University of Minnesota NASA USLI PDR presenta8on Nov 28, - - PowerPoint PPT Presentation

University ¡of ¡Minnesota ¡

NASA ¡USLI ¡PDR ¡presenta8on ¡

Nov ¡28, ¡2011 ¡

DESIGN ¡AND ¡SIMULATION ¡

Objec8ves ¡

• Send ¡a ¡rocket ¡to ¡one ¡mile ¡al8tude ¡
• Deploy ¡a ¡drogue ¡and ¡a ¡main ¡chute ¡
• Deploy ¡a ¡payload ¡on ¡the ¡ground ¡
• Design ¡a ¡modular ¡system ¡

Sizing ¡

• Designing ¡airframe ¡around ¡the ¡payload ¡
• Effec8ve ¡payload ¡length ¡and ¡wheel ¡diameter ¡
• Final ¡dimensions ¡of ¡payload ¡
• Diameter: ¡7 ¡inch ¡
• Length: ¡13 ¡inch ¡

• Airframe ¡diameter ¡and ¡weight ¡constraints ¡to ¡

achieve ¡an ¡al8tude ¡of ¡5,280 ¡feet ¡

• Failed ¡to ¡reach ¡5,280 ¡feet ¡with ¡a ¡rocket ¡of ¡constant ¡

diameter ¡to ¡fit ¡the ¡payload ¡

• Greater ¡weTed ¡area, ¡outer ¡tube ¡weight ¡and ¡bulkhead ¡weight ¡ ¡
• ¡Transi8on ¡from ¡7.708 ¡inch ¡to ¡6.17 ¡inch ¡outer ¡diameter ¡ ¡

Materials/ ¡Component ¡tes8ng ¡

• Materials ¡
• G10 ¡Fiberglass: ¡Nosecone, ¡avionics ¡bay ¡bulkheads ¡and ¡

electronics ¡mounts, ¡motor ¡mount ¡tube, ¡fins ¡

• G12 ¡Fiberglass: ¡Payload ¡tube, ¡main ¡parachute ¡tube, ¡

drogue ¡coupler, ¡fin ¡tube, ¡payload ¡and ¡main ¡parachute ¡ pistons, ¡airbrake ¡doors ¡

• Plywood: ¡Motor ¡mount ¡centering ¡rings ¡
• 6061 ¡Aluminum: ¡Airbrake ¡hinges, ¡fin ¡mounts ¡
• Tubular ¡Nylon: ¡Shock ¡cord ¡ ¡

¡

• Component ¡Strength ¡Tes8ng ¡

• Key ¡Components ¡include ¡
• Payload ¡bay ¡sec8on ¡
• Transi8on ¡sec8on ¡
• Modular ¡fin ¡system ¡
• Modular ¡motor ¡mount ¡system ¡
• Airbrake ¡system ¡

Rocket ¡Design ¡

Simula8on ¡

Motor ¡Selec8on ¡

• Motor ¡size ¡constraints ¡
• With/without ¡airbrake ¡system ¡
• Choosing ¡a ¡motor ¡to ¡achieve ¡an ¡al8tude ¡above ¡5,280\ ¡
• Op8mizing ¡takeoff ¡speed ¡to ¡ensure ¡stability ¡a\er ¡

clearing ¡the ¡rail ¡

Motor ¡ Impulse ¡(N-­‑sec) ¡ Burn ¡Rate ¡(sec) ¡ CTI ¡Pro75 ¡L2375-­‑P ¡ ¡ 4864 ¡ ¡ 1.9 ¡ ¡ CTI ¡Pro98 ¡L3150-­‑P ¡ ¡ 4807.8 ¡ ¡ 1.53 ¡ ¡

Avionic ¡Bay ¡Design ¡

• Materials ¡
• Electronics ¡moun8ng ¡board: ¡G10 ¡Fiberglass ¡
• Bulkheads: ¡G10 ¡Fiberglass ¡
• Outer ¡airframe ¡and ¡door: ¡G12 ¡fiberglass ¡
• Door ¡aTachment ¡
• Al8meter ¡and ¡baTery ¡aTachment ¡

