CanSat-kilpailu on yläkoululaisille ja toiseen asteen oppilaille tarkoitettu kilpailu, jossa joukkueet rakentavat juomatölkin kokoisen kotelon, joka lähetetään ilmaan keräämään tutkimuksellista aineistoa.
Cansat on European Space Agencyn ESA:n alaisuudessa toimivan toimielimen ESERO:n (European Space education Resource Office) johtama kouluuille tarkoitettu hands-on projekti, jossa opitaan tieteellisen tutkimuksen tekemistä, harjoitellaan kädentaitoja, sekä laaditaan ohjelma Arduino-mikrokontrolleriin, sekä tehdään yhteistyötä vuorovaikutuksessa toisten kanssa.
Miten ihmeessä Suomen Avaruustutkimusseura tähän päätyi?
Ensimmäinen yhteydenotto
Ensimmäinen yhteydenotto koko projektista saatiin huhtikuussa 2021, jolloin kysely oli hybridirakettien laukaisusta noin kilometrin korkeuteen ja laukaisut olisi tarkoitus toteuttaa helmikuussa.
Kilometrin apogee, hybridiraketti ja helmikuu. Siinä sitä olisi jo haastetta kerrakseen. Ja sitten saimme tietää, että tarkoitus olisi tehdä kymmenen peräkkäistä laukaisua. Seuran aikaisemmat kokemukset kertovat varsin selkeästi, että helmikuulle pätisi seuraava: 1) Hybridimoottori 2) Kymmenen laukaisua. 3) Yksi päivä. Valitse näistä kaksi.
Tässä vaiheessa johtokunta päätyi tekemään lisää tutkimuksia. Hybridit olisivat ulkona, mutta entäpä keskiteho- ja klusteriraketit?
Nopeat simulaatiot osoittivat, että kilometrin korkoon 350g hyötykuormalla ei Suomeen saatavilla moottoreilla päästä, ei luotettavasti. Mutta apogeen puolittaminen laskee kokonaisimpulssin tarpeen noin puoleen. Joten tältä pohjalta aloimme laatimaan 9 moottorista klusterirakettia jolla voisimme toteuttaa tämän hankkeen.
Tulosten oltua lupaavia raketista rakennettiin prototyyppi. Mutta ennenkuin prototyyppiä päästiin lennättämään tulikin kuiva kesä. Ja kuivaa kesää seurasi tuulinen ja sateinen syksy, mutta elokuun puolessa välissä löydettiin sopiva päivä laukaisulle.
Ensimmäinen prototyyppi
Prototyyppiraketti perustui vuosia sitten kehittämääni Boreas-rakettiin joka operoi kuudella D9- moottorilla. Tämän lisäksi rakettiin oli rakennettu kaasumäntä, jolloin avauspanoksen tuottama kaasu riittäisi työntämään hyötykuorman ulos. Aikaisemmat kokeet 75mm runkoon rakennetuilla raketeilla olivat osoittaneet, että kolmen moottorin avauspanokset riittävät juuri ja juuri raketin halkaisemiseen, kunhan muut moottoriryppään moottorit ovat tulpattua tyyppiä- Mikäli käytetään kuutta ajastettua moottoria, on riskinä, että yksittäiset avauspanokset vain avaavat pakokanavia moottoreiden läpi, eikä ylävaihe enää irtoa alavaiheesta.
Raketti panostettiin ja laitettiin raiteeseen.
Ja noin sekunnin kuluttua sytytyksestä pääsimme tutustumaan klustereiden luotettavuusluvun tuomaan ongelmaan:
D9-moottori on oikukas, parhainakin päivinä. Lähes tulkoon kaikki muut valmistajat maailmassa valmistavat D-luokan moottorit 24mm koossa. Moottorin propellantti on valmistusvaiheessa kovassa puristuksessa ja puristuspaineen hallinta on valmistuksessa kriittinen.
Eikä minulla suotta ole mainetta rakettieni kanssa- Ensimmäiset laukaisut uusien kalusteiden kanssa päättyvät usein räjähdykseen. Siitä ottaa opikseen.
Päädyin sitten valmistamaan prototyyppinä ensimmäisen raketin yhdeksälle moottorille ja tilasin lennätystä varten aivan uusia moottoreita valmistajalta. Jos vaikka sattuisi olemaan huonoa erää aikaisemmassa lähetyksessä.
