Ingeniería Aeroespacial y de Cohetes de Delft

La mayoría de los cohetes de DARE funcionan con motores de propulsión sólida , desarrollados y construidos por el equipo Solid Six y la Junta de Seguridad. Los propelentes utilizados son una mezcla de sorbitol y nitrato de potasio, conocida como " caramelo para cohetes" , o una mezcla de nitrato de amonio y aluminio llamada Alan-7. La potencia de los motores desarrollados oscila entre 300 N y 7000 N.

Tras el lanzamiento de Stratos I, se inició la investigación de motores de cohete híbridos en DARE. Después de una extensa investigación teórica, se comenzaron las pruebas a pequeña escala (con un rango de 500 a 1100 N) para adquirir experiencia con el sistema y seleccionar la configuración óptima del motor. El combustible seleccionado fue una mezcla de sorbitol, parafina y aluminio, combinada con óxido nitroso como oxidante. Este trabajo ha dado como resultado varias publicaciones en diversas revistas, incluida la del Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica . ^{[ 6 ]} Versiones a mayor escala de este motor se utilizan para impulsar Stratos II+ y III , los proyectos insignia de DARE.

Actualmente, el desarrollo de la propulsión híbrida dentro de DARE lo lleva a cabo el Proyecto Chimera.

Si bien actualmente todos los motores a gran escala desarrollados por DARE son motores híbridos basados ​​en óxido nitroso, la logística y la fabricación impiden que este tipo de motor se expanda mucho más. Por esta razón, DARE se centra en el desarrollo de motores de cohete de etanol líquido (LOX ). Los desarrollos anteriores de motores líquidos han fracasado por diversas razones, principalmente debido a la complejidad mecánica de este tipo de propulsión. La subdivisión de Desarrollo de Motores Criogénicos de DARE tiene como objetivo producir un  motor de 2-3 kN para adquirir el conocimiento necesario para que la sociedad pueda aprovechar la tecnología. Un plan futuro para este motor es impulsar potencialmente futuras misiones Stratos.

Todos los cohetes DARE se estabilizan pasivamente, con el tamaño y la ubicación de las aletas equilibrados de tal manera que el cohete gira contra el viento una vez que supera la torre. En consecuencia, los vientos cruzados moderados a fuertes pueden limitar considerablemente la altitud que puede alcanzar un cohete. El Equipo de Control Avanzado está desarrollando tecnología para estabilizar activamente el cohete durante el ascenso.

Todas las placas de circuito impreso (PCB ) y el software son de fabricación personalizada y desarrollados internamente en DARE. Se utilizan para desplegar paracaídas, controlar motores y transmitir datos de radio durante y después del lanzamiento.

El Proyecto de Cohetes Pequeños (conocido coloquialmente como la Competencia de Huevos Revueltos) es el programa de DARE para introducir a los miembros de primer año y otros estudiantes interesados ​​en los principios básicos de la cohetería práctica. El objetivo del proyecto es lanzar un cohete a una altitud de 1  km con un huevo crudo a bordo y devolverlo intacto. Para ayudar a los estudiantes a lograr este objetivo, el proyecto comienza con varias charlas que explican los fundamentos de la cohetería, la estabilidad de los cohetes y el diseño de paracaídas. Estas charlas son impartidas por miembros veteranos de DARE, quienes también actúan como mentores que asesoran y guían a los grupos durante el proyecto. Los grupos tienen bastante libertad en sus diseños, aunque cada cohete debe pasar una revisión de seguridad final, y DARE proporciona los motores de cohete de combustible sólido. El proyecto concluye con un día de lanzamiento en un campo de pruebas militar, donde cada diseño se pone a prueba.

DARE también participa activamente en la prestación del servicio de lanzamiento para el proyecto holandés CanSat . ^{[ 7 ]} En particular, DARE desarrolla, produce, prueba y lanza los lanzadores CanSat (CSL). A lo largo de los años, estos lanzadores han pasado por varias iteraciones de desarrollo, buscando un equilibrio entre fiabilidad, facilidad de producción y capacidad de carga útil. La versión actual del CSL 7 consta de una estructura totalmente de aluminio y, propulsada por un motor de cohete de combustible sólido, puede elevar entre cinco y seis CanSats a una altitud de un kilómetro. El CSL V7 se ha utilizado recientemente como plataforma de pruebas volante para probar nuevas tecnologías desarrolladas por DARE.

En 2015 se puso en marcha el proyecto Aether. Su objetivo es demostrar varias tecnologías nuevas desarrolladas dentro de DARE, que posteriormente podrán implementarse en proyectos de mayor envergadura. Incluye:

• Estabilización activa de los alerones canard , adecuada para vuelos transónicos.
• Un  motor sólido de 7 kN
• Un mecanismo avanzado de despliegue de paracaídas balísticos , tal como se requería para la campaña de lanzamiento de Stratos II+.

