Czy rakieta zaprojektowana i zbudowana przez podchorążego WAT może służyć do testowania zminiaturyzowanych satelitów? Tak! Dla sierż. pchor. Artura Kłosińskiego to temat pracy magisterskiej. Skonstruowana przez niego w pełni funkcjonalna rakieta umożliwia wyniesienie ładunków sondujących zgodnych ze standardem ESA (European Space Agency).
Rakieta Cangur jest działającym nośnikiem pikosatelitów typu „CanSat”, czyli sond badawczych zminiaturyzowanych do wielkości puszki napoju, zawierających wszystkie podstawowe systemy składające się na satelitę. Są one konstruowane w ramach międzynarodowego konkursu „CanSat”, a ich zadaniem jest przeprowadzenie badań i eksperymentów podczas lotu rakietą i w trakcie opadania na spadochronie. Każdy CanSat musi realizować dwie misje: podstawową (zbieranie danych o ciśnieniu i temperaturze) oraz co najmniej jedną dodatkową. Dzięki nim studenci i uczniowie szkół średnich, przeprowadzając badania naukowe, rozwijają swoje zainteresowania w kierunku technologii kosmicznych. Podczas finałów konkursu biorące w nim udział projekty wynoszone są za pomocą rakiety na wysokość między 1,5 km a 2,5 km za pomocą specjalnej rakiety nośnej, takiej jak ta skonstruowana przez młodego innoWATora.
Sierż. pchor. Artur Kłosiński studiuje lotnictwo i kosmonautykę, specjalność uzbrojenie lotnicze, na Wydziale Mechatroniki, Uzbrojenia i Lotnictwa Wojskowej Akademii Technicznej. Jego pasja do rakiet zrodziła się dopiero w trakcie studiów w WAT, podczas zajęć z lotniczych pocisków rakietowych prowadzonych przez dr. inż. Sławomira Stępnia i warsztatów rakietowych prowadzonych przez członków Polskiego Towarzystwa Rakietowego. To właśnie tam wykonał on swój pierwszy latający model rakiety.
„Dla mnie niebo zdecydowanie nie jest limitem, a jedynie kolejną granicą do przekroczenia. Dlatego w ramach pracy dyplomowej planowałem wykonanie właśnie takiej rakiety, która będzie po pierwsze w pełni odzyskiwalna, a po drugie wyniesie dwa »CanSaty« i wyrzuci je w apogeum – najwyższym punkcie lotu”– mówi konstruktor.
Promotor podchorążego Kłosińskiego docenia jego pasję i zaangażowanie: „Współpraca z Panem Arturem sprawia mi wiele satysfakcji i stanowi dla mnie, jak i innych wykładowców, silną motywację do angażowania się w pracę dydaktyczną i wspólne przedsięwzięcia z młodzieżą. Tacy studenci są w środowisku uczelni drogowskazem, jak łączyć pasję z obowiązkami, aby trudy nauki odczuwać jako źródło satysfakcji. Wspominam swoje czasy studenckie i cieszę się, że towarzyszące nam wtedy ambicje i ciężka praca znajdują kontynuację wśród dzisiejszych młodych adeptów nauki, którzy zastąpią nas w przyszłości” – mówi o swoim dyplomancie ppłk dr inż. Michał Jasztal, kierownik Zakładu Inżynierii Bezpieczeństwa i Uzbrojenia Lotniczego.
Budowa rakiety – doświadczenie, projekt i konstrukcja
Zanim powstał Cangur, młody innowator zbudował sześć innych rakiet. Były to zarówno niewielkie konstrukcje na modelarskie silniki rakietowe, a także większe – wykorzystujące silniki rakietowe o większych mocach. Ich startów przeprowadził około piętnastu, z dużymi sukcesami, tylko trzy były nieudane. Dwukrotnie zawiódł system odzysku rakiety, a raz spektakularną katastrofę spowodował wybuch silnika rakietowego na paliwo stałe. „Po przeanalizowaniu mocnych i słabych stron istniejących rozwiązań oraz określeniu założeń i koncepcji, przystąpiłem do projektowania bryły konstrukcji. Opracowałem model CAD (Autodesk Fusion 360), wykonałem wstępne symulacje rozłożenia masy oraz określiłem stabilność rakiety (OpenRocket) oraz wykonałem symulację aerodynamiczną geometrii rakiety (Ansys Fluent) ” – mówi sierż. pchor. Kłosiński.
