成功案例丨ASTRA 利用奇石乐火箭发动机测试测量技术开发混合火箭

早在 2021 年，德国不来梅大学的年轻工程师们就联合起来，设计并建造了一枚可回收的混合火箭，并将其送入太空。实际上，从第一天起，这支名为 ASTRA 的学生团队就得到了奇石乐测量技术的支持，包括传感器、DAQ 和软件，例如用于火箭发动机测试的测量技术。现在，在 2024 年欧洲火箭大赛（EuRoC 2024）即将到来之际，ASTRA 即将测试其第二台原型机：Karma 2.0。

歌德曾经说过：“你可以被挡路的石头绊倒，也可以用它们创造出美丽的东西。”当 Jesaiah Coy 在 2021 年大流行病封锁期间，在大学长期关闭的情况下萌生了制造混合火箭的想法时，他的脑海中一定闪过了类似的念头。杰赛亚的工程师伙伴和太空爱好者们在头脑风暴会议上开始讨论这个想法，现在这个想法已经发展成为 ASTRA——太空技术和研究应用协会。该组织有 50 多人参与（大部分是兼职人员）：其中包括负责法律、人力资源、资金和活动组织的项目管理团队，以及专注于空气动力学、航空电子学、火箭发动机测试和推进、回收、地面系统和结构的技术团队。“卡尔玛” 是 ASTRA 火箭的名称，“卡尔玛2.0” 是 2024 年的原型。

▲ASTRA e.V. 在不来梅 2023 年空间技术博览会上展示了他们的混合火箭设计：一年前，他们在同一活动上与奇石乐进行了首次接触。

ASTRA 位于德国北部城市不来梅，大部分参与者都在这里学习，但该协会已经与荷兰代尔夫特、德国巴登-巴登以及位于兰波尔德豪森的德国航空航天中心（DLR）的火箭测试机构建立了合作关系。

向卡门线进发——用混合火箭

Jesaiah Coy 

Jesaiah Coy 是 ASTRA 的创始人兼首席技术官（CTO），负责大部分测试活动和其他活动，如活动和竞赛。他表示：“我们的主要目标是学习，弥合理论与实践之间的差距。当你把课堂上学到的东西在实践中进行尝试时，你会感到非常有启发和收获。而且，除了制造火箭之外，还有很多其他的事情要做：后勤、伙伴关系、法律方面，以及最重要的预算规划。”ASTRA 的长期目标是：制造一枚能够到达海拔 100 公里的卡曼线的火箭。卡曼线以美籍匈牙利数学家、航天工程师和物理学家西奥多·冯·卡门（1881-1963 年）的名字命名，被广泛认为是地球大气层和太空的大致分界线。

Coy Say： 

为了实现目标，团队采用了混合火箭的方法：这种方法没有纯液体火箭那么复杂，而且可以避免德国对固体火箭特别严格的规定。Coy解释说：“其中只涉及一种液体——一氧化二氮，它可以自我增压。通往卡曼线的第一步包括向三千米和十千米的高空发射。2023 年，我们首次参加了欧洲宇航竞赛。我们成功地完成了所有测试和准备程序，但后来时间不够了，最终没能发射火箭。因此，今年我们自然希望更进一步。”

Coy again: 

在火箭研发和火箭发动机测试方面，ASTRA 依赖于奇石乐和其他供应商提供的测量技术。两个合作伙伴在 2022 年 11 月的欧洲空间技术博览会（也在不来梅）上首次接触，当时 ASTRA 首次向公众展示了自己的想法。从那时起，奇石乐就开始为年轻的工程师们提供传感器和测量链，以及宝贵的帮助，甚至包括现场支持。Coy 再次说到：“Frank Busch从一开始就对我们的项目非常感兴趣，而且从那以后一直保持着这种兴趣。对我们来说，能够应用在航天工业中享有盛誉的奇石乐成熟的测量技术确实是一个巨大的优势。”