La Junta de Seguridad no desarrolla cohetes activamente, sino que está compuesta por miembros experimentados de DARE, quienes pueden incorporarse a ella tras un mínimo de un año de formación. ^{[ 8 ]} La Junta de Seguridad supervisa las pruebas realizadas en DARE, revisa los cohetes antes del lanzamiento y es responsable de todos los aspectos relacionados con la seguridad en el trabajo de DARE. La Junta de Seguridad puede revocar cualquier decisión relacionada con la seguridad.

El Proyecto Sparrow es la iniciativa más reciente de DARE para desarrollar el primer cohete de propulsión líquida con vectorización de empuje de la sociedad , llamado Firebolt. El motor proporcionará la potencia y el control necesarios para impulsar cohetes más allá de la línea de Kármán de 100 km mediante un sistema de propulsión de oxígeno líquido y etanol. Como sucesor del motor híbrido Nimbus utilizado en el cohete DARE Stratos IV, Firebolt impulsará la próxima generación de vehículos de alto rendimiento de DARE y servirá como primer paso para colocar un cohete diseñado por estudiantes en órbita terrestre.

El Proyecto Sparrow desarrollará finalmente un motor listo para el vuelo, que DARE podría integrar en un cohete sonda . Este cohete también servirá como banco de pruebas para validar la dinámica del cohete con el motor de empuje vectorial. El cohete incorporará, en última instancia, sistemas de separación de etapas y recuperación.

Stratos I estableció el récord de mayor altitud alcanzada por un cohete estudiantil, con 12,5  km. ^{[ 9 ]} Fue lanzado desde Esrange en Suecia en 2009. Era un cohete sólido de dos etapas , impulsado por propulsores desarrollados y construidos dentro de DARE. Después de un ascenso exitoso, los paracaídas no se desplegaron y ambas etapas se estrellaron. La altitud alcanzada y la ubicación del impacto pudieron obtenerse del equipo de la plataforma de lanzamiento, lo que permitió recuperar la segunda etapa después del lanzamiento. La primera etapa fue encontrada accidentalmente 8 años después, durante una revisión rutinaria del sitio de lanzamiento.

El cohete Stratos II+ fue el proyecto más ambicioso de DARE y originalmente tenía como objetivo alcanzar los 50  km. Sin embargo, tras cambios en el diseño y simulaciones actualizadas, se hizo improbable que se pudiera alcanzar dicha altitud. El Stratos II+ se lanzó con éxito el 16 de octubre de 2015 desde El Arenosillo del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial , cerca de la ciudad de Sevilla , en España . Alcanzó una altitud de 21,5  km, con la que batió el récord anterior de cohetería estudiantil. ^{[ 10 ]} El cohete se conocía inicialmente como Stratos II, pero su lanzamiento en octubre de 2014 fracasó. Tras realizar mejoras en el diseño, el cohete pasó a llamarse Stratos II+.

El Stratos II+ fue propulsado por un motor híbrido de una sola etapa, el DHX-200 Aurora, que tiene una potencia máxima de 11  kN. El motor tiene un impulso total de 180 kNs y arde durante aproximadamente 23 segundos. ^{[ 11 ]} Después de esto, el motor se apaga y el cohete continúa su trayectoria inercial hasta su apogeo. El Stratos II+ transportaba varias cargas útiles científicas a bordo para realizar mediciones en la atmósfera superior. Entre ellas se encuentran un experimento de radioastronomía de la Universidad Radboud de Nijmegen , ^{[ 12 ]} un sistema de cámara con enlace de video de la empresa DelftDynamics ^{[ 13 ] [ 14 ]} y un contador Geiger del Centro de Investigación Energética de la Academia Húngara de Ciencias .

En la tabla que aparece a continuación se muestra un resumen de los intentos de lanzamiento de Stratos II y II+.

Stratos III es un cohete sonda desechable desarrollado por el equipo estudiantil de cohetería Delft Aerospace Rocket Engineering de la Universidad Técnica de Delft (TU Delft). El proyecto comenzó en 2016 como sucesor de la misión Stratos II+ con el objetivo de recuperar el récord europeo de altitud para cohetería estudiantil, actualmente en manos del equipo alemán HyEnD.

El cohete Stratos III mide 8,2 m de altura y está propulsado por el DHX-400 Nimbus, un motor cohete híbrido de impulso de 360 ​​kN. ^{[ 15 ]} El DHX-400 Nimbus utiliza óxido nitroso como oxidante y una mezcla de parafina , sorbitol y polvo de aluminio como combustible. El tanque de oxidante está hecho de fibra de carbono con un revestimiento de aluminio y tiene capacidad para almacenar 174  kg de óxido nitroso a una presión de 60 bar. El DHX-400 es el motor híbrido de construcción amateur más potente del mundo, con un empuje máximo de 25  kN. ^{[ 16 ]}

El cohete transporta una carga útil científica de NLR , que es un prototipo de IMU para el futuro lanzador europeo SMILE propuesto. ^{[ 17 ]} Además, Stratos III tiene un enlace descendente de transmisión en vivo de 360 ​​grados completo.

