Ogni studente è un razzo vettore lanciato verso la vita.

L’Istituto “Fermi” ne è la base di lancio.

Il programma FermiX è svolto in stretta collaborazione con il

Team RocketEmotions e con

PREFAZIONE:  Programma sperimentale didattico-scientifico   

 Metafora

Ogni studente è un razzo vettore lanciato verso la vita.

L’Istituto “Fermi” ne è la base di lancio.

 Partecipanti

Il programma FermiX è interdisciplinare.  Vi partecipano circa 50 studenti dell’Istituto “Enrico Fermi” di Mantova, appartenenti alle classi III, IV e V del Liceo Scientifico Tecnologico e dei cinque corsi isitituzionali di studio specialistici, assistiti da docenti interni e tutor volontari esterni.

 Volunteers

Nel corso dell’intero programma gli studenti e gli insegnanti saranno affiancati da tutor esterni, con provata competenza professionale nel settore aerospaziale. Tali docenti, tutti volontari, sono selezionati dalla Presidenza e rispondono direttamente alla Dirigente.

Obiettivo

Il progetto denominato K-10 (10 volte mille) è frutto di un accurato lavoro di studio e pianificazione, il programma didattico-sperimentale FermiX, è finalizzato alla realizzazione in collaborazione con il Team RocketEmotions,  e al lancio di un razzo sonda (Sounding Rocket) in grado raggiungere la quota di 10.000 metri. Durante il rientro a caduta libera verranno effettuati  degli esperimenti in ambiente di micro-gravità. Il volo sarà monitorato mediante telemetria nei suoi parametri principali, posizione GPS, quota, velocità. La Payload  è suddivisa in sezione esperimenti e sezione navigazione/telemetria.  Il sistema è sviluppato direttamente dagli studenti  con l’aiuto dei docenti.

Per raggiungere l’obiettivo finale è necessario operare alcuni lanci test, a quote incrementali per testare il sistema telemetrico, ed affinare le tecniche e competenze necessarie al lancio finale.

 IItem

Punti notevoli del progetto didattico sono:

- interdisciplinarietà;

- elevato contenuto scientifico e tecnologico;

- ricerca, sviluppo e sperimentazione;                  

- problem solving;

- modello organizzativo d’impresa;           

- modello di sicurezza avanzato Safety Management System (SMS).

  Organizzazione        

La struttura si basa su un modello organizzativo articolato in 10 Team:  Management; Coordinamento; Comunicazione; Logistica; Liceo Tecnologico; Informatica; Elettronica; Elettrotecnica; Meccanica; Chimica.

Norma principale del progetto:

 FASE 1

Ricerca location di lancio con relativa finestra di lancio.

Informazione necessaria per programmare costi e tempistica lavori.

Verifica se è necessario adeguare il progetto alle normative vigenti nel luogo di lancio, ad esempio frequenze di possibile utilizzo per la telemetria ecc. ecc.

Definizione del vettore,  verifica con simulazione  raggiungimento quota richiesta

Progettazione dei sistemi di bordo sperimentali

Implementazione e verifica teorica delle varie parti dei sistemi di bordo con i sistemi sperimentali ed  il vettore.

Stesura elenco analitico componenti e spese necessarie alla conclusione del progetto

Programmazione fasi di lavoro e test statici e dinamici

Ricerca sponsor e fondi necessari alla realizzazione del progetto

FASE 2

Costruzione assemblaggio

Approvvigionamento  materiali

Lavorazioni interne e conto terzi

Acquisizione tecnologie per la costruzione e/o lavorazioni

Controllo qualità singolo componente

Test componenti

Installazione componenti

Assemblaggio finale

Verifica assemblo con dati progetto

Simulazione lancio con pesi finali

Controllo spesa e budget

  FASE 3 

Logistica: organizzazione trasferimenti e permanenza nella “base di lancio”

                  Organizzazione e trasferimento componenti di lancio

                  Espletamento eventuali richieste documentazione per il lancio

                  Assicurazione RC per il programma

                  Organizzazione squadre a terra con mezzi adatti al recupero Paylod

Lancio:     verifica componenti e strumentazione tramite opportuna check list

                  Verifica motori e posizionamento in rampa

                  Lancio,  telemetria in tempo reale

Recupero: squadre e mezzi ricerca

                   Analisi post-volo

PROGETTO FASE 1: Progetto SPUTNIK  un po’ di storia

L'oggetto spaziale — denominato anche “Satellite 1957 alfa 2” — era costituito da due semisfere metalliche. La lega che le componeva era altamente raffinata ed con una precisa composizione: Alluminio 93,8%, Magnesio, 6% Titanio 0,2%; infatti per questo si chiamava anche AMg6T. Lo spessore delle due semisfere era di circa 2 mm; quella superiore pesava 5,8 kg mentre quello inferiore dieci grammi in più.

