Satelliet op zuurstofwater voor een groene ruimtevaart

Niels
Baele
  • Quinten
    Allemeersch
  • Bram
    Samyn

Power to engines on, ignition is go,” three, two, one,… and lift-off! In een tijd waar raketten haast wekelijks gelanceerd worden en vliegen in enkele honderd jaar tijd is uitgegroeid tot de snelste transportatiemanier op de planeet kan men de ecologische voetafdruk van deze transportmethoden niet over het hoofd zien. Zijn er alternatieve brandstoffen? Wat is hun toepassing?

Het doel van deze bachelorproef is het onderzoeken en maken van een kleinschalige satelliet die gebruik maakt van waterstofperoxide, ook wel beter bekend als zuurstofwater voor het voortstuwingssysteem.

Als satellietmodel hebben we gebruik gemaakt van het standaard CubeSat model.

Hierdoor is het ontwerpen eenvoudiger en houden we ons aan standaardbemating.

In ons geval heeft de CubeSat een grootte van 10x10x30 cm. Dit houdt in dat we met 3 personen elk een ruimte van 10x10x10 cm hadden om in te werken.

Opdeling CubeSat

Zo zit in de eerste ruimte de avionica, dit is de elektronica die alles aanstuurt en controleert. Voor het bewegen van de Cubesat gebruiken we reactiewielen, deze wielen draaien aan verschillende snelheden. Door het vertragen of versnellen van het wiel kan de satelliet bewegen rond 3 assen.

In de middelste ruimte zit de brandstoftank, deze is gemaakt uit een balg met origami patroon.

Deze balg is in staat om het zuurstofwater op te slaan zonder dat er ongewenste reacties ontstaan en beschikt daarnaast over een grote samendrukbaarheid wat ideaal is om zoveel mogelijk brandstof naar buiten te persen.

image 689

Figuur 1 Origami balg "bellows" met mal, vervaardigd door vacuumformen

Rond de balg zit er een aluminium cilinder, deze is gevuld met gas onder druk om zo dezelfde druk over te dragen op de vloeistof in de balg. Van zodra er brandstof nodig is gaat de klep open en drukt het gas de balg samen zodat deze vloeit naar de reactiekamer.

In de reactiekamer reageert het zuurstofwater met een zilveren netje.

image 690

Figuur 2 Reactiekamer waarin het zuurstofwater wordt omgezet in water en zuurstof

Door de chemische reactie splitst de stof op in stoom en zuurstof, dit zijn beide producten die niet schadelijk zijn voor het milieu. Ook ontstaat er veel warmte bij het reactieproces, uit de warmte wordt de energie gehaald die nodig is voor de stuwkracht van onze satelliet.

Met deze stuwkracht kan de satelliet zich dan bewegen in de ruimte, om zo z’n baan te veranderen. De mogelijkheid tot het veranderen van de baan is ideaal voor het maken van correcties alsook het tegengaan van ruimteafval, zo stelt Europa dat iedere satelliet z’n baan moet verlaten en opbranden in de atmosfeer binnen de 25 jaar.

Wie zijn wij?

Wij zijn een groep van 3 gepassioneerde luchtvaart studenten, die een professionele bachelor volgden bij VIVES in Oostende.

We besloten verder te studeren voor elektromechanische industrieel ingenieur in de luchtvaart bij de Vrije Universiteit van Brussel.

Hier gaan we ons nog verder verdiepen in onderwerpen zoals deze bachelorproef.

Ook wordt het CubeSat project verder uitgewerkt aan de VUB. Hier kunnen wij dan met medestudenten en proffen van andere richtingen zoals ingenieurs elektronica, chemici, fysici, … het project ooit tot een werkend geheel de ruimte insturen.

Groepsfoto

Onze conclusie

SIC PARVIS MAGNA, ‘Grootsheid van Kleine Beginselen’, de slogan die dit gehele project startte, van een idee die z’n oorsprong vond tijdens de zomervakantie tot de aflevering van dit naslagwerk, wat hebben we geleerd en bereikt? Voldoet het resultaat aan de verwachtingen?

Eerst en vooral zijn we zeker tevreden met wat we bereikt hebben, van de theoretische uitwerking waar we zeer veel kennis hebben verworven over allerhande zaken zoals standaardisatie, astrodynamica, attitude control, de ideale raket theorie en veel meer. Daarnaast was het een geweldige ervaring om onze ideeën te zien evolueren van een gedachtegang, tot een model waarop er iteratief verder gewerkt werd om dan uiteindelijk te resulteren in een fysiek object vervaardigd, gebruik makende van verschillende technieken zoals 3D-printen, frezen, draaien en vacuümformen.