Kolejnym etapem było wykonanie prototypu. „Jednym z największych wyzwań konstrukcyjnych, ze względu na skomplikowaną geometrię bryły, było wykonanie głowicy rakiety z laminatu szklano-epoksydowego. W tym celu na drukarce 3D została wydrukowana dwuczęściowa skręcana forma. Po wykonaniu laminatu, niezwykle trudnym było osiowe dopasowanie elementów drukowanych wklejonych w korpus głowicy oraz zainstalowanie aluminiowego noska” – mówi konstruktor.
Po weryfikacji wykonanego prototypu, czyli sprawdzeniu jego funkcjonalności, zostały wprowadzone niezbędne poprawki usprawniające konstrukcję. Efektem pracy była rakieta napędzana silnikiem Student 1500 na hybrydowy materiał pędny. Konstrukcja została wykonana praktycznie w całości z włókna węglowego, co zapewniło jej lekkość, wytrzymałość oraz pożądaną sztywność. Waży tylko 8 kg, czyli tyle co zgrzewka wody, a mierzy aż 2,6 m, co przy średnicy 9 cm jest wynikiem godnym podziwu.
Rakieta została wyposażona w autorski bezpieczny dwustopniowy system odzysku. Odpowiadają za niego dwa niezależne układy elektroniczne odpowiedzialne za podanie impulsów elektrycznych na zapłonniki na żądanej wysokości. Spadochron hamujący wyzwalany jest na pułapie, kiedy prędkość rakiety jest najniższa, a następnie (na wysokości 300 m) wyzwalany jest spadochron główny. Zazwyczaj do rozdzielania korpusów (przedziałów) stosuje się czarny proch, ale w tym projekcie zostały wykorzystane naboje gazowe z CO2. „Zastosowanie pirotechnicznego systemu wyrzucenia spadochronów wprowadza konieczność wykorzystania materiałów miotających, jest to na tyle problematyczne, że trzeba posiadać odpowiednie zgody na ich zakup oraz posiadanie. Dodatkowo pirotechniczne systemy mogą spowodować zniszczenie (poprzez działanie gorących gazów prochowych) niektórych podzespołów rakiety oraz wprowadzają konieczność stosowania dodatkowych środków ostrożności przy obsługiwaniu rakiety. Dlatego zdecydowałem się na opracowanie mechanizmu pirotechniczno-pneumatycznego, który wykorzystuje w pełni legalne zapłonniki elektryczne oraz naboje ze sprężonym CO2, które są też znacznie bezpieczniejsze dla użytkownika i konstrukcji” – tłumaczy młody innoWATor.
Lot testowy, czyli być albo nie być
Aby móc w ogóle myśleć o wystrzeleniu rakiety, należy najpierw uzyskać licencję startową Rakiety Dużej Mocy (RDM). Są trzy klasy licencji i aby je zdobyć, trzeba zdać egzaminy teoretyczne oraz wykonać udany lot zbudowanym przez siebie modelem. Odbywa się to w obecności komisji egzaminacyjnej Polskiego Towarzystwa Rakietowego. Udany lot Cangura miał zapewnić podchorążemu WAT awans do II klasy.
W końcu nadszedł Dzień Lotów Rakiet Eksperymentalnych w Drawsku Pomorskim. Artur wspomina go tak: „Pasmo niepowodzeń innych startujących nie pomagało mi w zachowaniu zimnej krwi i czarne myśli zaczęły napływać do głowy. Jednak w końcu zwyciężyła ambicja i pewność siebie – podczas przygotowania startu czułem, że lot musi się udać. Moja rakieta tego dnia jako jedyna odbyła pomyślny lot, wszystkie mechanizmy zadziałały prawidłowo, a licencja klasy II, o którą się ubiegałem, stała się rzeczywistością”.
Promotor studenta uważa, że aby odnosić sukcesy, tak jak jego dyplomant, nie wystarczy być uzdolnionym i pracowitym, gdyż ich źródła znajdują się na wielu płaszczyznach. Ważne są dobre relacje z kolegami, a także rozwój w obszarze niezwiązanym z nauką i wojskiem. Ppłk dr inż. Michał Jasztal podkreśla też, że poprzez pielęgnowanie w sobie pasji, otwarty umysł oraz odwagę w podejmowaniu się trudnych zadań, sierż. pchor. Artur Kłosiński stał się młodym innoWATorem, który był już wielokrotnie nagradzany za swoje projekty inżynierskie. „Mam tu na myśli opracowany w ramach pracy inżynierskiej nowatorski zasobnik bombardierski dla BSP oraz prezentowany obecnie niezwykle udany model rakiety sondującej. Pan Artur, oprócz indywidualnych sukcesów, jest też graczem zespołowym, który chętnie realizuje projekty wspólnie z kolegami” – podsumowuje wykładowca.
