Knowledge base: Warsaw University of Technology

Settings and your account

Back

Preliminary design of an attitude control system for a sounding rocket based on cold gas thrusters

Michał Mateusz Grendysz

Abstract

This thesis presents the design process of an attitude control system based on cold gas thrusters. It concentrates on mechanical aspect while taking into account necessity of designing electronic control system. Thesis was written as a part of author’s activities in Rocketry Division of Students’ Space Association. In this paper, sounding rockets’ idea, as well as their applications and issue of attitude control in 3 axes were introduced. This includes presenting achievements of Rocketry Division of Students’ Space Association in this field and its members’ interest in control. Additionally, analysis of methods of its realisation was performed, including movable aerodynamic surfaces and thrust vectoring. After further overview of existing sounding rockets and their attitude control systems, requirements for a new rocket with apogee of about 15km were defined and, based on those, requirements for an attitude control system based on cold gas thrusters were found. It is to contain compressed gas tank, main valve, six control valves and six nozzles. Their span around rockets’ circumference will enable generating torque of specific value in any of the axes. It will allow rate control, active stabilisation lowering impact of atmospheric instabilities and corrections of rocket’s trajectory. In the frame of the project, simulation of flight has been conducted and aerodynamic torques were calculated, which allowed for validating various concepts in control simulation. Exploiting this possibility led to choosing basic parameters of the system, such as pressure and volume of the tank, flow coefficients of pneumatic elements and nozzle geometry. Basic analysis of structural strength was also performed. Basing on calculations, pneumatic elements were chosen from Internet catalogues of companies and connections between them were designed. CAD model was also made to ensure the possibility of realising the system. This thesis contains description of all calculations and structure of the system. In the end, analysis of compliance with requirements was performed and external characteristics were presented, which are going to be an input for control algorithm design. Simulation of system working in flight conditions during test was also performed. Accessible means of anlysis showed compliance with requirements so it is possible to move to further phases of research and development. Next step will be the construction of a prototype and design work on other subassemblies of proposed new rocket, which will be performed in near future by members of Rocketry Division of Students’ Space Association.
Diploma type
Engineer's / Bachelor of Science
Diploma type
Engineer's thesis
Author
Michał Mateusz Grendysz (FPAE) Michał Mateusz Grendysz,, Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Title in Polish
Wstępny projekt systemu sterowania do rakiety sondującej oparty o silniki typu Cold Gas
Supervisor
Łukasz Mężyk (FPAE/IHE) Łukasz Mężyk,, The Institute of Heat Engineering (FPAE/IHE)Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Certifying unit
Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Affiliation unit
The Institute of Heat Engineering (FPAE/IHE)
Study subject / specialization
, Lotnictwo i Kosmonautyka (Aerospace Engineering)
Language
(pl) Polish
Status
Finished
Defense Date
07-02-2019
Issue date (year)
2019
Pages
65
Internal identifier
MEL; PD-4927
Reviewers
Łukasz Mężyk (FPAE/IHE) Łukasz Mężyk,, The Institute of Heat Engineering (FPAE/IHE)Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE) Jan Kindracki (FPAE/IHE) Jan Kindracki,, The Institute of Heat Engineering (FPAE/IHE)Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Keywords in Polish
rakieta sondująca, system sterowania, silnik typu cold gas, sterowanie, pneumatyka,zawór, zbiornik, dysza
Keywords in English
sounding rocket, attitude control system, cold gas thruster, control, pneumatics,valve, tank, nozzle
Abstract in Polish
Niniejsza praca przedstawia proces projektowy systemu sterowania opartego o silniki typu cold gas. Skupia sie ona na aspekcie mechanicznym, uwzgledniajac koniecznosc zaprojektowania elektronicznego układu sterujacego. Praca została wykonana w ramach działalnosci autora w Sekcji Rakietowej Studenckiego Koła Astronautycznego. Przedstawiono w niej idee stojaca za rakietami sondujacymi, ich zastosowania oraz omówiono zagadnienie sterowania rozumianego jako kontrole orientacji przestrzennej rakiety w 3 osiach. Omówione zostały takze dotychczasowe osiagniecia Sekcji Rakietowej Studenckiego Koła Astronautycznego oraz zainteresowanie jej członków tematem sterowania. Przeprowadzono analize mozliwych jego realizacji, miedzy innymi za pomoca ruchomych powierzchni aerodynamicznych oraz wektorowania ciagu. Po dodatkowym przegladzie obecnie istniejacych rakiet sondujacych oraz ich systemów sterowania zdefiniowano wymagania dla nowej konstrukcji o pułapie około 15km i na tej podstawie wyznaczono wymagane parametry dla systemu opartego o silniki typu cold gas do takiej rakiety. Ma sie on składac z integralnego zbiornika ze sprezonym gazem, zaworu głównego, szesciu zaworów sterujacych i szesciu dysz. Odpowiednie rozłozenie dysz na obwodzie rakiety umozliwi generowanie momentu o dowolnej wartosci w dowolnej osi rakiety. Pozwoli to na kontrole obrotu wokół osi symetrii, aktywna stabilizacje niwelujaca wpływ zaburzen atmosferycznych oraz korekty trajektorii lotu. W ramach pracy przeprowadzono symulacje lotu i obliczono wystepujace momenty aerodynamiczne, co pozwoliło na sprawdzenie róznych koncepcji systemu w symulacji sterowania. Dzieki temu dobrano podstawowe parametry systemu, takie jak cisnienie i objetosc zbiornika, współczynniki przepływowe elementów pneumatycznych oraz geometrie dyszy. Przeprowadzono tez wstepna analize wytrzymałosciowa. Na podstawie obliczen dobrano elementy pneumatyczne korzystajac z katalogów internetowych firm oraz zaprojektowano połaczenia miedzy nimi. Wykonano tez model CAD, majacy na celu sprawdzenie mozliwosci praktycznej realizacji systemu. W pracy zawarto pełen opis obliczen oraz dokładnie przedstawiono budowe systemu. Na koniec została przeprowadzona analiza zgodnosci z wymaganiami oraz przedstawione charakterystyki zewnetrzne, które beda danymi wejsciowymi do projektu algorytmu sterowania. Wykonano tez symulacje jak system mógłby pracowac w locie w ramach testu. Dostepne narzedzia analizy pokazały zgodnosc projektu z załozeniami, mozliwe bedzie wiec przystapienie do kolejnych faz prac badawczo-rozwojowych. Nastepnym krokiem bedzie budowa prototypu systemu oraz prace nad pozostałymi podzespołami nowej rakiety, które wykonywane beda w niedalekiej przyszłosci przez członków Sekcji Rakietowej Studenckiego Koła Astronautycznego
File
  • File: 1
    Michał_Grendysz_-_praca_inżynierska.pdf
Request a WCAG compliant version
Local fields
Identyfikator pracy APD: 31388

Uniform Resource Identifier
https://repo.pw.edu.pl/info/bachelor/WUT2068ac098ab645a59f99cefb369804fa/
URN
urn:pw-repo:WUT2068ac098ab645a59f99cefb369804fa

Confirmation
Are you sure?
Report incorrect data on this page