chúng tôi đang thiết kế tên lửa và toàn bộ hệ thống điện tử từ đầu. Như bạn có thể hình dung, có rất nhiều thiết bị phức tạp đảm nhiệm việc giao tiếp, giám sát và điều phối quá trình phóng và bay thành công. Mỗi linh kiện chúng tôi lựa chọn đều phải được cân nhắc kỹ lưỡng về tính phù hợp và vị trí lắp đặt. Có ba phần cốt lõi của quá trình xây dựng.

1. Tên lửa: 

Độ bền và trọng lượng là những yếu tố quan trọng nhất cần cân nhắc đối với mọi bộ phận trên tên lửa. Tên lửa càng nặng thì lực đẩy cần thiết để phóng lên khỏi mặt đất càng lớn. Điều này đặc biệt quan trọng đối với tên lửa nhiên liệu lỏng vì động cơ nhiên liệu lỏng thường nặng hơn động cơ nhiên liệu rắn do trọng lượng của bơm và đường ống nhiên liệu. Steiger nhận xét: Máy tính bay trên tên lửa nhận lệnh và gửi dữ liệu chẩn đoán và giám sát trở lại phòng điều khiển thông qua RS485. Chúng tôi đã chọn bộ thu phát nối tiếp RS485 cho tên lửa vì trọng lượng nhẹ của chúng. Ngoài ra, chúng cho phép chúng tôi có kết nối có dây đơn giản, đáng tin cậy từ tên lửa đến giao diện bệ phóng Chronos.

2. Chronos 

giao diện bệ phóng nằm trong phạm vi 10m tính từ tên lửa: Nhiệt độ cao và các chất nổ khiến bệ phóng trở thành môi trường nguy hiểm, đòi hỏi phải tuân thủ nghiêm ngặt các hướng dẫn về an ninh. Perle đã cung cấp hai thiết bị mạng quan trọng để vận hành từ đây. Máy chủ thiết bị IOLAN SDG2 TX được sử dụng để tạo điều kiện thuận lợi cho việc truyền và chuyển đổi dữ liệu RS485 giữa máy tính bay trên tên lửa và cơ sở hạ tầng mặt đất Ethernet cùng phần mềm giám sát. Đây là một máy chủ thiết bị nối tiếp song công toàn phần mạnh mẽ, có khả năng hoạt động ở nhiệt độ +74℃, tự động ánh xạ lên hai máy tính bay. Mặc dù việc bảo trì và điều khiển Máy chủ thiết bị IOLAN rất dễ dàng thông qua phần mềm giám sát dựa trên web, nhưng đường truyền này sẽ bị ngắt khi cất cánh. Thiết bị thứ hai là Bộ chuyển mạch PoE công nghiệp IDS-108FPP được sử dụng để cung cấp nguồn điện 30 watt cho một số camera IP theo dõi tên lửa từ bệ phóng. Tất cả dữ liệu thu thập được từ thiết bị đo từ xa, cảm biến và camera đều cung cấp những thông tin chi tiết quan trọng cho nhóm các nhà khoa học tên lửa đang làm việc tại trạm điều khiển mặt đất.

3. Cor

Một phần của trạm mặt đất vô tuyến, tủ điều khiển phòng điều khiển nằm cách bệ phóng 600m - 1000m: Khoảng cách an toàn ít nhất 600m, nhưng thường xa hơn, giữa bệ phóng và phòng điều khiển đặt ra những thách thức đáng kể về truyền dữ liệu cho nhóm điện tử. Steiger giải thích: " Mục tiêu của chúng tôi khi thiết lập là sử dụng một cáp kết nối duy nhất giữa phòng điều khiển và bệ phóng. Bộ mở rộng Ethernet TC của Perle giúp điều này trở thành hiện thực và giảm số lượng dây dẫn cần thiết để truyền dữ liệu từ 8 dây Ethernet xuống chỉ còn 4. Điều này cho phép chúng tôi sử dụng cáp Ethernet phổ biến và giá rẻ cho nhiều km, đồng thời vẫn có thêm bốn dây dẫn dự phòng cho các chức năng bổ sung.