and ¡orienta8on ¡

• Securing ¡electronics ¡board ¡

Performance ¡ ¡Characteris8cs ¡

CharacterisBc ¡ Value ¡ Max ¡Al8tude ¡ 5210 ¡\ ¡ Max ¡Accelera8on ¡ 387 ¡\/sec2 ¡ Max ¡Velocity ¡ 652 ¡\/sec ¡ Max ¡Mach ¡Number ¡ .583 ¡ Sta8c ¡Margin ¡(engine ¡loaded) ¡ 1.11 ¡ Longitudinal ¡Moment ¡of ¡ Iner8a ¡( ¡a\er ¡2.2 ¡sec) ¡ 62,400 ¡ounces/in2 ¡ Correc8ve ¡Moment ¡Coefficient ¡ (at ¡burnout) ¡ 1220 ¡ Damping ¡Moment ¡Coefficient ¡ (at ¡burnout) ¡ 27 ¡ Rail ¡Exit ¡Velocity ¡ 42.02 ¡\/sec ¡ Max ¡Thrust ¡to ¡Weight ¡Ra8o ¡ 12.1 ¡

Vehicle ¡Risk ¡Mi8ga8on ¡

Scale ¡Tes8ng ¡

• Examine ¡manufacture ¡and ¡assembly ¡processes ¡
• Verify ¡the ¡simula8on ¡with ¡the ¡results ¡of ¡flight ¡tes8ng ¡
• Confirm ¡the ¡recovery ¡system ¡

¡

RECOVERY ¡

Recovery ¡Objec8ves ¡

• Deploy ¡a ¡drogue ¡and ¡a ¡main ¡chute ¡
• Safely ¡collect ¡the ¡payload ¡and ¡vehicle ¡
• Meet ¡a ¡scien8fic ¡target: ¡the ¡launch ¡

vehicle ¡has ¡the ¡max ¡KE=75 ¡\-­‑lbf ¡at ¡ landing ¡

Recovery ¡Layout ¡

• Dual ¡Deploy ¡Recovery ¡
• Open ¡Drogue ¡Chute ¡at ¡Apogee ¡(~90 ¡\/sec) ¡
• Open ¡Main ¡Chute ¡at ¡800 ¡feet ¡(~10 ¡\/sec) ¡

Avionics ¡

Components ¡ Quality ¡ Raven2 ¡Featherweight ¡Al8meter ¡ ¡ 2 ¡ Redundant ¡al8meter ¡to ¡be ¡determined ¡ ¡ 2 ¡ 9 ¡Volt ¡BaTery ¡ ¡ 4 ¡ Screw ¡Switch ¡ ¡ 4 ¡

• Front ¡and ¡a\ ¡avionics ¡bay ¡responsibili8es ¡
• Front: ¡Main ¡parachute ¡and ¡payload ¡deployments ¡
• A\: ¡Airbrake ¡control ¡and ¡drogue ¡parachute ¡deployment ¡
• Design ¡redundancy ¡
• Wiring ¡schema8c ¡

• Main ¡chute ¡selec8on ¡
• Scien8fic ¡target ¡
• Stability ¡
• Drogue ¡selec8on ¡

¡

Parachute ¡Selec8on ¡

To ¡meet ¡the ¡scien8fic ¡target, ¡max ¡KE=75 ¡\-­‑lbf ¡at ¡landing ¡

S ¡(m^2) ¡ S ¡(I^2) ¡ Cd ¡ Wmax ¡ Iris ¡Ultra ¡84 ¡ 36.95 ¡ 2.2 ¡ 21.57 ¡ Iris ¡Ultra ¡96 ¡ 48.25 ¡ 2.2 ¡ 24.65 ¡ Iris ¡Ultra ¡120 ¡ 75.4 ¡ 2.2 ¡ 30.81 ¡ Iris ¡Ultra ¡144 ¡ 108.57 ¡ ¡ 2.2 ¡ 36.97 ¡ Iris ¡Ultra ¡168 ¡ 147 ¡ 2.2 ¡ 43.02 ¡ CERT-­‑3 ¡L ¡ 0.354 ¡ 3.81 ¡ 1.26 ¡ 5.24 ¡ CERT-­‑3 ¡XL ¡ 0.347 ¡ 3.735 ¡ 2.59 ¡ 7.44 ¡ CERT-­‑3 ¡XXL ¡ 0.566 ¡ 6.0924 ¡ 2.92 ¡ 10.09 ¡

Parachute ¡Deployment ¡

• FFFg ¡black ¡powder ¡charge ¡used ¡
• Ejec8on ¡piston ¡used ¡to ¡push ¡out ¡

main ¡chute ¡

• Caps ¡flush ¡against ¡ejec8on ¡piston ¡
• 2g ¡of ¡black ¡powder ¡

required ¡

Black ¡Powder ¡Charges ¡

• 3 ¡keyhole ¡shear ¡pins ¡with ¡

shear ¡force ¡of ¡145 ¡pounds ¡

• Break ¡shear ¡pins ¡and ¡

move ¡payload ¡out ¡of ¡bay ¡

¡

!"#$%!&"#'#" " (!$)%*+,-.&'('"

