home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Monster Media 1993 #3 / MONSTER.ISO / textfile / ausroc.txt < prev    next >
Internet Message Format  |  1993-09-02  |  34KB

  1. Return-path: <usenet-space-news-request@arc.nasa.gov>
  2. Received: from mailhub.arc.nasa.gov by delphi.com (PMDF V4.2-11 #4520) id
  3.  <01H2C4J14PS08Y6F5M@delphi.com>; Mon, 30 Aug 1993 00:07:58 EDT
  4. Received: from news.arc.nasa.gov by mailhub.arc.nasa.gov with SMTP (PP); Sun,
  5.  29 Aug 1993 20:54:26 -0700
  6. Received: by news.arc.nasa.gov id AA22787 (5.65c/IDA-1.4.4 for
  7.  usenet-space-news@arc.nasa.gov); Sun, 29 Aug 1993 20:15:06 -0700
  8. Date: Mon, 30 Aug 1993 03:10:45 +0000 (GMT)
  9. From: steven@igor.Levels.UniSA.Edu.Au (Steven Pietrobon)
  10. Subject: AUSROC III: The Development of Australian Launch Vehicle Capability
  11. Sender: usenet@news.arc.nasa.gov
  12. To: bachand@delphi.com, lkrumenaker@delphi.com
  13. Message-id: <1993Aug30.031045.21803@news.arc.nasa.gov>
  14. Organization: Australian Space Centre for Signal Processing,
  15.  Signal Processing Research Institute, University of South Australia
  16. Content-transfer-encoding: 7BIT
  17. Originator: yee@atlas.arc.nasa.gov
  18. Newsgroups: sci.space.news
  19. Path: ames!dont-send-mail-to-path-lines
  20. Apparently-To: sci-space-news@ames.arc.nasa.gov
  21. Followup-To: sci.space
  22. Approved: sci-space-news@ames.arc.nasa.gov
  23. Lines: 625
  24.  
  25. AUSROC III
  26.  
  27. The Development of Australian Launch Vehicle Capability
  28.  
  29. M. A. Blair
  30. B.E.(Mech.), Grad. I.E.Aust.
  31. ASRI Director
  32. Ausroc Program Coordinator
  33.  
  34. 1. INTRODUCTION
  35.  
  36. Ausroc III is the third of the Ausroc series of liquid fuelled rockets
  37. aimed at the promotion of research, development and education of the field
  38. of launch vehicle technologies within Australia. Ausroc III is being
  39. designed as a sounding rocket capable of lifting 100kg of useful scientific
  40. payload to an altitude of 500km and then recovering it intact. The vehicle
  41. is also being developed as a test bed for a number of technologies that
  42. have direct application in satellite launchers. These technologies include:
  43. regenerative liquid propulsion, composite structures, inertial navigation,
  44. vehicle guidance and control, telemetry and flight termination systems,
  45. ground support, tracking and range safety. The Australian Space Research
  46. Institute (ASRI)  supports and promotes the Ausroc program through
  47. cooperation with Australian Universities and a team of dedicated ASRI
  48. members. This paper describes the past present and future development of
  49. the Ausroc III program as well as its educational benefits.
  50.  
  51. 2. AUSTRALIAN SPACE RESEARCH INSTITUTE 
  52.  
  53. The Australian Space Research Institute Ltd. (ASRI) was formed on the 17th
  54. May 1993 as a result of the merger between the Australian Space Engineering
  55. Research Association Ltd. (ASERA), and the Ausroc Projects Group.  ASRI
  56. will be undertaking space related research, development and education
  57. programs in the launch vehicle and satellite technology areas.  The
  58. Institute has been formed to fill a void in these research and development
  59. disciplines within Australia. The objects with which the company (ASRI) has
  60. been established are to, on a non-profit basis :
  61.  
  62. a.  Develop and advance space science and technology.
  63.  
  64. b. Conduct, encourage and promote research in the field of space science
  65. and technology.
  66.  
  67. c.  Educate and extend knowledge in the field of space science and
  68. technology  and to make available education opportunities in the field of
  69. space science and technology to supplement and further those opportunities
  70. made available by established educational institutions.
  71.  
  72. d.  Conduct, co-ordinate and support projects for the advancement of  the
  73. above objects.
  74.  
  75. The Ausroc program is now one of 3 major program areas within ASRI. The
  76. other 2 being the AUSTRALIS Micro-satellite program and the SCRAMJET
  77. Development program.
  78.  
  79. 3. AUSROC  PROGRAM  BACKGROUND
  80.  
