Koło Naukowe PUT Rocketlab

Koło Naukowe PUT Rocketlab zostało założone w 2017 roku z inicjatywy studentów Lotnictwa i kosmonautyki. Obecnie zrzeszamy około 100 studentów z każdego wydziału i innych uczelni poznańskich. Realizujemy projekty pod opieką naukowców z Instytutu Energetyki Cieplnej. Projektujemy, budujemy oraz testujemy naddźwiękowe rakiety sondażowe, rozwijamy technologie napędów hybrydowych i ciekłych, prowadzimy badania naukowe i bierzemy udział w zawodach, targach oraz konferencjach naukowych. W ciągu 7 lat naszej działalności zbudowaliśmy między innymi najsilniejszy hybrydowy studencki silnik rakietowy w Polsce, pierwszą na świecie działającą studencką turbopompę oraz uruchomiliśmy pierwszy w Polsce studencki silnik rakietowy na ciekłe materiały pędne z regeneratywnym chłodzeniem.

Projekty:

BROOMSTICK 2+ to największy w Polsce studencki hybrydowy silnik rakietowy, który skonstruowaliśmy jako napęd do HEXY 4 - rakiety, która pomogła nam wygrać w zawodach Spaceport America Cup 2023. Jest to następca silnika BROOMSTICK 2, testowanego uprzednio w zamiarem użycia w napędzie rakiety HEXA 2. Wykorzystuje ciekły podtlenek azotu jako utleniacz oraz naszą autorską mieszankę opartą na parafinie jako stały wkład paliwowy. To efekt wieloletniej pracy i doskonalenia poprzednich modeli. Silnik zintegrowany jest ze zmechanizowanym zaworem utleniacza, który odpowiedzialny jest za dostarczanie ciekłego podtlenku azotu ze zbiornika do wtryskiwacza.

BROOMSTICK 2+ w liczbach:
• długość - 753 mm• średnica - 156 mm • ciśnienie pracy - 30 bar • ciąg maksymalny ~6,3 kN
• impuls całkowity - 45,6 kNs • czas pracy - 12 sekund
HEXA 1 była pierwszą zbudowaną przez nas rakietą z serii HEXA. W założeniu chcieliśmy zobaczyć jak wygląda proces budowy tak zaawansowanego projektu. Jako początkujące koło studenckie obraliśmy sobie za cel zaprojektowanie i zaznajomienie się z możliwym do testowania przez nas silnikiem hybrydowym. Nie brała ona jednak udziału w żadnych konkursach. Nazwa HEXA pochodzi od wtryskiwacza typu swirl injector, który w naszym pierwszym silniku miał 6 otworów wtryskowych czyli Hex. Odwołując się do gwary poznańskiej Hexa oznacza również czarownicę.

HEXA 1 w liczbach:
• długość – 2900 mm • średnica – 80 mm • waga startowa – 12 kgb • ciąg startowy – 1600 N • impuls całkowity – 8,23 kNs

HEXA 2 była czarnym koniem zawodów Spaceport America Cup 2021. Złamaliśmy żelazną zasadę, aby nowe zespoły nie rzucały się na najtrudniejsze kategorie. Był to w tym czasie nasz największy projekt pod względem złożoności. Celem rakiety było jak najdokładniejsze osiągnięcie pułapu trzydziestu tysięcy stóp wysokości AGL (Above Ground Level), a także bezpieczny powrót na ziemię. Z powodu pandemii, konkurs odbył się zdalnie, a naszym obowiązkiem było wysłanie dokumentacji technicznej projektu oraz raportów z testów statycznych. Ta wykonana przez nas, ponad czterometrowa rakieta z silnikiem BROOMSTICK 2, napędzana stałym paliwem parafinowym z utleniaczem w postaci ciekłego podtlenku azotu zapewniła naszej drużynie zwycięstwo w prestiżowej kategorii 30K Hybrid/Liquid Rocket - Student Researched and Developed. Dokumentacja techniczna również zrobiła na jury dobre wrażenie, dzięki czemu otrzymaliśmy nagrodę za najlepiej sporządzony raport techniczny (Jim Furfaro Award for Technical Excellence).