Jotakin meni toistamiseen pieleen ja raketti räjähti raiteen nokassa. Suivaantuneena tästä, rakensin kaksi klusteria lisää. Lennätyksiä ei tosin ollut pahemmin saatavilla, sillä syksy osoittautui äärimmäisen tuuliseksi. Tämä tietysti miellytti liidokkimiestä sisimmässäni, mutta raketti alter-egoni oli jo huolissaan.
Päädyimme tekemään seuraavat lennot alennetulla panostuksella. 6xD9 + 3xC6-7 moottoria jolla raketti laukaistiin.
Lento osoitti, että klusteriraketti ja kaasumäntä ovat täysin validi tapa lennättää CanSateja. Mutta alipanostettuna raketti ei kyennyt kuin noin 390m apogeehen, eli tavoitteesta jäätäisiin jo 110m.
Onnistuneesta koelennosta huolimatta, rakettien toiminnallinen epävarmuus ja alati putoava apogee heittivät pitkiä varjoja operaation päälle.
Odottamaton CE-hyväksyntä.
Syys-lokakuun paikkeilla kuvioon astui uusi mahdollisuus. Cesaroni oli saanut rakennettua tehtaansa uudelleen ja samalla moottoreita oli hienosäädetty sellaiseksi, että niille voitaisiin antaa CE-leima. Samanaikaisesti puhe Raketen Baumlage Kliman 29mm kertakäyttöisistä moottoreista velloi kuumana. Ja täysin irrallisena klusteriraketeista, olin rakentanut muutaman keskitehoisen raketin käyttämään näitä moottoreita.
Marraskuussa tapahtunut koelaukaisu aivan uusilla moottoreilla täydellä latauksella päättyi jälleen kerran moottoriräjähdykseen. Samana iltana istuessani tietokoneella ja tuijottaessani analyysejä törmäsin sattumalta Reddit’in keskusteluissa klustereista huomioon, että kliman D9- koneet eivät pitäneet suurista klustereista. Ja syy oli varsin kiintoisa.
Ilmeisesti D9-moottorilla on korkea ominaisvärinä. Ei yllättävää, olin aikaisemmin huomioinut, että oikeat kiintopolttoaineiset raketit tärisevät voimakkaasti käydessään, mutta mikä oli yllättävää, oli se, että mikäli riittävän monta D9 moottoria oli pakattu riittävän tiiviisti, moottoreiden polttoainerakeet saattoivat haljeta.
Tämä oli kiintoisa huomio, sillä kun käytimme osalatauksessa kolmea C6-7 moottoria ongelmia ei juuri ollut. Tämän pohjalta oli todennäköistä, että 9x klusteri D9 moottoreilla ei toimisi, ikinä. Päädyin tässä tilanteessa ottamaan yhteyttä moottoritoimittajaamme, jonka kanssa olimme tehneet jo tovin töitä rakettimoottoreiden parissa. Lyhyesti, toimittajalla oli varastossa 156G54-12A-RL propellanttia, joka sopisi Cesaronin ProX-29 kuoreen. Olin pari vuotta sitten rakentanut raketin, jolla olin tavoittelemassa Tripolin sertifioinnin.
Tripolin sertifioinnilla toimitsijat suostuvat myymään todellisia suurtehomoottoreita, mutta sertifiointi edellytti rakettia ja sen koelentoa lähimmässä prefektuurissa, joka oli Ruotsissa. Covid-19 ruhjoi tämän suunnitelman, mutta uusintayritystä ollaan järjestämässä. Mutta…G54-12A-RL valinta ei ollut yksioikoinen. G54 ei ollut vielä varsinaisesti suurtehomoottori, sen kokonaisimpulssi oli 160Ns paikkeilla. Simulaatiot osoittivat suorituskyvyn riittävän ja toimittajalla oli moottoreita kyllä varastossa. Vaan oliko CE-leima?
Ja olihan niillä! Cesaroni oli hankkinut CE-leimat koko valikoimalleen joten meillä olisi klustereille vaihtoehto. Valmistin puuttuvat osat jolla vanhasta testiraketista saataisiin tehtyä Cansat kantoraketti ja tilasin moottoreita muutaman kappaleen.
Revisio 2: 29mm kantoraketti.
29mm moottori on aivan omassa luokassaan suorituskyvyltään. 156G54 antaa antaa lähdössä 119.2N työntöä, keskimäärin 54N noin kolmen sekunnin ajan, joka vie raketin hyötykuormineen noin 450m korkeuteen.