La saldatura ermetica era garantita dal fissaggio di 36 bulloni posti ad anello sulla circonferenza. Il volume interno era riempito con azoto "secco" — cioè senza vapore acqueo — ad una pressione di 1,3 atmosfere. Questo gas — estremamente puro — garantiva il mantenimento dell'efficienza delle batterie chimiche.

L'aspetto esteriore del satellite era quello di un'unica sfera translucida da cui spuntavano quattro "appendici": due antenne lunghe 239 cm e l'altre due lunghe 290 cm. Uno speciale meccanismo a scatto era progettato per dispiegare l'antenne con un angolo di 35° rispetto all'asse principale dell'alloggiamento sferico. Il dispositivo si sarebbe attivato  dopo la separazione dal razzo. Il diametro del satellite era di soli 58,42 cm mentre il peso si attestava sui 83,46 kg.

Nell'unico alloggiamento interno c'erano due radio trasmettitori D-200 dalla potenza in uscita di 1 watt. Il primo "lavorava" alla frequenza di 20,005 MHz [megacicli nel 1957]. Il secondo inviava un identico segnale ai 40.002 kHz (40,002 MHz) quando l'altro trasmettitore era in "pausa". La telemetria veniva implementata con una modulazione in frequenza della portante (carrier in gergo). Ai tempi d'oggi potrebbe sembrare una rudimentale, ma efficacie forma di PMW (Pulse-Width Modulation, Modulazione di Larghezza di Impulso).

ll trasmettitore era "accordato" per generare segnali con una lunghezza variabile fra 0,2 e 0,6 secondi.

Un sistema di commutazione faceva in modo che i trasmettitori lavorassero alternativamente e codificassero sia la temperatura che la pressione interna. Se c'erano più di 50 °C/meno di 0 oppure una pressione interna inferiore a 0,35 kg/cm² (0,34 atmosfere) i commutatori termici e barometrici avrebbero fatto variare la durata dei segnali trasmessi. In particolare il primo trasmettitore avrebbe "spostato" di 0,2 secondi il segnale sui 20,005 MHz e il secondo trasmettitore di 0,4 secondi il suo segnale sui 40,002 MHz.

Praticamente la pressione interna veniva codificata dalla durata dell'impulso, invece la temperatura era rappresentata come "distanza" fra gli impulsi.

Un registratore a nastro magnetico a terra registrava le sottoportanti del segnale PMW per una successiva riproduzione ed analisi  Il commutatore termico per sicurezza era in doppia copia.

La stabilizzazione spaziale avveniva con la sola rotazione sul proprio asse alla velocità di 7 giri al minuto (un rotazione ogni 8,7 secondi).

Finché il satellite fosse stato attaccato all'ultimo stadio del razzo, era protetto da un dispositivo conico (altezza: 80 cm; apertura: 48°).

Al momento della separazione delle cariche pirotecniche avrebbe fatto saltare la struttura protettiva liberando il satellite in orbita

 Sviluppo e realizzazione mini-satellite Sputnik

E’ doveroso spiegare in poche righe le principali motivazioni che hanno spinto a scegliere la riproduzione in miniatura del satellite Sputnik come fase 1 del progetto K-10.

E’ stato realmente il primo Satellite della storia aerospaziale, il sistema di telemetria implementato nel satellite era semplice ed è facilmente riproducibile con costi e conoscenze contenute.

Presenta numerose difficoltà di approccio al progetto, sia dal  punto di vista trasmissione segnale in radiofrequenza sia per la parte tecnica, ovvero realizzazione satellite, sistema di lancio o espulsione, sistema di recupero.  

Analisi Tecnica mini-satellite Sputnik

Lo Sputnik è necessariamente di forma sferica, realizzato in fiberglass diametro esterno 12cm con 4 antenne da 40cm con sola funzione estetica. Il mini-satellite è contenuto all'interno di una payload  ø  5" posizionata in corrispondenza dell’ogiva.