Co dalej?
Rakieta zatacza coraz szersze kręgi. Projekt sierż. pchor. Kłosińskiego zdobył już I miejsce na najlepszy referat podczas IX Konferencji Młodych Naukowców „Wiedza i Innowacje wiWAT” w grudniu 2021 r., a podczas studenckiej międzynarodowej konferencji CERC 2022, która odbyła się 12 – 13 maja 2022 r., II miejsce w panelu „Aerospace and Mechanical Engineering”.
Podchorąży pracuje też z zespołem projektu MUTANT nad rakietą konkursową, która pozwoli im wyjechać na prestiżowe zawody studenckich rakiet sondujących EuRoC – European Rocketry Challenge. Do projektu dołączyły również inne koła naukowe WAT: Koło Naukowe Lotnictwa i Kosmonautyki, Koło Naukowe Chemików, Koło Naukowe Optoelektroników oraz Koło Naukowe Zmęczenia Konstrukcji i Komputerowego Wspomagania Projektowania.
Po promocji oficerskiej sierż. pchor. Artur Kłosiński chciałby dalej rozwijać swoje pasje w WAT. Jego największym marzeniem jest podjęcie pracy naukowo-badawczej oraz rozpoczęcie studiów w Szkole Doktorskiej WAT. A wyzwaniem i celem jest pobicie, razem z MUTANT-em, rekordu Polski w wysokości lotu rakiety amatorskiej (18,5 km), należącego do Studenckiego Koła Astronautycznego Politechniki Warszawskiej.
Sukces nie przyszedł sam
„W realizacji projektów pomogło mi wielu pracowników i studentów WAT, którzy zawsze z dużą cierpliwością wysłuchiwali moich pomysłów. Serdecznie dziękuję panu ppłk. dr. inż. Michałowi Jasztalowi, mojemu promotorowi i mentorowi z Wydziału Mechatroniki, Uzbrojenia i Lotnictwa, który zaakceptował zaproponowany przeze mnie temat pracy magisterskiej i wspierał mnie swoją wiedzą podczas całego procesu projektowania i wykonywania rakiety” – mówi młody konstruktor i dodaje – „Szczególne podziękowania kieruję do mgr. inż. Pawła Grzesia, doktoranta i pracownika Instytutu Optoelektroniki, który tuż po zdobyciu przeze mnie licencji startowej RDM zwerbował mnie do projektu MUTANT (Military University of Technology Astronautic Team to zespół studentów, inżynierów i doktorantów, których wspólną pasją jest technika rakietowa) i wspierał mnie na każdym etapie realizowanych projektów. Dzięki jego uprzejmości mogłem korzystać z pracowni rakietowej na Wydziale Optoelektroniki, gdzie wykonywałem m.in. pracę nad elementami kompozytowymi. Niezwykle istotna była pomoc mgr. inż. Jakuba Łuszczka z Wydziału Inżynierii Mechanicznej, który zrealizował wydruk 3D wielkogabarytowych form do głowicy rakiety Cangur. Nie mogę również zapomnieć o członkach Polskiego Towarzystwa Rakietowego, z którymi ciągle konsultowałem stosowane w projektowanej rakiecie rozwiązania”.
Film ze startu rakiety oraz jej konstrukcję obejrzycie na naszym Facebooku: www.facebook.com/WOJSKOWA.AKADEMIA.TECHNICZNA
[1] Autodesk Fusion 360, OpenRocket i Ansys Fluent to nazwy programów komputerowych służących do projektowania i symulacji.
Autor: Sebastian Jurek
fot. sierż. pchor. Artur Kłosiński, Bartosz Śmiełowski, Sebastian Jurek
Artykuł powstał w ramach cyklu #młodziinnoWATorzy, w którym prezentujemy projekty, prace naukowe i dyplomowe, nowoczesne rozwiązania ambitnych studentów Wojskowej Akademii Technicznej, dla których 100% to za mało.
Jeżeli zainteresował Cię ten artykuł, nie możesz przegapić poprzednich:
Rekrutacja „zalinkowana” przez studenta WAT
Nieograniczone możliwości szkolenia dzięki symulatorowi zaprojektowanemu przez podchorążego WAT