Teimme kaksi onnistunutta laukaisua, ja totesimme marraskuun laukaisussa paluupanoksen olevan samalla tavoin omassa luokassaan. Laskelmat suorituskyvystä viittasivat noin 70kg puristusvoimaan, jonka CanSat tulisi kestää.
Tuotantomallin koelento
Viimeinen tyyppikoelento suoritettiin vuoden 2022 alussa, jolloin raketin suunnitelma todettiin valmiiksi, kun suurikokoinen hyötykuormakammio toimi onnistuneesti. Huomiona oli, että ylävaiheessa olisi pakko käyttää pehmustettua mäntää, sillä raketin kaasumäntä tuppasi lyömään hyötykuormaan lommon.
Näiltä osin, Suomen Avaruustutkimus Seura on valmis laukaisemaan Esero Finlandille CanSat’ja tulevassa lennätyksessä.
Vaasa 2022, Huhtikuu
Alkujaan lennätyksen piti tapahtua jo helmikuussa, mutta Covid-19 päätti edelleen toisin. Lennätys siirtyisi huhtikuulle. Ei sinänsä ongelma, enemmänkin päinvastoin. Cesaroni 156G54-12A RL-moottoreissa oli suositeltu käyttölämpötilan alaraja -5C, joten kevään korkeammat lämmöt olivat tervetulleet.
Ajomatkaa Helsingistä Vaasaan kertyy siinä 450km, joten köröttelyä oli tiedossa pitkä pätkä. Olimme jo aikaisemmin päättäneet ottaa kaksi ajoneuvoa, jotka pakattaisiin ääriään myöden.
Ja näin totisesti kävi:
Siinä kuutisen tuntia ja kolme kaffepaussia myöhemmin levittyi eteemme Söderfjärden, jonka keskellä on Meteoria.
Tapasimme Meteorialla Mats Anderssenin jonka kanssa kävimme laukaisualueet läpi ja valitsimme paikan josta operaatiot alkaisivat. Ja sitten olikin aika suunnata kraaterilta hotelliin, lyhyen jäätaipaleen päätteeksi.
CanSat Ensimmäinen päivä, projektien valmistelu
Koska CanSat 2022 on suomessa ensimmäinen laatuaan, ei oikein ollut odotuksia suuntaan tai toiseen- Tiimien ikähaitari on 14-19 vuotta, ja tiimejä oli niin Suomesta kuin Ruotsista ja jopa Eestistä.
Ja me olimme julkaiseet raketin datalehden suomeksi.
Aloitimme kiertelemällä sateliitteja ja totesimme, että huolemme kaasumännän iskusta ei ollut päätynyt suunnitteluun asti. Ja melkoinen määrä sateliiteista oli rakenteellisesti niin heikkoja, että paluupanoksen aiheuttama puristuma olisi murskannut hyötykuormana olevan elektroniikan.
Otimme tämän asian tiimeille esiin ja sitten seurasi ensimmäinen hämmästyksen aihe. Tiimeille kerrottiin huolenaihe ja sitten tiimit kävivät kiinni töihin. Joten oma tiimimme vain katsoi päältä.
Iltapäivästä viimeisenä ohjelmana annoimme lyhyen turvallisuuskoulutuksen siitä mitä oli tulossa seuraavana päivänä. Kerroimme myös, että tiimit painavat sytytyspainikkeet itse ja innostus nousi vielä entisestään.
Niiltä osin oltiinkin sitten valmiita. Tulikoe olisi meillä vielä edessä.
Päivä 2. Laukaisuikkuna aukeaa
Raketit eivät vetoa hiljaisiin. Ja raketti on vain väline, jolla hyötykuorma viedään ylös- Ja nyt oli meidän paikkamme todistaa, että näin se on. Paljoa upeampaa paikkaa ei voi raketille lennätyksen haluta kuin Söderfjärden. Se on on viitisen kilometriä halkaisijaltaan ja aivan täysin laakea aukio.
Laukaisutornit oli sijoitettu noin kolmensadan metrin päähän Meteorista, joka toimi meillä asennuskeskuksena. VAB, jos haluaa niin kutsua. Raketit ja hyötykuorma sovitettiin sisätiloissa ja raketti kannettiin sen jälkeen laukaisualueelle.
Raketti telineellä- Ja sanat eivät tee oikeutta; Monta laukaisua takana, ja edelleen G54 Red Lightning säväyttää. Kolme sekuntia polttoa, yhdeksän sekuntia viivettä, laukaus taivaalla ja kaksi varjoa. Näin lennot menivät suurimmaksi osaksi, raketin osalta.