Nell'interno della sfera è contenuta un apparecchiatura per trasmissione in radiofrequenza che replica esattamente il segnale radio dello Sputnik-1957.

Sviluppo Progetto:  (by Eugenio Consolo)

Come prima ipotesi si pensato ad un sistema operante a 868,3 Mhz, con ricevitore dedicato.
Essendo una banda di recente omologazione e' libera da interferenze e la portata è sufficientemente ampia.

Ulteriori ripensamenti hanno portato alla valutazione che essendo la banda 868 poco utilizzata è ricevibile esclusivamente con ricevitori dedicati poco diffusi al momento.

Successive valutazioni portano a scoprire  che molte persone dispongono di ricetrasmittenti PMR 446 , (sono quei piccoli palmari con 3Km di portata dichiarata), di
libero uso  costo contenuto (40/50 Euro la coppia) .

Dunque l'idea è quella di disegnare un trasmettitore su questa banda, scegliendo un determinato canale ed invitare tutti coloro che dispongono di un TRX PMR 446 di mettersi all'ascolto del segnale del satellite in fase di rientro.

Potrebbe essere anche interessante organizzare delle stazioni di radioascolto a diversi Km dal punto di lancio che registrano il segnale dello Sputnik.

Considerata la potenza di circa 500 mW e la notevole quota dell'emettitore, il segnale è ricevibile a molti Km senza l'impiego di complesse antenne direttive e sistemi di puntamento.

Un ulteriore passo  interessante potrebbe rivelarsi  l’invito  alla retei radioamatori ARI e AMSAT di  seguire il lancio in diretta ed organizzare una sorta di "contest" accreditando il nominativo che ha registrato il segnale dalla distanza maggiore.

'antenna trasmittente  molto compatta può essere  inserita all'interno della sfera.
Le antenne esterne presenti sulla versione originale dello Sputnik sono riprodotte con l’ausilio  di un tondino in Teflon da 1,6mm lungo 40cm esclusivamente a scopo ornamentale di riproduzione.

L'ingombro del trasmettitore, completo di batterie e modulatore, deve rientrare nello spazio disponibile all’interno della sfera,  11,5 cm.

L'alimentazione viene fornita da una cella LiPo da 3,7 V 600 mAh che con un consumo di circa 450 mA  durata calcolata piu' di un'ora.

Peso totale del satellite  completo si attesta a circa  400grammi in ordine di volo

Leggendo le caratteristiche dello Sputnik 1 si nota che in realtà il segnale non era un semplice beep-beep, bensì era modulato in frequenza in base a dei sensori interni.
Il segnale audio da riprodurre e successivamente inviare nell’etere tramite trasmettitore sarebbe suscettibile di modulazione tramite 5 canali analogici che rilevano valori da sensori esterni.

In sostanza si deve emettere una sequenza di 4 impulsi audio a 1500 Hz intervallati di 0.5 secondi. Poi il segnale cambia e si trasforma in uno sweep il cui valore minimo e massimo e' in funzione del valore di due dei sensori esterni.

In questo modo imitiamo a tutti gli effetti il sistema di telemetria originale.

Sviluppo progetto trasmettitore radio Sputnik:

- Pausa di 1000 ms
- La sequenza morse di tre caratteri con tono base a 600 Hz codificato con le lettere S-P-1
- Pausa di 500 ms
- sequenza di 10 sweep da 400 a 750 Hz della durata di 800 ms
- Pausa di 1000 ms
- Ricomincia dall'inizio
Interruttore di accensione: spinotto metallico estraibile (Remove before flight)
Batteria a due celle LiPo (7,40 V) da 1050 mAh
Consumo totale : 465 mA
Autonomia in trasmissione: due ore circa (verificata)
Portata (ottica) verificata con antenna Yagi direttiva a 4 elementi : 14 Km
Portata con ostacoli (edifici) verificata con Yagi direttiva : 1,5 Km
Peso in ordine di lancio: 173 grammi

Tracciato simulazione di volo Icaro-5 (by Marchi Mattia)

Tecnica costruzione (by Marchi Umberto / ing Giacomo Bosso)

