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Ampolla
Reed
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Razzimodellismo
Sistema inerziale per
l'accensione di secondo stadio. "Inter-Inerz" (2003)
Circuito prototipo per le prove, seconda versione. Testo
originale dicembre 2003.
Nota: Il sistema è attualmente in corso di
sviluppo. Il circuito descritto non è garantito in alcun modo e non
mi assumo alcuna responsabilità sull'utilizzo che il lettore voglia
farne.
In seguito ad
alcuni discorsi con Riccardo Paleari, tra agosto e settembre 2003 ho
ideato un semplicissimo sistema di accensione automatica per stadi
superiori. Esso, interamente elettromeccanico, ha il compito di accendere
il motore dello stadio superiore pochi istanti dopo il burnout del motore
dello stadio precedente. Gli studi hanno prodotto alcune novità che
descrivo abbastanza particolareggiatamente. Naturalmente il lavoro non è
ancora concluso ma le indicazioni che ne sono uscite sono molto
indicative. Questa ultima frase concorre al premio "Tautologia 2004" (vedi
sul sito web per il regolamento e le modalità di iscrizione). In palio la
vittoria e una borsa di studio sulle massime di Mark Twain. Ci conto ma
forse potevo fare di più. Ad ogni modo.
Pensando a un normale
modello bistadio tipico, ho riflettuto molto circa le condizioni di volo
del modello e sui compiti che il circuito deve permettere.
In
pratica il circuito deve assicurare l'accensione dello stadio superiore in
un momento il più possibile vicino al burnout del booster, sì da
minimizzare i rischi di inclinazione della traiettoria del modello in
volo. Il circuito è un semplice interruttore inerziale. Ho visto molti
interruttori inerziali allo stato solido (sensori di accelerazione) e
qualche sistema commerciale su alcuni siti web di grandi costruttori, ma
bisogna dire che la mia pensata è del tutto originale e chiunque può
ripetere l'esperimento. Chi, pur interessato, non se la sente di
costruirsi l'apparecchietto, può scrivermi che, tempo permettendo, glielo
fornisco funzionante e dotato di un lungo manuale di istruzioni.
Naturalmente a peso d'oro, si intende, e sotto la esclusiva responsabilità
del richiedente.
Avendo studiato molto
approfonditamente alcuni tipi di accenditori per razzomodelli, non ho
fatto fatica a mettere a punto l'apparecchietto. Per questioni legate
all'affidabilità dell'accensione il mio circuito è stato pensato per
l'utilizzo di accenditori a filamento, quindi Estes per fare un esempio
tipico, ma altri tipi andranno bene lo stesso. Il problema è che la fonte
di energia per l'accensione del secondo stadio di un razzomodello è
tipicamente una pila alcalina da 9Volt, che non è un mostro di potenza e
capacità. Per questo motivo consiglio l'utilizzo dei soli accenditori
Estes Solar Igniter o altri che richiedano MENO corrente. Per questioni
legate agli accenditori vedete la pagina appositamente costruita sul mio
sito.
Foto Xyz. Accenditore Estes
con fili di allungamento per il remoto contatto al sistema di accensione
(criscaso 1993)
E procediamo.
Analizziamo
il volo tipico di un razzomodello bistadio. Al momento del decollo il
modello è sottoposto, oltre alla gravità terrestre di 1g, anche
all'accelerazione prodotta dal motore, che risulta orientata nello stesso
verso e per questo motivo si somma alla gravità. L'accelerazione è molto
alta inizialmente, per ridursi gradualmente durante la combustione del
propellente. Al momento del burnout, però, l'accelerazione positiva
fornita dal motore cessa e il modello è sottoposto a una forza che prima
non era evidente, quella prodotta dall'atmosfera. Il veicolo ha in questo
momento una elevatissima velocità e il freno aerodinamico è notevolissimo,
raggiunge valori di diversi g ma in senso contrario a quello che il motore
forniva poco prima. Ciò significa che a contrastare il movimento verso
l'alto del veicolo in volo, oltre all'accelerazione di gravità sempre
presente a 1g, arriva ora quella fornita dall'aria che si oppone al moto
del modello, frenandolo. La conseguenza è che il modello è in questo
momento sottoposto a una accelerazione negativa, che decresce man mano che
il modello perde velocità. Dal momento dell'apogeo sul modello agisce
solamente la gravità terrestre, l'accelerazione sarà nuovamente uguale a
1. Da questo momento in poi non ci interessa sapere più alcunché,
presumendo che il paracadute del booster si apra regolarmente. Al momento
dell'apogeo però sarà troppo tardi accendere il motore del secondo stadio
perché il modello assumerà una posizione assolutamente
imprevedibile.
Il momento migliore per accendere il secondo
stadio è quando il modello ha la massima velocità, perché ciò assicura la
migliore stabilità, che nei razzomodelli è fornita dalle pinne o alettoni
che dir si voglia. Mano a mano che la velocità del modello decresce,
allontanandoci dal momento del burnout, più alte saranno le probabilità
che il secondo stadio devii dalla traiettoria iniziale.
