El grupo de trabajo científico para cohetes y vuelos espaciales (Wissenschaftliche Arbeitsgemeinschaft für Raketentechnik und Raumfahrt o WARR), el mayor grupo de estudiantes de la Technische Universität München (TUM), se dedica a desarrollar, probar y lanzar cohetes sonda experimentales. El Proyecto Nixus, el último reto asumido por este motivado equipo de estudiantes, tiene como objetivo diseñar un cohete sonda de combustible líquido que participará en competiciones estudiantiles, como el European Rocketry Challenge. El cohete está destinado a competir en el segmento de competición 30k Student Research and Developed (SRAD). Entre varios retos, el objetivo principal de esta competición es alcanzar una altitud objetivo de 9144 m (30 000 pies) con la mayor precisión posible.
El uso de la propulsión líquida supone un importante paso adelante en la complejidad del sistema para el equipo de cohetería de WARR. Como el cohete se diseña desde cero, su objetivo es completar un sistema que funcione y se califique en un corto período de tiempo. Las generaciones futuras optimizarán y perfeccionarán el diseño a lo largo del tiempo y aplicarán las tecnologías y competencias desarrolladas en proyectos posteriores, como ir más allá de la línea Kármán (>100 km altitud).
La fabricación y las pruebas son pasos especialmente importantes en el proceso de desarrollo. Estas sirven para validar y mejorar los diseños, pero también dan a WARR experiencia práctica en la industria contemporánea de vuelos espaciales comerciales, lo que permite a los estudiantes adquirir experiencia práctica relevante para la industria mucho antes de terminar sus estudios.
Perle Systems se complace en patrocinar al equipo de WARR con un Switch PoE Industrial, un par de Extensores Ethernet de largo alcance, y un Servidor de Dispositivos en serie para temperaturas extendidas. Todos podemos seguir sus progresos aquí.
Aspectos y detalles del diseño del proyecto Nixus
Antonio Steiger, jefe del equipo de electrónica del proyecto Nixus, comenta: Estamos diseñando el cohete y toda la electrónica desde cero. Como se puede imaginar, hay una gran cantidad de equipos complejos que comunican, supervisan y coordinan un lanzamiento y un vuelo correctos. Cada componente que elegimos debe someterse a un análisis minucioso en términos de idoneidad y colocación
. Hay tres partes fundamentales de la construcción.
1. El cohete: La durabilidad y el peso son los aspectos más importantes para cada componente a bordo del cohete. Cuanto más pesado es el cohete, más empuje se necesita para lanzarlo del suelo. Esto es especialmente decisivo en los cohetes de propulsión líquida, ya que los motores líquidos suelen ser más pesados que los sólidos debido al peso de las bombas y los conductos de combustible. Steiger comenta: Los ordenadores de vuelo del cohete reciben órdenes y envían datos de diagnóstico y seguimiento a la sala de control a través de RS485. Elegimos los transceptores serie RS485 para el cohete por su ligereza. Además, nos permiten tener una conexión fiable y sencilla por cable desde el cohete hasta la interfaz de la plataforma de lanzamiento Chronos.
2. Chronos, la interfaz de la plataforma de lanzamiento situada a menos de 10 m del cohete: Las altas temperaturas y las sustancias explosivas hacen que las plataformas de lanzamiento sean entornos peligrosos en los que es necesario respetar estrictamente las directrices de seguridad. Perle proporcionó dos equipos de red de dispositivos clave para operar desde aquí. El Servidor de Dispositivos IOLAN SDG2 TX se utiliza para facilitar la transmisión y conversión de datos RS485 entre el ordenador de vuelo del cohete a bordo y la infraestructura terrestre de Ethernet y el software de monitorización. Se trata de un robusto servidor de dispositivos en serie dúplex, capaz de funcionar a +74 °C, que naturalmente se acopla a los dos ordenadores de vuelo. Aunque el mantenimiento y el control del servidor de dispositivos IOLAN es fácil a través del software de supervisión basado en la web, esta línea de comunicación se corta al despegar. El segundo es un switch PoE industrial IDS-108FPP utiliza para proporcionar 30 vatios de potencia a varias cámaras IP que vigilan el cohete desde la plataforma de lanzamiento. Todos los datos recogidos por los equipos de telemetría, los sensores y las cámaras proporcionan información importante al equipo de científicos espaciales que se encuentran en la estación de control en tierra.