Sono state analizzate svariate tecniche di costruzione, che meglio si adeguano al nostro programma portandoci alle seguenti conclusioni: due sono le possibili soluzioni, utilizzo di alluminio, o in alternativa utilizzo di materiali esotici del tipo CFK o GFK (compositi). Come facilità di lavorazione, reperibilità, non per ultimo velocità di realizzazione tutto è indirizzato a favore dell’Alluminio. Nel campo dei missili anche di piccole dimensioni numerosi sono i costruttori di Sounding Rocket  (missili sonda) o Missili Amatoriali che fanno uso di questo materiale. Un solo neo che reputiamo importante è il discorso della fragilità, intesa come alta possibilità di ammaccature in fase di rientro quindi scarsamente riutilizzabile in seguito, se non dopo opportuni lavori  di officina, tutto questo porta ad indicare come favorito una costruzione in materiali compositi

Materiali compositi

La combinazione di due o più’ materiali diversi in un materiale composito produce oggi materiali e strutture che trovano applicazioni vaste e sempre più numerose in ambiente aerospaziale. In alcuni casi il materiale composito viene prodotto per impartire alla matrice che lo contiene proprietà genericamente migliori, in molti casi il materiale composito viene progettato in modo tale che le sue proprietà siano specifiche e volute.

Per meglio comprendere dove voglio indirizzare il discorso è bene visionare la tabella sottostante che reputo da sola molto esplicativa e interessante comparare le proprietà meccaniche di alcune fibre e matrici polimeriche

Fibre di carbonio, aramidiche (tra le quali il Kevlar) o vetro possiedono modulo elastico (rigidità) o resistenza molto più’ elevati di quello delle matrici polimeriche che andranno a rinforzare.
L’aggiunta del 50% in volume di fibre continue di carbonio in una matrice di resina epossidica produrrà una struttura che, sollecitata a trazione nella direzione secondo la quale sono disposte le fibre, presenta una rigidità anche di 2 volte superiore a quella di una struttura in acciaio delle stesse dimensioni (il modulo elastico del composito può’ raggiungere i 400 GPa, il doppio di quello dell’acciaio che è uguale a 200 GPa), con una resistenza a rottura 4-5 volte più’ alta. Inoltre, la struttura realizzata con il composito di fibre di carbonio e resina epossidica peserà’ circa 4 volte di meno, con chiari vantaggi per tutte quelle applicazioni nelle quali il comportamento, l’economicità, o la possibilità stessa di realizzazione di un manufatto dipendono dal suo peso. La stessa struttura in composito, realizzata pero’ disponendo le fibre in maniera tale che le proprietà del manufatto siano pressoché indipendenti dalla direzione di applicazione del carico, avrà’ una rigidità che e’ circa la metà di quella dell’acciaio, conservando però il notevole vantaggio di pesare circa  4 volte di meno.

Il favorevole rapporto tra prestazioni meccaniche e peso motiva il sempre più ampio uso dei materiali compositi.

 La possibilità di disporre fibre o tessuti di rinforzo nella matrice polimerica in direzioni volute, privilegiando rigidità e resistenze in tali direzioni, costituisce un’opportunità unica di progettazione e realizzazione contemporanee di una struttura, assente per gli altri tipi di materiali.

E così se per irrigidire a flessione una trave di acciaio bisogna aumentare l’altezza della trave adottando forme e dimensioni opportune, l’irrigidimento a flessione di una trave in composito può essere ottenuto disponendo le fibre prescelte, in quantità e direzioni opportune, nel pezzo senza che sia per questo necessario variarne forma o dimensioni.
 

La progettabilità costituisce senz’altro la caratteristica più "stimolante" di un materiale composito, unico tipo di materiale che può essere prodotto nella forma definitiva  con le proprietà’ volute senza bisogno di ulteriori lavorazioni o successivi passaggi chimici

Assimilato quanto sopra è doveroso eseguire un reset delle applicazioni sin ora realizzate con l’uso di tiranti e passanti non più necessari con strutture in composito.
Lavorando con le resine e modalità più opportune per la costruzione, si velocizza il lavoro la struttura risulta leggera ed estremamente resistente agli urti ed agli sforzi torsionali generati dalle alette di stabilità.

 Le ordinate sono applicate mediante  uso di collanti strutturali bi componente prodotti dalle 3M, opportuni fazzoletti di rinforzo sono applicati radialmente tra ordinata e fusoliera  (air frame)  con lo scopo di aumentare la sezione di incollaggio. Fili di roving in carbonio posizionati radialmente  creano un ulteriore zoccolo di rinforzo.