▲ASTRA e.V. 在不来梅 2023 年空间技术博览会上展示了他们的混合火箭设计：一年前，他们在同一活动上与奇石乐进行了首次接触。

利用奇石乐进行火箭发动机测试和推力测量

在撰写本报告时（2024 年 2 月下旬），ASTRA 的 “卡尔玛 2.0 ”混合火箭正处于建造过程的 B 阶段，因此火箭发动机测试和风洞测试将很快开始。最新的火箭高度约为 4.5 米，威力应该是第一枚 ASTRA 原型火箭的 2.5 倍，重量略轻。四支奇石乐公司生产的 9021A 型压电力传感器用于测量推力：在试验台上，这些传感器安装在一块板和火箭舱壁之间。Coy解释说：“传感器在这种设置下工作得非常好。结合来自奇石乐压力传感器（测量燃烧室内外以及一个喷射器上游的压力）的数据，我们能够计算出混合火箭的比推力和总推力。这些数据与性能优化密切相关。”

“这些测量远非简单，幸运的是，我们能够帮助 ASTRA 团队改进传感器集成和测量链。”奇石乐销售工程师Frank Busch说，“他们的数据质量一开始并不理想，无法获得理想的结果，因此我和两位同事一起前往德国航天中心现场，为学生团队提供支持。他们改变了设置，使用了不同类型的传感器，将压电式压力传感器改为压阻式压力传感器，以减少热冲击的影响——之后，一切都非常顺利。”Coy再次说到：“最后，就连现场的测试工程师也对我们的数据质量印象深刻，不仅因为我们的数据质量，还因为至少有三位来自奇石乐的工程师亲自前来支持像 ASTRA 这样的学生活动。”

▲在 ASTRA 的 “卡尔玛”火箭的燃烧室中集成了奇石乐的测量技术：这是火箭发动机测试中不可或缺的资产。

完整的测量技术——从传感器到软件

所有传感器都连接到 KiDAQ 数据采集系统，该系统可轻松连接到运行 KiStudio Lab 软件的标准笔记本电脑，进行参数设置和配置。为了完善测量链，ASTRA 还可以使用奇石乐的 jBEAM 软件进行数据可视化和分析。Shancia Andrew 作为推进器部门的一员在ASTRA工作了近一年。她报告说 ：使用传感器、KiDAQ 和软件非常简单——我几乎可以用笔记本电脑完成所有工作。数据质量非常好，使用 jBEAM 软件进行分析也非常方便高效。

ASTRA的目标是在2024年5月之前完成推进系统的准备工作，这样就可以将重点转向风洞和振动测试。虽然奇石乐的加速度传感器尚未在该项目中使用，但届时它们完全可以发挥有用的作用。Coy指出：“在过去的一年里，我们学到了很多测量技术和测试方面的知识，现在我们能够更好地优化我们的混合火箭，并满足欧洲轨道交通协会的要求。在这一测试阶段，ASTRA 还将有机会测试奇石乐公司的新型 4011A 压阻式压力传感器。”

▲火箭发动机测试：ASTRA e.V. 推进器工程师 Shancia Andrew 正在检查与 KiDAQ 数据采集系统相连的奇石乐压力传感器。

在 2024 年 10 月第二次参加欧洲火箭竞赛之前，计划在夏季进行坠落测试和模拟发射。这次比赛的成功将是通往卡曼线征程上的一个非常重要的里程碑，该团队希望在 2025 年用超过 8 米高的火箭到达卡曼线。“我们仍然面临的一个重大挑战是如何找到并支付用于发射的太空港。显然，这在德国是不可能的——出于安全考虑，你需要更靠近公海。”Coy解释说。如果他们成功抵达卡曼线，ASTRA 团队将成为有史以来第二个实现如此宏伟目标的学生倡议，也是第一个使用混合火箭设计实现这一目标的学生倡议。

▲ASTRA e.V.团队将参加 2023 年秋季在葡萄牙举行的欧洲杯比赛：他们在奇石乐的支持下成功晋级，明年的成绩一定会更上一层楼。