Seitsemän laukaisua myöhemmin päivä tuli täyteen ja oli aika siirtyä iltaohjelmaan- Kävimme kuuntelemassa Kvarken Spacen esityksen avaruusteollisuudesta ja otimme voitokkaasti osaa Kilpailuun, josta meidän kuitenkin diskvalifioitiin lopulta lliian vanhoina.
Kolmas ja varalaukaisupäivä
Jos ensimmäinen päivä oli ollut lähes täydellinen rakettitoimintaan, niin toinen päivä oli sitten ehdottomasti tämän vastakohta. Tuuli oli yltynyt navakaksi ja inhottavan puuskaiseksi. Kaksi laukaisua oli kuitenkin tälle päivälle luvattu. WeCan, jonka äärimmäisen kompleksinen satellitti oli nyt lopulta saatu valmiiksi asennettavaksi rakettiin ja FSA, joka oli yrittämässä nyt kolmatta kertaa- Eipä se meitä haitannut, latauksia oli varastossa vielä mukavasti jäljellä.
Kuva: Jan Holmgård
Neljäs ja viimeinen päivä
Kaikki tulee aikanaan päätökseen, niin myös CanSat2022. Olo on yhtä aikaa voitokas ja haikea- Onnistuimme suorittamaan kymmen laukaisua ja näimme, että tieteellä on vieläkin tekijänsä nuorten keskuudessa. Yksi tiimeistä oli kysynyt josko he saisivat rakettinsa. Tästä syntyi äkisti ajatus, jossa me luovuttaisimme kolmelle parhaalle tiimille palkinnoiksi raketit- Kaksi raketeista oli lentokuntoisia, yksi oli vaurioitunut siinä määrin vakavasti, että sillä ei enää lennettäisi, mutta se oli nähnyt kovinta käyttöä ja kovimmat lataukset.
Valinnat eivät olleet helppoja, emmekä me olleet varsinaisesti miettineet kriteerejä. Ja halusimme luovuttaa palkinnot, mutta aika oli meitä vastaan, joten puhuin lyhyesti ja lopulta me jaoimme kolme rakettia;
3. Yhtä Yks
Palkittu teknisestä resilienssistä ja innovoinnista haastavan aikataulun puitteissa.
2. WeCan
Haastavimmasta ja monimutkaisimmasta sateliitista kilpailussa.
1. BatSat
Mekaanisesti kestävin sateliitti heti startista, kokonaisuutena loistavasti hallittu ja tiede satelliitin takana äärimmäisen edistyksellistä.
Valinta ei ollut helppo.
Jälkipuinnit
Ensimmäinen CanSat2022 on nyt takana ja kalusto on huollettu ja pakattu odottamaan seuraavaa vuotta. Mitkä ovat lopputunnelmat?
Vuosihan tähän meni, kehitettiin menetelmät ja kalusto (maa- ja lennätys) jolla tämä kaikki oli mahdollista. Löydettiin neljä operaattoria matkaamaan Vaasaan. Tämä kaikki vapaaehtoisvoimin. Voimme olla ylpeitä tästä. Tästä kaikesta; Teknisestä suorittamisesta, suunnitelmallisuudesta ja hyvästä tahdosta jolla tämä kaikki saatiin tehtyä. Vaan mitäpä seuraavaksi?
Esero Finland tavoittelee jatkoa ja haluaa meistä yhteistyökumppania- Lähdemme ehdottomasti mukaan. Tulevissa Eseron kisoissa viisi sataa metriä on hyvä korkeus sateliitille- Yleisö pääsee varsin lähelle ja tiimit saavat seurattua raketin nousua visuaalisesti.
Huoltovarmuus G-koneilla, etenkin täällä aivan H-tason moottoreiden reunassa vain on siinämäärin matala, että yritämme Tripoli sertfiointia- se on hyödyllinen muutenkin, sillä ilman sertifiointia emme voi jatkaa suurtehopuolta harrastuksestamme.
Entäpä opiskelijat? Voimme toivoa, että kokonaisuus teki vaikutuksen ja herätti opiskelijoissa intohimoa avaruustieteisiin- Kenties saamme lukea vuosikymmenen päättyessä avaruusinsinööristä joka nimeää CanSat 2022 kilpailun tapahtumaksi joka sai hänet hakeutumaan alalle.
Siihen asti, me jatkamme oman intohimomme parissa.
”In Thrust, We Trust”.
-Matti Lepomäki