3. El armario de la sala de control, que forma parte de la estación terrestre de radio, está situado a una distancia de entre 600 y 1000 metros de la plataforma de lanzamiento: Las distancias de seguridad entre la plataforma de lanzamiento y la sala de control, de al menos 600 metros (a menudo más), plantean importantes problemas de transmisión de datos para el equipo electrónico. Steiger explica: Nuestro objetivo para la configuración era utilizar un solo cable de interconexión entre la sala de control y la plataforma de lanzamiento. Los Extensores Ethernet TC de Perle lo hacen posible y reducen el número de conductores necesarios para transmitir los datos de los 8 de Ethernet a solo 4. Esto nos permite utilizar un cable de Ethernet universal y barato para varios kilómetros, a la vez que disponemos de una reserva de cuatro conductores adicionales para funciones adicionales.
Actualización #1: Fase de prueba de electrónica
Steiger comenta, Integramos con buenos resultados nuestro ordenador de vuelo secundario a través del IOLAN, lo que nos permite volver a conectarnos al ordenador de vuelo si la conexión se pierde físicamente en algún momento. Una de las cosas que más nos gustan del IOLAN es que la documentación es excepcionalmente completa. El dispositivo parece hecho para ingenieros. Podemos usarlo para implantar lo que queramos y ejecutar diagnósticos vía SSH para ayudarnos a detectar errores. Los LED del dispositivo se implantan de forma extremadamente limpia y son una gran ayuda para el desarrollo. Además, la interfaz de la web es muy intuitiva y la utilizamos regularmente.
Pruebas con Switch IDS e IOLAN Perle
Prueba de cámara IP
Prueba de flujo en frío
Mess Interface
Maqueta de cohete
Plataforma de prueba ensamblada
Steiger continúa: Todas las pruebas de la infraestructura terrestre se llevaron a cabo con éxito mediante el conmutador IDS de Perle y el protocolo WebRTC. Con esta combinación, pudimos lograr una latencia promedio de menos de 164 ms para video en vivo en el navegador. Esto supera con creces la latencia estándar de 460 ms de los fabricantes de cámaras. Estamos realmente impresionados con el factor de forma compacto del Perle Switch y la visualización confiable de la actividad en la red con los LED.
Actualización 2: Encendido de un motor a subescala (capacitivo) realizado con éxito
Para desarrollar el motor del cohete, se encendió una versión a subescala del mismo. Era la primera vez que el proyecto Nixus producía una llama. El inflamador creado en nuestra empresa utiliza hidrógeno y oxígeno para encender de forma fiable cualquier motor en el banco de pruebas Nixus. Permite realizar pruebas rápidas, fundamentales a la hora de crear el motor líquido a escala real para la Copa Space Port America 2023. En las próximas semanas, va a alimentar los primeros encendidos a gran escala del motor de investigación a subescala fabricado por Nixus. Durante la prueba, el switch PoE industrial IDS-108FPP proporcionó 30 vatios de potencia a las cámaras de vigilancia IP a temperaturas bajo cero. Gestionó con total fiabilidad importantes datos de medición, órdenes de control y dos secuencias de vídeo en directo.
En una prueba independiente, el servidor de dispositivos IOLAN SDG2 TX recopiló datos de telemetría en serie de los ordenadores de vuelo, que se transmitieron con buenos resultados a través del enlace SHDSL de largo alcance de los Extensores TC Ethernet.
Steiger comenta: Además de los datos del ordenador de vuelo, transmitimos dos secuencias de vídeo Full HD a 30FPS (fotogramas por segundo) sin latencia adicional del switch ni de los extensores. De hecho, observamos que solo utilizábamos entre el 15 % y el 17 % de la conexión SHDSL. El software para los extensores fue muy claro y útil, y el consumo de energía de todos los dispositivos fue mejor de lo esperado, lo cual es muy importante para el funcionamiento a través de UPS. En resumen, nos complace informar de que todo funcionó correctamente sin mayores complicacione.