Bản cập nhật số 1: Giai đoạn thử nghiệm điện tử

Steiger nhận xét: Chúng tôi đã tích hợp thành công máy tính bay phụ thông qua IOLAN, cho phép chúng tôi kết nối lại với máy tính bay nếu kết nối bị mất ở bất kỳ thời điểm nào. Một trong những điều chúng tôi đặc biệt thích ở IOLAN là tài liệu hướng dẫn cực kỳ chi tiết. Thiết bị này mang lại cảm giác như được thiết kế dành riêng cho các kỹ sư. Chúng tôi có thể sử dụng nó để triển khai bất cứ điều gì mình muốn và chạy chẩn đoán qua SSH để giúp phát hiện lỗi. Đèn LED trên thiết bị được triển khai cực kỳ gọn gàng và hỗ trợ rất nhiều cho quá trình phát triển. Giao diện web cũng rất trực quan và chúng tôi sử dụng thường xuyên.

Steiger tiếp tục: " Tất cả các thử nghiệm về cơ sở hạ tầng mặt đất đã được thực hiện thành công thông qua Perle IDS Switch và giao thức WebRTC. Với sự kết hợp này, chúng tôi đã đạt được độ trễ trung bình dưới 164ms cho video trực tiếp trên trình duyệt. Con số này vượt xa độ trễ tiêu chuẩn 460ms của các nhà sản xuất camera. Chúng tôi thực sự ấn tượng với thiết kế nhỏ gọn của Perle Switch và khả năng hiển thị hoạt động đáng tin cậy trong mạng bằng đèn LED."

Bản cập nhật #2: Động cơ phụ (điện dung) thành công Hotfire

Để phát triển động cơ tên lửa, một phiên bản thu nhỏ của nó đã được đốt nóng. Đây là lần đầu tiên dự án Nixus tạo ra ngọn lửa. Bộ đánh lửa do công ty tự phát triển sử dụng hydro và oxy để đốt cháy đáng tin cậy bất kỳ động cơ nào trên bệ thử nghiệm Nixus. Nó cho phép quay vòng thử nghiệm nhanh chóng, điều này sẽ rất quan trọng trong việc phát triển động cơ lỏng quy mô đầy đủ cho Cúp Space Port America 2023. Trong những tuần tới, nó sẽ cung cấp năng lượng cho các vụ đốt nóng quy mô lớn đầu tiên của động cơ nghiên cứu quy mô nhỏ do Nixus sản xuất. Trong quá trình thử nghiệm, Bộ chuyển mạch PoE công nghiệp IDS-108FPP đã cung cấp 30 watt điện cho các camera giám sát IP ở nhiệt độ dưới 0. Nó xử lý đáng tin cậy dữ liệu đo lường có giá trị, các lệnh điều khiển và hai luồng video trực tiếp.

Trong một thử nghiệm riêng biệt, Máy chủ thiết bị TX IOLAN SDG2 đã thu thập dữ liệu đo từ xa nối tiếp từ máy tính trên chuyến bay và dữ liệu này đã được truyền thành công qua liên kết SHDSL tầm xa TC Ethernet Extenders.

Steiger nhận xét: " Ngoài dữ liệu máy tính chuyến bay, chúng tôi còn truyền hai luồng video full-HD ở tốc độ 30FPS (khung hình/giây) mà không có độ trễ bổ sung nào từ bộ chuyển mạch hoặc bộ mở rộng. Trên thực tế, chúng tôi nhận thấy chỉ sử dụng 15% - 17% kết nối SHDSL. Phần mềm cho bộ mở rộng rất rõ ràng và hữu ích, đồng thời mức tiêu thụ điện năng từ tất cả các thiết bị đều tốt hơn dự kiến. Điều này rất quan trọng cho việc vận hành thông qua UPS. Tóm lại, chúng tôi rất vui mừng báo cáo rằng mọi thứ đều hoạt động bình thường mà không cần tốn nhiều công sức.

Cập nhật 3: Thực hiện phóng an toàn ở khoảng cách 500m

Nhóm Dự án Nixus gần đây đã tiến hành phóng tên lửa nhiên liệu rắn và thử nghiệm động cơ quy mô đầy đủ để chuẩn bị cho Thử thách tên lửa châu Âu vào cuối năm nay