HEXA 2 w liczbach:
• długość - 4200 mm • średnica - 162 mm • waga startowa - 56,5 kg • ciąg startowy ~2825 N
• impuls całkowity - 33,9 kNs • pułap projektowy - 30 000 ft (9144 m)

HEXA 2+ jest rakietą o napędzie hybrydowym, zaprojektowaną i wykonaną przez naszych studentów. Zawiera ona wiele zaawansowanych podsystemów opracowanych z dużą starannością. Większość części i systemów została zaprojektowana oraz wykonana przez nas we własnym zakresie. HEXA 2+ względem HEXY 2 zawiera szerokie modyfikacje układu napędowego, struktury nośnej oraz systemu tankowania w celu znacznej poprawy osiągów i spełnienia założeń misji. Wprowadzono w niej również szereg usprawnień elektroniki pokładowej oraz systemu obsługi naziemnej, pozwalającej na zebranie dokładniejszych danych z lotu rakiety oraz utrzymanie stałego połączenia telemetrycznego ze stacją naziemną HEXA 2+ zajęła 4 miejsce w zawodach Spaceport America Cup 2022 w kategorii 30K Hybrid/Liquid Rocket - Student Researched and Developed.

HEXA 2+ w liczbach:
• długość - 4200 mm • średnica - 160 mm• waga startowa - 56 kg • prędkość maksymalna - 1764 km/h
• pułap projektowy - 30 000 ft (9144 m)
HEXA 3 to nasza rakieta sondażowa o napędzie hybrydowym. Stworzona do osiągnięcia pułapu dziewięciu tysięcy metrów i bezpiecznego sprowadzenia na ziemię za pomocą dwustopniowego systemu odzysku. Składa się dokładnie z czterech sekcji (kolejno od dołu znajdują się: system napędowy, przedział awioniczny, system odzysku oraz głowica, w której przechowywany jest ładunek badawczy). W części napędowej znajduje się autorski, precyzyjnie zaprojektowany silnik rakietowy BROOMSTICK 2+ oraz zbiornik z utleniaczem. HEXA 3 zaopatrzona jest w samodzielnie opracowaną, jak i komercyjną elektronikę. Rakieta została skonstruowana na zawody European Rocketry Challenge odbywające się w Portugalii w 2022 roku, jednakże ze względów finansowych i logistycznych nie udało nam się jej wystrzelić.

HEXA 3 w liczbach:
• długość – 4050 mm • średnica – 162 mm • waga startowa – 53,7 kg • ciąg startowy – 4800 N
• impuls całkowity – 41 kNs • pułap projektowy - 9000 m
HEXA 4 Podobnie jak jej starsza siostra HEXA 3, HEXA 4 jest rakietą o napędzie hybrydowym, która ma za zadanie osiągnąć pułap 30 000 stóp i bezpiecznie wylądować za pomocą dwustopniowego systemu odzysku. Została przez nas starannie zaprojektowana i stworzona na międzynarodowe zawody Spaceport America Cup 2023 w USA, w których zajęła 1 miejsce w kategorii 30K Hybrid/Liquid Rocket - Student Researched and Developed. Jako pierwsza rakieta hybrydowa w historii zawodów przekroczyła nieosiągalny dotąd próg 1000 punktów, tym samym plasując się na 9 miejscu w klasyfikacji generalnej (na tle ponad 150 drużyn z całego świata). Kompozytowy kadłub rakiety powstał dzięki wykorzystaniu autorskiej metody ręcznej laminacji - wykonany z mieszanki włókna węglowego oraz żywicy epoksydowej ma za zadanie chronić komorę spalania, przedział awioniczny oraz system odzysku. Hexa 4 wykorzystuje obecnie największy studencki hybrydowy silnik rakietowy w Polsce – BROOMSTICK 2+. W rakiecie Hexa 4 każda część ma swój indywidualny projekt, uzasadnienie oraz cel. Wszystko to poparte zostało licznymi seriami testów praktycznych oraz symulacjami.