Il sistema
tipico di accensione dei bistadio è quello che sfrutta un particolare tipo
di motore che NON possiede carica di ritardo. La pressione che si trova
all'interno del motore durante la combustione è contenuta dal tappo
superiore e naturalmente dal blocco di propellente in corso di
combustione. Perciò esso si assottiglia gradualmente fino a un certo
punto, quando la pressione supera il valore di resistenza meccanica di
quello che rimane a mò di "tappo". Ciò produce il cedimento della
parete superiore e le particelle incandescenti del propellente sfuggono
verso l'alto. In alto, pochi centimetri più avanti, dovrebbe esserci il
motore del secondo stadio, il cui ugello viene investito dal materiale
caldo. Il propellente del motore del secondo stadio si accende senz'altro
se alcune particelle incandescenti arrivano a toccarlo. Questo sistema
funziona esclusivamente con i motori a propellente convenzionale e ciò si
traduce in un modello bistadio formato solitamente con un booster molto
piccolo e corto. Esperimenti condotti in passato da razzimodellisti che
avevano voglia e coraggio di provare hanno permesso di stabilire che il
secondo stadio, impiegando notevoli accortezze, possa essere anche a
distanza di alcune poche decine di centimetri.
Quindi, volendo
costruire un modello bistadio con un booster molto grande e un secondo
stadio con il motore molto lontano da quello del booster è necessario
usare artifici elettronici o comunque elettrici. E qui mi sono
concentrato.
Considerando quanto ho descritto appena sopra e
desiderando accendere il motore del secondo stadio il più presto possibile
ho pensato che l'evento del cambiamento del verso di accelerazione era
l'unico che mi consentisse di segnare il momento esatto del burnout.
Quindi facile era la pensata di un interruttore inerziale. Con Riccardo
all'inizio si pensava all'impiego di interruttori al mercurio e allora
sfogliai il fido catalogo di componenti elettronici. Trovai molti
interruttori a mercurio e anche alcuni interruttori inerziali ma tutti
avevano delle limitazioni costruttive od elettriche che mi davano da
pensare. Impiegare interruttori molto piccoli per far circolare correnti
di alcuni Ampere non è una bella pensata e cominciavo pensare che avrei
dovuto pensare a qualcosa di più robusto. Pensa che ti ripensa, pensai
poco dopo di aggirare l'ostacolo. La soluzione era il servorelè. Il
sensore sarebbe stato un semplice interruttore azionato da un pesetto, ma
il relè si sarebbe incaricato di gestire l'elevata corrente per
l'accenditore. Questa, almeno, la pensata. Come vedete, un grosso lavoro
di cervello, più che di componenti.
Feci alcune prove e un
primo apparecchio di prova era funzionante ai primi di settembre
2003.
Foto Xyz. Foto del primo sistema utilizzato per
le prime prove. La massa bianca in alto è il gatto Mikhail che dorme
proprio sopra a un mio accenditore, ma mi ha concesso il resto del tavolo
per scattare alcune foto. Grazie Mikhail.
Foto Xyz. Primo prototipo. Al centro del
circuito un deviatore a balestra. Un piccolo peso sarà posto
superiormente, lato relè. Funzionava, ma la balestra del deviatore,
ricavato da un driver CRrom guasto smontato, era troppo sensibile alle
vibrazioni. Il circuito è quindi stato immediatamente declassato e ho
cominciato subito lo sviluppo del sistema di sensore meccanico.
Lo sviluppo del sistema è stato immediato e la seconda
versione si avvale di un componente oggi quasi sconosciuto ma estremamente
affidabile, l'ampolla Reed.
Se qualcuno vuol sapere cos'è una ampolla Reed, può
leggere qui (Ampolla Reed).
E arriviamo a descrivere il semplice circuito.
Seconda versione.
Foto Xyz. Il circuito fotografato è il secondo
costruito. Di proprietà di Riccardo, è qui installato nel telaio da lui
realizzato per il primo test, che venne effettuato nel settembre 2003 a
Ozzano in una breve sessione di lancio Acme. Per problemi legati al
motore, il lancio NON andò a buon fine e Riccardo ci rimise il motore RMS
da 29 mm, ma il circuito svolse la sua funzione.
Osservate la foto. Il relè è in alto, un elemento
da 12 Volt. Il braccino di alluminio è imperniato sulla destra ed è libero
di ruotare per un brevissimo tratto. All'estremità libera è fissato un
piccolissimo magnete. Sulla basetta, in posizione più bassa e montata
obliqua, l'ampollina Reed è in questo momento attivata dal magnetino, che
le fa chiudere il contatto. La piccola corrente richiesta dalla bobina del
relè non sarà un problema per l'ampollina Reed e invece il relè non si
farà pregare per fornire svariati Ampere. Non spiego nel dettaglio il
circuito perché desidero che anche i lettori di questo articolo mettano
del cervello per capire.