Alhoewel we omwille van tijd en funding niet in staat waren het initiële ontwerp te realiseren, zijn we er wel in geslaagd de belangrijkste zaken uit te werken. Zo zijn we er in geslaagd om meerdere origami balgen te vacuümformen, en dit met de gewenste samendrukbaarheid en water/luchtdichtheid. Verder slaagden we er ook in om aan te tonen dat het voortstuwingssysteem gebruik makende van een zilveren katalysator en 50% waterstofperoxide in reactie gaat.

De test met de katalysator mag dan wel redelijk simpel gebeurd zijn door middel van een spuit wat resulteerde in een sputterende motor, we zijn er ons van bewust dat de prestatie vele malen beter zou zijn indien het geheel, zijnde het toeleversysteem onder een druk van 0,5 MPa en de tijd en mogelijkheid tot het uitproberen van verschillende uitlaat geometrieën betere resultaten zou leveren.

Persoonlijk denken we dat de ‘proof-of-concept’ geslaagd is, we hebben de belangrijkste zaken kunnen aantonen. Alhoewel er nog niets geoptimaliseerd is, zijn we zeker niet van plan dit project te stoppen na de eindverdediging. We zijn zelf nieuwsgierig naar de mogelijkheden van onze satelliet. Zo zijn we van plan de resterende kleppen te bestellen, de balgen grondig te testen en verschillende uitlaat geometrieën uit te proberen. Zeker nu we begonnen zijn aan de VUB geloven we erin dat we dit project tot een goed einde kunnen brengen en medestudenten betrekken in het project!

 

Hieronder vindt u het zelfde artikel maar in een totaal andere opmaak:

Pagina 1Pagina 2

Bibliografie

1, R. P. (sd). Rocket Propulsion Evolution 1. Opgehaald van Engine History: https://www.enginehistory.org/Rockets/RPE02/RPE02-2.shtml

AliExpress. (sd). 2S BMS 20A. Opgehaald van AliExpress: https://nl.aliexpress.com/item/4000261288405.html?spm=a2g0o.order_list…

AliExpress. (sd). ACS 712. Opgehaald van AliExpress: https://nl.aliexpress.com/item/32316428367.html?spm=a2g0o.order_list.0…

AliExpress. (sd). Arduino Mega 2560 Pro. Opgehaald van AliExpress: https://nl.aliexpress.com/item/32850843888.html?spm=a2g0o.order_list.0…

AliExpress. (sd). RFM69HCW. Opgehaald van AliExpress: https://nl.aliexpress.com/item/32878809891.html?spm=a2g0o.order_list.0…

Anderson, E. W., Butler, K., Crocket , D., Lewis, T., & McNeal, C. (sd). Peroxide Propulsion at The Turn of the Century. NASA.

basovych, O. (2018, 06 26). 3-Phase Brushless DC Motor Control with Hall Sensors. Opgehaald van All about circuits: https://www.allaboutcircuits.com/industry-articles/3-phase-brushless-dc…

Becklake, J. (2014, 01 31). The V2 Rocket—a Convergence of Technologies? Opgehaald van Tandfonline: https://doi.org/10.1179/tns.1995.005

BIPT. (sd). Bandplan. Opgehaald van BIPT: https://www.bipt.be/operators/frequency-plan

Budynas, R. G., & Young, W. C. (2020). ROARKS Formulas For Stress And Strain 9th edition. McGraw-Hill Companies. Opgeroepen op 05 2022

circuits, A. a. (2017, 10 18). All About BLDC Motor Control: Sensorless Brushless DC Motor Controllers. Opgehaald van All about circuits: https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/sensorless-brushles…

Command, A. F. (2021, 11 24). Flashback: Lockheed NF-104A Aerospace Trainer. Opgehaald van Air Force Material Command: https://www.afmc.af.mil/News/Article-Display/Article/2854337/flashback-…

Components, R. (sd). RS PRO, 3.7V, 18650, Lithium-Ion Rechargeable Battery, 2.6Ah | RS Components. Opgehaald van RS Components: https://benl.rs-online.com/web/p/speciality-size-rechargeable-batteries…

contributors, W. (17, 05 2022). North American X-15. Opgehaald van Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/North_American_X-15

contributors, W. (2001, 09 09). Johannes Kepler. Opgehaald van Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Johannes_Kepler

contributors, W. (2021, 06 28). Zefiro (rocket stage). Opgehaald van Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Zefiro_(rocket_stage)

contributors, W. (2022, 04 21). P120 (rocket stage). Opgehaald van Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/P120_(rocket_stage)

contributors, W. (2022, 01 19). Sun-synchronous orbit. Opgehaald van Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Sun-synchronous_orbit

contributors, W. (2022, 04 22). Vega (rocket). Opgehaald van Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Vega_(rocket)#Vega-C

contributors, W. (sd). Lockheed NF-104-A. Opgehaald van Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Lockheed_NF-104A

ECSS Home. (sd). Opgehaald van ECSS: https://ecss.nl/

ESA. (sd). Vega-C. Opgehaald van ESA: https://www.esa.int/Enabling_Support/Space_Transportation/Launch_vehicl…