Recovery ¡ Risk ¡ Mi8ga8on ¡

Failure ¡Method Risk Mi8ga8on Nosecone ¡Separa8on ¡ in ¡flight Low Detailed ¡calcula8ons ¡will ¡be ¡done ¡ to ¡confirm ¡proper ¡amount ¡of ¡shear ¡ pins ¡in ¡nosecone Nosecone ¡jams ¡upon ¡ deployment Low Using ¡the ¡proper ¡shoulder ¡length, ¡ and ¡guarantee ¡that ¡the ¡load ¡to ¡ separate ¡is ¡evenly ¡distributed Piston ¡jams ¡upon ¡ deployment Low Using ¡the ¡proper ¡piston ¡length ¡for ¡ the ¡tube ¡involved, ¡and ¡making ¡sure ¡ the ¡inner ¡tube ¡is ¡clean ¡and ¡free ¡of ¡ contamina8on Piston ¡Bulkhead ¡fails Low Use ¡proper ¡epoxy ¡techniques ¡to ¡ ensure ¡a ¡rigid ¡bond, ¡ground ¡tes8ng ¡ to ¡find ¡failure ¡load ¡limit BP ¡Charges ¡fail ¡to ¡ ignite Low Proper ¡wiring ¡to ¡avionics ¡is ¡ important, ¡will ¡check ¡power ¡to ¡ leads ¡prior ¡to ¡ejec8on ¡canister ¡ being ¡loaded, ¡ematches ¡will ¡be ¡ centered ¡in ¡the ¡canister BP ¡Charges ¡ignite ¡ prematurely Low Proper ¡wiring ¡to ¡avionics, ¡and ¡ programming ¡of ¡avionics ¡is ¡ important BP ¡Charges ¡ignite ¡ simultaneously Low Proper ¡wiring ¡and ¡programming BP ¡residue ¡ contaminates ¡avionics Low The ¡avionics ¡bays ¡must ¡be ¡properly ¡ sealed ¡to ¡protect ¡from ¡BP ¡residue, ¡ ejec8on ¡canisters ¡must ¡fit ¡properly ¡ and ¡not ¡move ¡or ¡fail Not ¡enough ¡BP ¡to ¡ deploy ¡payload ¡or ¡ parachutes Low Calcula8ons ¡will ¡be ¡essen8al, ¡and ¡ ground ¡tests ¡will ¡be ¡conducted BaTery ¡failure Low Ensure ¡correct ¡orienta8on ¡of ¡ baTery ¡terminals, ¡fresh ¡ baTeries ¡every ¡flight, ¡and ¡ holder ¡strength ¡prevents ¡ movement ¡under ¡ accelera8on Al8meter ¡failure Low Primary ¡and ¡secondary ¡ systems ¡are ¡onboard ¡to ¡ ensure ¡ejec8on ¡charges ¡and ¡ electronics ¡will ¡func8on Incorrect ¡pressure ¡ readings High We ¡don’t ¡know ¡the ¡airflow ¡

• ver ¡our ¡avionics

Parachutes ¡singed ¡ by ¡BP ¡charge Low Main ¡will ¡have ¡a ¡piston ¡and ¡ chute ¡protector, ¡while ¡ drogue ¡will ¡have ¡wadding ¡and ¡ a ¡chute ¡protector

PAYLOAD ¡

Mission ¡Overview ¡

• Purpose ¡
• Intended ¡to ¡simulate ¡

deployment ¡on ¡ extraterrestrial ¡body ¡ ¡

• Collect ¡atmospheric ¡data ¡

using ¡onboard ¡sensors ¡

• Receive ¡control ¡inputs ¡

from ¡operator ¡on ¡ground ¡

• Verify ¡data ¡by ¡comparing ¡

to ¡published ¡and ¡pre-­‑ launch ¡readings ¡

Drive ¡electronics ¡ Camera ¡ Data ¡acquisi8on ¡ electronics ¡

Specifica8ons ¡

Weight: ¡7lb ¡ Maximum ¡Dimensions ¡(flight ¡config.): ¡7in ¡diameter, ¡13.75in ¡length ¡ Maximum ¡Dimensions ¡(ground ¡config.): ¡7in ¡x ¡9.75in ¡x ¡13.75in ¡