Con una struttura  Full Fiberglass è possibile aprire delle finestre con dimensioni  adeguate al vano strumenti (Avionics-Bay)  semplificando notevolmente la costruzione, e l’accessibilità per la manutenzione.

Gli sportelli di accesso  sono realizzati a tenuta stagna mediante  applicazione di apposita guarnizione in neoprene dove necessario.

Tutte le esperienze ed informazioni tratte dal ICARO-5 servono ad aumentare le conoscenze, ed esperienze necessarie per il modello K-10, progetto successivo in attesa di partenza.
ICARO-5 è il banco prova, il simulatore reale del progetto

 Sezione Booster

La sezione è lunga 121.92 cm ed è molto semplice:

. tubo motore da 98 mm lungo 60.96 cm e supportato da 3 ordinate in G10 da 1/8"

. Avionics-Bay  all'interno di un accoppiatore lungo 30.48 cm

Come si vede nella vista prospettica è previsto di raddoppiare internamente l'accoppiatore per due motivi:

. fornire una battuta alle due ordinate interne

. rinforzare l'accoppiatore stesso

Le 3 barre filettate M6 non possono essere estese fino agli anelli di centraggio per via del poco materiale a disposizione. Non resta che ancorarle all'ordinate inferiore dell' Avionics- Bay, magari da raddoppiare in spessore, passando da 1/8" a 1/4" (incollandone due insieme). Anche in questo caso non sono in grado di valutare, non ho mai lavorato con G10.

Il dettaglio del posteriore mostra un fermo motore flangiato tipo Aeropac

Sezione Main

La cellula è configurata per una doppia espulsione da singolo compartimento.

La sezione main (anch'essa lunga 121.92 cm) ha due funzioni:

1. ospitare il sistema di recupero opportunamente organizzato

2. ospitare la sonda Sputnik e il sistema di espulsione della stessa

Per soddisfare il punto 1. è necessario configurare la cellula come segue.

Si prevede un tubo da 4" lungo 65.72 cm che contiene il paracadute principale.

Tale tubo è eccentrico (non concentrico) rispetto alla cellula da 5".

Questo posizionamento si rende necessario per lasciare spazio alle due canaline che portano le cariche di apogeo al di sopra del tubo da 4".
 

Con un montaggio concentrico (4" in tubo da 5") non c'è lo spazio fisico per i due Safe Eject (il cui diametro esterno è pari a circa 15 mm).

Da notare.

E’ preferibile tappare il tubo da 4" con una piccola sezione di accoppiatore.

Il tappo assolve ad una funzione molto importante: evita che i gas di espulsione del Drogue (paracadute  di piccolo diametro con funzioni di stabilizzazione espulso all’Apogeo)  tornino indietro verso il Main (paracadute principale di frenata espulso a circa 300mt)  proteggendolo integralmente dal calore e permettendo di usare solo la polvere necessaria a pressurizzare il piccolo vano del Drogue.

Tale tappo è un accoppiatore con due ordinate interne cui sono attaccati due U-bolt per parte che scaricano su 4 barre filettate M6: in questo modo il tappo è scaricato e la trazione passa dagli U-bolt alle barre filettate, elementi tutti chiaramente sovradimensionati.

Il tappo non scende nel tubo del principale perché va in battuta contro un anellino che glielo impedisce.

Integrazione Sputnik / Vettore

Lo sputnik, ovvero i due semigusci in fibra dal diametro esterno pari a 12 cm, è pizzicato tra due selle.

La sella superiore è ricavata all'interno della spalla dell'ogiva.

Espulsione Satellite / Sputnik

1-  all'apogeo l'ogiva viene espulsa con lo sputnik pizzicato tra i due semigusci, quello inferiore funziona come pistone:

2-  il Drogue rimane vincolato al vettore e al semiguscio inferiore, lo sputnik rimane attaccato all'ogiva mediante ARRD ma dispiega il suo paracadute, le due velocità di discesa sono diverse a seconda della dimensione dei rispettivi paracadute:

3. ad una quota a scelta (o dopo un intervallo di tempo) l'ARRD rilascia lo Sputnik che ha già il suo paracadute aperto; resta da dispiegare quello dell'ogiva che scenderà da sola.

L'elettronica di controllo espulsione dello Sputnik è da allocarsi nell'ogiva così come il paracadute dell'ogiva

COSTRUZIONE

c ICARO-5

Particolare alette

Mini Satellite Sputnik