Actualización 3: Realizar con seguridad lanzamientos a una distancia de 500 m
El equipo del Proyecto Nixus realizó recientemente un lanzamiento de cohete sólido y pruebas de motor a escala real para preparar el European Rocketry Challenge a finales de este año.
Steiger comenta: «Hemos puesto en línea nuestra interconexión de largo alcance -- de 500 m de longitud cable Ethernet rentable con 4 alambres de datos, un circuito de parada de emergencia y dos circuitos de iniciación de secuencias de control. Esto ha sido posible gracias a la tecnología SHDSL de los extensores Ethernet suministrados por Perle. A través de un solo cable, cuatro alambres transmiten vídeo en directo y otros datos, y el resto de los alambres se utilizan en paralelo para los circuitos críticos de seguridad. Esto incluye un circuito de parada de emergencia con un botón en la sala de control y en la plataforma de lanzamiento, así como dos botones de secuencia que permiten apagar y purgar el motor tanto desde la sala de control como desde la plataforma de lanzamiento. Por fin hemos podido prescindir de los activadores de secuencias basados en software y realizar con seguridad lanzamientos a una distancia de 500 metros».
«La conexión de largo alcance», continúa Steiger, «se utilizó correctamente durante un lanzamiento adecuado de nuestro cohete de motor sólido EX-1B para probar la electrónica de tierra y de vuelo. Todo funcionó a la perfección. El encendido del motor a través de la conexión de largo alcance fue preciso mientras se transmitían simultáneamente datos de vídeo en directo».
Además, el equipo del Proyecto Nixus también llevó a cabo una prueba de motor a escala real de la cámara de combustión durante casi toda la combustión, aproximadamente 11 segundos. La cámara de combustión funcionó de forma totalmente estable, sin anomalías.
Steiger concluye: «Por lo que sabemos, somos el único equipo de estudiantes de Europa que ha desarrollado un motor bilíquido de etanol y oxígeno líquido apto para vuelos. Se trata de un gran hito para nosotros, un hito que merece ser reconocido».
Actualización final: WARR gana el Premio EuRoC de Diseño 2023
El proyecto Nixus recibió el premio al diseño del European Rocketry Challenge (EuRoC) de 2023 a pesar de tener que cancelar el lanzamiento de su cohete EX-4. El sistema EX-4 fue considerado el mejor en cuanto a diseño e innovación
, según Antonio Steiger, jefe del equipo de electrónica del proyecto.
Durante más de un año, el equipo del Proyecto Nixus investigó, desarrolló y probó rigurosamente la interfaz de la plataforma de lanzamiento Chronos
, la sala de control Cor
, los sistemas electrónicos y similares y, por supuesto, el propio cohete EX-4.
Más de 600 estudiantes repartidos en 22 equipos de 14 países europeos participaron en el concurso, que se celebró durante siete días en la región central de Portugal. Era la cuarta edición del certamen, que se autoproclama como el primer concurso de lanzamiento para universitarios europeos.
El mal tiempo y las lluvias torrenciales interfirieron en los preparativos finales y obligaron a retrasar el lanzamiento hasta el punto de que no quedaba tiempo suficiente para garantizar que fuese seguro y satisfactorio. Aunque fue una decepción, no supuso un fracaso. En el diseño y fabricación de cohetes es inevitable enfrentarse a condiciones adversas, y EuRoC proporcionó al equipo del Proyecto Nixus una valiosa experiencia en la preparación del lanzamiento.
El equipo también pudo establecer contactos con estudiantes del mismo ámbito de toda Europa, con los que esperan intercambiar conceptos e ideas y quizá colaborar en futuros proyectos.
Perle se enorgullece de haber patrocinado el Proyecto Nixus y de haber proporcionado a WARR un switch PoE industrial, un par de extensores Ethernet de largo alcance y un servidor de dispositivos serie de temperatura extendida, componentes esenciales para el desarrollo satisfactorio de los sistemas de lanzamiento.