En el apogeo , la ojiva con la carga útil se separa del tanque de oxidante y del sistema de propulsión. Posteriormente, un dispositivo de despliegue de paracaídas abre un paracaídas de frenado y un paracaídas principal para asegurar un aterrizaje seguro a 13  m/s en el Océano Atlántico . Después, la ojiva es recuperada por una embarcación. El Stratos III se lanza desde El Arenosillo , de forma similar al Stratos II+. La ventana de lanzamiento se abre el 16 de julio de 2018 y se cierra el 27 de julio de 2018. En la tabla siguiente se muestra un resumen de los intentos de lanzamiento.

El segundo intento de lanzamiento estaba programado inicialmente para el 25 de julio a las 23:00 CEST. Sin embargo, a pesar de contar con un 100 % de probabilidad de éxito meteorológico, se produjo un retraso significativo al presurizar el tanque de óxido nitroso. Esto provocó que el lanzamiento se retrasara hasta el 26 de julio a las 3:30. Tras un lanzamiento exitoso, se produjo una anomalía a los 20 segundos de vuelo, lo que resultó en la pérdida del vehículo. ^{[ 18 ]}

Tras la desintegración en vuelo del Stratos III, se inició una investigación para determinar la causa de su desaparición. El equipo de investigación estaba integrado por miembros del equipo del Stratos III y del recién formado equipo del Stratos IV. Las principales fuentes de información fueron la telemetría transmitida desde el vehículo durante sus 20 segundos de vuelo (que proporcionaba datos de las dos IMU a bordo, así como del receptor GPS y los sensores de presión), además de las mediciones terrestres realizadas mediante radar y Doppler. Estas fuentes permitieron al equipo reconstruir la trayectoria que siguió el Stratos III durante su vuelo. A partir de estos datos, se concluyó que el vehículo experimentó un fenómeno conocido como acoplamiento de balanceo-cabeceo, o acoplamiento inercial . Este fenómeno se produce cuando la velocidad de balanceo del vehículo coincide con su frecuencia de cabeceo natural. Esto provoca que el vehículo se mueva en un movimiento cónico en lugar de lineal, y cuando las dos frecuencias se acoplan, el vehículo se vuelve inestable y se desvía de su trayectoria de vuelo, lo que provoca su desintegración.

Al considerar el objetivo del Stratos IV, la combinación de rendimiento del motor y masa del vehículo del Stratos III tuvo una gran influencia. Se observó que esta combinación proporcionaba apogeos simulados cercanos a los 100  km, o la línea de Kármán . Dado que alcanzar esta altitud es el objetivo a largo plazo del proyecto Stratos, se decidió perfeccionar el diseño del Stratos III. Por lo tanto, el proyecto Stratos IV se centra en minimizar la masa del vehículo, manteniendo fija la geometría interna del motor, cuyo desarrollo llevó tres años. El diseño del Stratos IV se presentó el 12 de febrero de 2019. ^{[ 19 ]}

Los cambios de diseño en comparación con Stratos III son:

• Ahorro de peso
  • Cámara de combustión de material compuesto (6  kg más ligera que su equivalente de aluminio)
  • Punta de nariz Twaron (2  kg más ligera que su equivalente de fibra de vidrio)
  • Boquilla de titanio impresa en 3D (12  kg más ligera que su equivalente totalmente de grafito).
• Mitigación del acoplamiento de balanceo y cabeceo
  • Interfaces cónicas entre módulos (más rígidas que las interfaces planas anteriores)
  • Carcasa del compartimento del motor (más rígida que la versión con largueros , con mejor accesibilidad)
  • Aletas más grandes (margen estático más constante durante el vuelo)
  • Módulo de control de balanceo mediante propulsores de óxido nitroso.
• Varia
  • 5 cámaras (cuatro radiales, una orientada hacia abajo y otra que mira a través de la placa de recuperación para observar la separación del tanque y el despliegue del paracaídas).
  • Dispositivo de despliegue de gas caliente (menos componentes, por lo tanto, mayor fiabilidad que el equivalente de gas frío).

La campaña de lanzamiento del Stratos IV se llevó a cabo a finales de 2021 en el centro de pruebas de El Arenosillo . ^{[ 20 ]} Tras varios intentos con problemas técnicos, el cohete no fue lanzado y la campaña finalizó. ^{[ 21 ]}