Foto Xyz. Particolare del braccio portamagnete
in posizione alta. In basso si vede bene la microscopica ampolla
Reed.
A riposo la levetta è in posizione bassa, perché
sottoposta alla gravità. Al momento del decollo e per tutto il tempo di
combustione del motore la levetta rimarrà in quella posizione ma
esattamente al momento in cui il motore si spegnerà e l'accelerazione sul
modello si farà negativa la levetta si sposterà in alto e il contatto
dell'ampollina si aprirà e il relè farà il suo lavoro, chiudendo i
contatti che portano la tensione della batteria da 9Volt ai capi
dell'accenditore del motore del secondo stadio. A questo punto il ritardo
di accensione del secondo stadio sarà di circa un secondo (il valore
esatto dipenderà dal tipo di accenditore e dal tipo di batteria
impiegata). Non è possibile fare di meglio nemmeno con costosi sensori
elettronici. Per chi volesse saperne di più rispondo privatamente, ma non
velocemente (per ottenere qualcosa, nella vita, bisogna soffrire). Però la
risposta la garantisco. Astenersi perditempo.
Quindi ricapitoliamo:
questo apparecchio è progettato per funzionare con pila alcalina da 9Volt,
con accenditori Estes e quindi, conseguentemente, motori Estes. Seguendo
queste semplici indicazioni minimizziamo le probabilità di
malfunzionamento, ma ricordate che nel razzimodellismo NULLA è certo,
tantomeno l'accensione di un secondo stadio (figuratevi che la certezza
dell'accensione dei motori non ce l'hanno nemmeno alla NASA). Quindi
sappiate che io non assumo alcuna responsabilità per voli irregolari o
danneggiamenti ai vostri modelli in seguito all'uso di questo
apparecchietto. L'utilizzo di queste informazioni è a esclusivo rischio e
pericolo dell'utilizzatore. Naturalmente se seguite tutte le indicazioni
il circuito funzionerà bene, e altrettanto naturalmente dovete essere un
pochino esperti di motori e di accenditori e avere una certa esperienza
alle spalle.
Un modello bistadio normale potrebbe essere costituito
da un booster dotato di un motore di qualsiasi tipo, da un Estes D12 a
propellente convenzionale a un Aerotech RMS G64 a propellente composito
(non andrei oltre, ma non si può mai dire, chiunque può sperimentare in
tal senso), ma il punto è che il motore del secondo stadio dovrà essere un
Estes e impiegare un accenditore Estes. Questa è la prima condizione per
far funzionare il circuito al massimo delle sue possibilità. Futuri
sviluppi del sistema potrebbero soddisfare richieste più ambiziose, ma mi
ci vorranno delle motivazioni e un pochino di
collaborazione.
In secondo luogo bisogna
considerare il generatore di potenza elettrica, vale a dire la pila. Solo
che detto nella prima maniera fa più "missilistica" o astronautica, se
preferite. Il razzimodellismo secondo me è pura astronautica in miniatura,
e non ha nulla a che invidiare alla reale missilistica.
La
pila sarà una alcalina da 9Volt, assolutamente NUOVA, appena acquistata al
supermercato. Impiegare pile vecchie o già usate, magari molte settimane
prima, è un azzardo rischiosissimo. Questa è la seconda
condizione.
Dovete considerare che il circuito peserà circa
venticinque grammi, se lo realizzate da soli e minimizzando le dimensioni
della basetta (io impiego la millefori per comodità e mancanza di tempo
per fare il circuito e pensate che ho un bromografo stupendo che dorme da
anni). Sappiate che la pila da sola pesa circa quarantacinque grammi e
allora fate i bravi nel considerare i pesi e calcolate bene il CG.
Assicuratevi che il modello sia in grado di accogliere il circuito per
pesi e dimensioni e fate in modo che non possa muoversi all'interno del
suo vano, dovrà essere fissato saldamente. Questa è la terza condizione.
In più deve essere montato verticalmente e la levetta che porta il
magnetino dovrà essere nella condizione di "low", vale a dire con il
magnete vicino al contatto Reed. Questa è la quarta
condizione.
Questo è tutto. Cioè, non proprio tutto, volendo potrei
spiegare il funzionamento dell'apparecchio in un dettaglio pazzesco, ma
ciò vorrebbe dire che voi dovreste leggere altre pagine e potrebbe darsi
che finireste stroncati prima di arrivare in fondo. Ditemi voi se devo
continuare.
Per il momento è tutto. Gli
sviluppi futuri verranno pubblicati su queste pagine MA non so
assolutamente quando ciò accadrà. Rimanete all'ascolto, come dicono i
discjockey alla radio (dicono ancora così?). Un grosso grazie a Riccardo
per la collaborazione e per avermi messo a disposizione la sua
capsula-payload per le riprese fotografiche.
Cristiano
dicembre 2003
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