¡

• Mechanical ¡features ¡
• Outrigger ¡wheel ¡
• Axial ¡suspension ¡system ¡
• Drive ¡suspension ¡system ¡

Camera ¡ Data ¡Logger ¡ Solar ¡Radia8on ¡Sensor ¡

Components ¡

RF ¡TransmiTer ¡

Controls ¡

S6020 ¡Servo ¡ DX5e ¡RC ¡TransmiTer ¡ AR600 ¡RC ¡Receiver ¡

Pilot’s ¡RC ¡Controller ¡ Pilot’s ¡Computer ¡ 14dB ¡Patch ¡Antenna ¡

SMA ¡connec8on ¡ C a m e r a ¡ S i g n a l ¡ Video ¡Feed ¡to ¡Pilot ¡

Ground ¡Sta8on: ¡Conceptual ¡Drawing ¡

Rover ¡

Payload ¡Deployment ¡

• Same ¡system ¡as ¡parachute ¡deployment ¡with ¡piston ¡
• Rover ¡will ¡sit ¡inside ¡of ¡ejec8on ¡piston ¡and ¡par8ally ¡

inside ¡of ¡nose ¡cone ¡

Black ¡Powder ¡Charges ¡

!"#$%!&"#'#" " (!$)%*+,-.&'('"

• 3 ¡keyhole ¡shear ¡pins ¡with ¡

shear ¡force ¡of ¡145 ¡pounds ¡

• Break ¡shear ¡pins ¡and ¡

move ¡payload ¡out ¡of ¡bay ¡

¡

Tes8ng/Verifica8on ¡

• Control ¡System ¡
• Test ¡range ¡and ¡orienta8on ¡
• Determine ¡opera8onal ¡limits ¡
• Drive ¡System ¡
• Confirm ¡that ¡servo ¡torque ¡can ¡

flip ¡the ¡rover ¡to ¡correct ¡

• rienta8on ¡
• Data ¡Acquisi8on ¡
• Test ¡validity ¡and ¡accuracy ¡of ¡

readings ¡

• Used ¡to ¡verify ¡rover ¡opera8on ¡

during ¡mission ¡

• Ejec8on ¡System ¡
• Test ¡rover ¡deployment ¡in ¡

various ¡orienta8ons ¡

• Flat ¡vs. ¡angled ¡terrain ¡
• Assess ¡deployment ¡safety ¡
• Suspension ¡System ¡
• Drop ¡rover ¡and ¡observe ¡

compression ¡

• Confirm ¡ability ¡to ¡

withstand ¡axial ¡loads ¡

OUTREACH ¡

Outreach ¡

October 17

th, 2011 ¡

Urban 4-H Kickoff ¡ November 19

th, 2011 ¡

Family Fun Fair ¡ December 8th, 2011 ¡ Farnsworth Schoool Science Fair (tentative) ¡ January 7th, 2012 ¡ Davinci Fest (tentative) ¡ Jan-April 2012 ¡ Teaching Smart (tentative) ¡ Jan-April 2012 ¡ Farnsworth Aerospace School (tentative) ¡ March 22

nd, 2012 ¡

Lincoln Center Elementary Science Night (tentative) ¡

Extra ¡Slides ¡

Orienta8on ¡

Features ¡

• Axial ¡suspension ¡

system ¡

• Allows ¡compression ¡

between ¡shelves ¡

• Helps ¡absorb ¡forces ¡from ¡

launch ¡and ¡deployment ¡

• Outrigger ¡
• Provides ¡stability ¡

in ¡ground ¡ configura8on ¡

• Spring-­‑loaded ¡for ¡

automa8c ¡ deployment ¡

Shock ¡absorbers ¡ Guide ¡rail ¡ Repeated ¡

• n ¡top ¡

shelf ¡ Folded ¡outrigger ¡arm ¡ Unfolded ¡outrigger ¡arm ¡

• Custom ¡suspension ¡system ¡
• Prevent ¡damage ¡during ¡landing ¡
• Improve ¡stability ¡while ¡driving ¡

Horizontal ¡struts ¡ Ver8cal ¡struts ¡ Drive ¡axis ¡ Drive ¡servo ¡ Shock ¡absorbers ¡

• Secondary ¡axial ¡suspension ¡
• Reduces ¡loading ¡on ¡the ¡drive ¡axial ¡
• Allows ¡compression ¡between ¡the ¡

drive ¡wheel ¡and ¡chassis ¡

Compression ¡zone ¡

Features ¡