Gotron. (sd). Batterijhouder voor LS18650 Lion cel met draden. Opgehaald van Gotron: https://www.gotron.be/batterijhouder-voor-ls18650-lion-cel-met-draden.h…

Gravitational Potential. (2022, Mei 05). Opgehaald van Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Gravitational_potential

History, R. D. (2019, 10 23). A4 / V2 Rocket in detail: Turbopump. Opgehaald van V2 Rocket History: https://v2rockethistory.com/v2-turbopump-and-walter-hydrogen-peroxide-s…

Hobbyking. (sd). Corona CS-239MG Slim-Wiong Analog Servo. Opgehaald van Hobbyking: https://hobbyking.com/en_us/corona-cs-239mg-slim-wing-analog-servo-4-6k…

Imai, M. (2012). GEMBA KAIZEN, a commonsense approach to a continuous improvement strategy. Mc Graw Hill.

Jong-Eun Suh, T.-H. K.-H. (2020, 12 01). New Approach to Folding a Thin-Walled Yoshimura Patterned Cylinder. Opgehaald van ARC: https://doi.org/10.2514/1.a34784

Kruesi, L. (sd). Putting origami to use in space. Opgehaald van Discover Magazine: https://www.discovermagazine.com/the-sciences/putting-origami-to-use-in…

Laboratory, N. J. (2019, 06 11). Starshade Would Take Formation Flying to Extremes. Opgehaald van NASA Jet Propulsion Laboratory: https://www.jpl.nasa.gov/news/starshade-would-take-formation-flying-to-…

Lean Thinking and Methods-Kaizen. (2022, 05 21). Opgehaald van https://www.epa.gov/sustainability/lean-thinking-and-methods-kaizen#:~:….

Mahdi, M. C. (2018). Attitude Stabilization For CubeSat. Cambridge University Press.

Mark Ventura, D. E. (2007, 07 11). Hydrogen Peroxide – Optimal for Turbomachinery and Turbomachinery and Power Applications. Hydrogen Peroxide.

Osborne, G. F., & Ball, K. J. (1967). Space Vehicle Dynamics. Oxford: Oxford University Press.

Park, T. (2019, 04 30). Development of 6 U CubeSat’s Deployable Solar Panel with Burn Wire Triggering Holding and Release Mechanism. Opgehaald van Hindawi: https://www.hindawi.com/journals/ijae/2019/7346436/

Projects, S. (2019, 04 21). Sensorless BLDC motor control with Arduino – DIY ESC. Opgehaald van Simple-Circuit: https://simple-circuit.com/arduino-sensorless-bldc-motor-controller-esc/

Proprietary, P. S. (2017, 05 22). H2O Handling Safety Overview. Opgeroepen op 05 17, 2022, van http://mae-nas.eng.usu.edu/Peroxide_Web_Page/documents/H2O2%20Material%…

Propulsion Skyrora. (2022, 05 18). Opgehaald van Propulsion Skyrora: http://www.b14643.de/Spacerockets_3/SKYRORA/Propulsion/engines.htm

Samyn, B. R. (2018-2019). Eindproef Additive Manufactured Rocket Nozzle. Kortrijk.

Sparkfun. (sd). RFM69HCW Hookup Guide. Opgehaald van Sparkfun: https://learn.sparkfun.com/tutorials/rfm69hcw-hookup-guide/all

Stackexchange. (2018, 10 17). How did the X-15 control attitude above the Kármán line? Opgehaald van Stackexchange: https://space.stackexchange.com/questions/31412/how-did-the-x-15-contro…

Sutton, G. P. (2006). History of Liquid Propellant Rocket Engines. AIAA.

Sutton, G. P., & Biblarz, O. (2001). Rocket Propulsion Elements 7th edition. New York: John Wiley & Sons, INC.

Swagatam. (2022, 05 04). 2 Best Current Limiter Circuits Explained. Opgehaald van Homemade Circuit Projects: https://www.homemade-circuits.com/universal-high-watt-led-current-limit…

Team, S. (2020, 10 14). Understanding orbits. Opgehaald van Skywatch: https://www.skywatch.com/blog/understanding-satellite-orbits

TV, A. a. (2019, 07 03). A4 / V2 Rocket in detail: Turbopump. Opgehaald van Youtube: https://www.youtube.com/watch?v=EgiMu8A3pi0&t=1088s

War thunder. (2016, 10 20). Opgehaald van War Thunder: https://warthunder.com/en/news/4294-profile-me-163-komet-pocket-rocket-…

Wikipedia-bijdragers. (2022, 04 25). Micro-elektromechanisch systeem. Opgehaald van Wikipedia: https://nl.wikipedia.org/wiki/Micro-elektromechanisch_systeem

 

Download scriptie (23.14 MB)
Universiteit of Hogeschool
VIVES Hogeschool
Thesis jaar
2022
Promotor(en)
Wim Vanparys