HEXA 4 w liczbach:
• długość – 4200 mm • średnica – 160 mm • waga startowa -56kg • ciąg startowy ~5000 N • impuls całkowity -36 kNs
• pułap projektowy - 30 000 ft (9144 m)
HEXA 4+ to rakieta zaprojektowana, aby wystartować w kategorii H9 podczas zawodów European Rocketry Challenge 2023, osiągnąć apogeum lotu na wysokości 9000 metrów nad poziomem morza i wylądować przy pomocy dwustopniowego systemu odzysku. Rakieta HEXA 4+ składa się z czterech głównych sekcji: napędu, awioniki, systemu odzysku i głowicy, w której znajduje się ładunek badawczy. Struktura nośna rakiety wykonana jest z kompozytów szklanych oraz węglowych w osnowie z żywicy epoksydowej. HEXA 4+, podobnie jak HEXA 4, wykorzystuje nasz autorski silnik BROOMSTICK 2+. Tę konstrukcję wyróżnia większa powierzchnia stateczników, mająca zapewnić narzucony zapas stabilności podczas lotu rakiety, zgodnie z wymaganiami konkursowymi. W 2023 roku rakieta ta pozwoliła nam ustanowić rekord najwyższego pułapu dla rakiety o studenckim układzie napędowym w historii konkursu European Rocketry Challenge.

HEXA 4+ w liczbach:
• długość - 4200 mm • średnica - 160 mm • waga startowa - 54,5 kg • ciąg startowy ~5000 N • impuls całkowity - 35 do 39 kNs
• pułap projektowy - 9000 m

S4L4MI Rakieta stworzona w celu testowania komponentów do konkursowych rakiet sondażowych w warunkach lotnych, których nie można odtworzyć na ziemi. Budowa rakiety S4L4M1 pozwoliła na rozwój naszych autorskich metod wytwarzania kompozytowych komponentów strukturalnych, stosowanych w konstrukcji rakiet serii HEXA. Pułap, na który latała rakieta S4L4M1 oscyluje w zakresie 300-1000 m w zależności od wymagań testu. Wykorzystano w niej dwustopniowy system odzysku odwzorowujący system wykorzystywany w rakietach serii HEXA.

S4L4MI w liczbach:
• długość – 2500 mm • średnica – 100 mm • pułap projektowy – 1000 m
HEXA 5 to rakieta sondażowa, którą skonstruowaliśmy w celu wypełnienia jednej misji: wzbić się na 30 000 stóp i bezpiecznie wrócić na ziemię, przy okazji nagrywając cały lot wbudowaną kamerą. To wszystko na środku rozgrzanej w słońcu pustyni Mojave, w ramach zawodów FAR-OUT 2025. Tak jak większość poprzedniczek, również i ona napędzana jest naszym autorskim, hybrydowym systemem napędowym BroomStick2+. To właśnie między innymi dzięki niemu, jak również niezawodnemu, dwustopniowemu systemowi odzysku udało nam się zająć pierwsze miejsce w kategorii B wspomnianego konkursu (20-50 tys. stóp).