Steiger nhận xét: Chúng tôi đã đưa hệ thống kết nối tầm xa của mình -- một cáp Ethernet dài 500m tiết kiệm chi phí với 4 dây dữ liệu, một mạch dừng khẩn cấp và hai mạch khởi tạo trình tự điều khiển -- vào hoạt động thành công. Điều này được thực hiện nhờ công nghệ SHDSL của Bộ mở rộng Ethernet do Perle cung cấp. Thông qua một cáp duy nhất, bốn dây truyền video trực tiếp và dữ liệu khác, và các dây còn lại được sử dụng song song cho các mạch an toàn quan trọng. Điều này bao gồm một mạch dừng khẩn cấp với một nút bấm trong phòng điều khiển và tại bệ phóng, cũng như hai nút trình tự cho phép tắt động cơ và xả khí từ cả phòng điều khiển và bệ phóng. Cuối cùng, chúng tôi đã có thể thoát khỏi việc kích hoạt trình tự dựa trên phần mềm và thực hiện phóng một cách an toàn ở khoảng cách 500m.

Steiger tiếp tục, kết nối tầm xa đã được sử dụng thành công trong lần phóng thử nghiệm tên lửa động cơ rắn EX-1B của chúng tôi để kiểm tra hệ thống điện tử mặt đất và bay. Mọi thứ đều hoạt động hoàn hảo. Việc đánh lửa động cơ qua kết nối tầm xa rất chính xác trong khi dữ liệu video trực tiếp được truyền đồng thời.

Ngoài ra, nhóm Dự án Nixus cũng đã thực hiện thử nghiệm động cơ toàn diện với buồng đốt trong thời gian đốt cháy gần như hoàn toàn, khoảng 11 giây. Buồng đốt hoạt động hoàn toàn ổn định, không có bất thường nào. Steiger kết luận: " Theo hiểu biết của chúng tôi, hiện tại, chúng tôi là nhóm sinh viên duy nhất ở châu Âu đã phát triển được động cơ Ethanol/Oxy lỏng Bi-Liquid có thể bay được. Đây là một cột mốc quan trọng đối với chúng tôi, một cột mốc xứng đáng được ghi nhận."

Bản cập nhật cuối cùng: WARR giành giải thưởng thiết kế EuRoC 2023
Dự án Nixus đã giành Giải thưởng Thiết kế từ Cuộc thi Thử thách Tên lửa Châu Âu ( EuRoC ) năm 2023 mặc dù phải hủy bỏ việc phóng tên lửa EX-4. Theo Antonio Steiger, Trưởng nhóm Điện tử của dự án, hệ thống EX-4 được vinh danh là hệ thống xuất sắc nhất về mặt thiết kế và đổi mới.

Trong hơn một năm, nhóm Dự án Nixus đã nghiên cứu, phát triển và thử nghiệm nghiêm ngặt giao diện bệ phóng Chronos , phòng điều khiển Cor , các hệ thống điện tử và liên quan, và tất nhiên là cả tên lửa EX-4.

Hơn 600 sinh viên đến từ 22 đội đến từ 14 quốc gia châu Âu đã tham gia cuộc thi, diễn ra trong bảy ngày tại miền trung Bồ Đào Nha. Đây là lần thứ tư sự kiện này được tổ chức, và được coi là cuộc thi khởi động đầu tiên dành cho sinh viên đại học châu Âu.

Thời tiết khắc nghiệt và mưa lớn đã cản trở công tác chuẩn bị cuối cùng và cuối cùng buộc phải lùi ngày phóng đến mức không còn đủ thời gian để đảm bảo một vụ phóng an toàn và thành công. Tuy đáng thất vọng, nhưng vụ phóng không phải là một trở ngại. Việc đối phó với các điều kiện bất lợi là điều không thể tránh khỏi trong ngành tên lửa, và EuRoC đã mang lại cho nhóm Dự án Nixus kinh nghiệm quý báu trong công tác chuẩn bị phóng.

Nhóm cũng có thể thiết lập mối liên hệ với các sinh viên khoa tên lửa trên khắp châu Âu, những người mà họ hy vọng có thể trao đổi các khái niệm và ý tưởng và có thể hợp tác trong các nỗ lực nghiên cứu tên lửa trong tương lai.

Perle tự hào là nhà tài trợ của Dự án Nixus và cung cấp cho WARR một Bộ chuyển mạch PoE công nghiệp , một cặp Bộ mở rộng Ethernet tầm xa và một Máy chủ thiết bị nối tiếp nhiệt độ mở rộng – những thành phần không thể thiếu trong quá trình phát triển thành công các hệ thống phóng.

Bài viết khác:

Sport-Club Freiburg sử dụng Bộ chuyển mạch được quản lý Perle PoE trong Kiến trúc mạng phân tán