Hexa 5 w liczbach:
• długość – 4300 mm • średnica – 160 mm • masa startowa – 58,5 kg • maksymalny ciąg – 4600 N • impuls całkowity – 39,8 kNs
SPADOCHRONY W celu wytworzenia spadochronów niezbędnych do prawidłowego odzysku naszych rakiet, stworzyliśmy narzędzie pozwalające na usprawnienie procesu ich projektowania. Nasz autorski algorytm analizując tysiące możliwych geometrii dobieranych genetycznie, tworzy geometrię spełniającą warunek optimum pod kątem wybranych parametrów. Pozwala również na świadome wbudowanie w projekt spadochronu zróżnicowania współczynników bezpieczeństwa tak, by w razie przekroczenia wytrzymałości ulegał rozerwaniu w predefiniowany sposób. SPADOCHRONY Dzięki temu projektujemy spadochrony o czaszy okrągłej, które są zoptymalizowane pod względem ciężaru, wytrzymałości i technologiczności, zapewniając tym samym bezpieczny powrót naszych rakiet na ziemię. Nasze spadochrony testowane są podczas lotów rakiet testowych o nazwie S4L4MI, które wiernie odwzorowują systemu odzysku rakiet serii HEXA.
Turbopompa Jest to wysokowydajne urządzenie wykorzystywane do zasilania silników rakietowych, przede wszystkim rakiet orbitalnych. Turbopompa zaprojektowana przez zespół PUT Rocketlab, choć oparta na jednej z prostszych konstrukcji tego typu, stanowi wyzwanie inżynieryjne ze względu na wymaganą wysoką prędkość obrotową wirnika, sięgającą 56 tysięcy obrotów na minutę. Zintegrowana na jednym wale z pompą turbina zasilana jest gazami pochodzącym z zewnętrznego generatora. Gazogenerator jest żarowytrzymałą komorą, wypełnioną ceramicznym łożem katalitycznym, na którym następuje rozkład wysoko stężonego nadtlenku wodoru. Przepływ gazu przez naddźwiękową turbinę akcyjną generuje moment obrotowy przekazywany poprzez wał do wirnika pompy. Jednym z poważniejszych wyzwań podczas konstrukcji turbopompy jest wykonanie uszczelnień - komercyjne uszczelnienia nie przetrwają w ekstremalnych warunkach pracy turbopompy. W związku z tym te zastosowane w projekcie zostały w całości opracowane i wytworzone przez członków koła. Aktualnie urządzenie pomyślnie przeszło testy na częściowej mocy zasilania. Na podstawie wniosków z pierwszych prób dokonujemy bieżących zmian w opomiarowaniu. Z dostępnych źródeł wynika, że jest to pierwsza na świecie działająca turbopompa skonstruowana przez studentów!
SILNIK NA CIEKŁE MATERIAŁY PĘDNE Bi-liquid to silnik rakietowy na ciekłe materiały pędne z regeneratywnym chłodzeniem, zasilany jest mieszaniną nitrometanu i metanolu, z podtlenkiem azotu jako utleniaczem. Głównym celem dotychczasowych testów była ocena działania układu chłodzenia podczas wydłużonego czasu pracy silnika. Płaszcz jest chłodzony paliwem płynącym w specjalnych kanałach chłodzących, natomiast od strony dyszy i wtryskiwacza stosowany jest film cooling. Podczas dotychczasowych testów użyliśmy utleniacza schłodzonego do temperatury -5°C (o ciśnieniu saturacji 290 kPa), a całkowita masa materiałów pędnych wyniosła około 5 kg, co umożliwiło 11-sekundowy czas pracy. Podobnie jak w poprzednich testach, osiągnęliśmy niezawodny zapłon i stabilne spalanie. Silnik wygenerował około 650 N ciągu, bardzo blisko celu projektowego wynoszącego 700 N.
CENTRUM DOWODZENIA: Mobilne Centrum Dowodzenia (Portable Command Center) - służy do monitorowania oraz zarządzania krytycznymi parametrami procesu tankowania w czasie rzeczywistym. Konstrukcja PCC umożliwia jego użytkowanie w warunkach poligonowych, zapewniając niezawodną komunikację zarówno z rakietą, jak i ze stacją naziemną zlokalizowaną w pobliżu wyrzutni. To właśnie za pomocą tego urządzenia wydawana jest komenda startu dla naszych rakiet.System Mobilnego Centrum Dowodzenia odpowiedzialny za kontrolę procesów przedstartowych umożliwia akwizycję, wyświetlanie oraz zapis danych z testów lotnych rakiet i testów statycznych silników rakietowych. Obsługiwany jest on przez autorską aplikację umożliwiającą bezprzewodowe podłączenie i podgląd parametrów na zewnętrznych urządzeniach mobilnych. Urządzenie wyposażone jest w moduł GPS, który umożliwia ustalenie pozycji PCC względem rakiety. Stanowisko może być zasilane z akumulatorów lub bezpośrednio z sieci elektrycznej. PCC umożliwia łatwe podłączenie do niego mostu sieciowego w celu komunikacji z LaunchPadem.
ACTIVE ROLL CONTROL System aktywnej kontroli rotacji dąży do zniwelowania obrotu rakiety wokół własnej osi, poprzez odpowiednie wychylenie powierzchni sterowych. Umożliwia on również wysterowanie zadanej prędkości rotacji. Kontroluje go autorski algorytm, który w przyszłości planujemy rozwinąć do aktywnego sterowania trajektorią lotu.
ACTIVE TRAJECTORY CONTROL Projekt aktywnej kontroli trajektorii lotu ma na celu umożliwienie programowania trajektorii lotu rakiety, co przekłada się na rozszerzenie możliwości badawczych oraz zapewnienie powtarzalności lotów. Sterowanie trajektorią lotu nastąpi poprzez połączenie gazodynamicznego wektorowania ciągu przy użyciu łopatek (jet vanes) w strumieniu wylotowym dyszy silnika oraz wychylnych powierzchni sterowych.