  81. The Ausroc Projects Group was established in 1988 to fill an educational
  82. void in launch vehicle engineering disciplines within Australia. Ausroc I
  83. was a 2.6m bi-propellant liquid fuelled rocket using nitric acid and
  84. furfuryl alcohol as propellants. It was launched from the Graytown Proof
  85. Range in Victoria on the 9th of February, 1989. The vehicle velocity and
  86. altitude were approximately 600km/hr and 3.5km respectively. 
  87.  
  88. Although the recovery system failed to operate as planned during this
  89. flight, the propulsion system worked very well, as did the electronics and
  90. telemetry system. The Ausroc I project was undertaken as a private project,
  91. although assistance was given by several members of the Monash Uni.
  92. Mechanical Engineering staff. 
  93.  
  94. The success of Ausroc I paved the way for a much more ambitious project,
  95. Ausroc II. In 1989, Monash Uni. Engineering students commenced an official
  96. project to design, build and test launch a bi-propellant Lox/Kero rocket
  97. system. The Ausroc II regeneratively cooled, rocket motor was constructed
  98. and static test fired at the Ravenhall Test Facility in Deer Park,
  99. Melbourne, on three separate occasions during 1991-92. These trials were
  100. performed to validate the system performance and familiarise the launch
  101. crew with operating and safety procedures associated with liquid fuel
  102. rocketry. 
  103.  
  104. The launch trial, conducted during October 1992 at the Woomera Rocket Range
  105. in S.A., resulted in the destruction of the vehicle on its' launcher.  The
  106. failure was caused by the liquid oxygen supply valve failing to operate
  107. successfully. Ausroc II was the largest liquid fuelled rocket designed and
  108. manufactured in Australia and was one of the worlds' largest amateur rocket
  109. systems. A second improved vehicle, Ausroc II-2, is currently under
  110. construction for launch in 1994. 
  111.  
  112. 4. AUSROC III  CONCEPT DEFINITION
  113.  
  114. The interest and support shown for Ausroc II and the enthusiasm of those
  115. involved, led the Ausroc team to prepare a plan for the future of the
  116. Ausroc launch vehicle series. In late 1990 it was decided that the ultimate
  117. goal of the Ausroc projects group would be to develop a satellite launch
  118. vehicle capable of placing a microsatellite into a low earth orbit. This
  119. goal encompasses many technical aspects which have not yet been addressed
  120. in the previous 2 rocket programs. Therefore, it was decided to develop an
  121. intermediate launch vehicle system that could be used as a technology
  122. demonstrator for the satellite launcher. This intermediate launch vehicle
  123. concept forms the basis of the Ausroc III program. The primary objective of
  124. this third generation Ausroc system is:
  125.  
  126. S To carry a useful scientific payload of 100 kg mass to an altitude of 500
  127. km on a predetermined and controlled, suborbital trajectory and recover it
  128. intact.
  129.  
  130. Ausroc III, would, if completed, be the largest amateur rocket ever built
  131. and would be a useful instrument for performing research in fields such as;
  132. atmospheric physics, microgravity materials processing, high altitude
  133. observations, hypersonics research and evaluation of satellite launch
  134. vehicle hardware. 
  135.  
  136. This new project represents a challenge that encompasses a diverse range of
  137. science and engineering disciplines. The Ausroc III system has been
  138. sub-divided into a number of sub-systems that are described in more detail
  139. below. Each of these sub-systems represent a project that can be undertaken
  140. by groups of science and engineering students at Universities and
  141. Institutes around Australia or by groups of amateurs, outside the tertiary
  142. education system, who would like to see the fruition of the Ausroc launch
  143. vehicle program and its associated benefits. The Ausroc III program is
  144. broken down into the following work areas:
  145.  
  146.                                 Propulsion
  147.                                 Structures
  148.                                 Navigation, Guidance & Control
  149.                                 Flight Electronics
  150.                                 Ground Infrastructure
  151.                                 Payload
  152.  
  153. 5. AUSROC III PROPULSION SYSTEM
  154.  
  155. In meeting our primary objective of lofting a 100 kg payload to 500 km, we
  156. started by determining the type of rocket propulsion that would be used as
  157. this would, undoubtedly, determine the size of the vehicle and the required
  158. subsystems. Our preliminary calculations, using a trajectory simulation
  159. program (ref.1) indicated that approximately 1200 kg of propellant,
  160. assuming an average specific impulse of 250 sec, will be required to meet
  161. the objective. Solid, liquid and hybrid rocket propulsion systems were
  162. considered for use on Ausroc III.
  163.  
  164. Australia does not yet have the capacity to cast the required 1200kg of
  165. solid propellant from one mix and the mixing, storing and transportation of
  166. solid propellant is a hazardous operation that requires strict process
  167. control and safety supervision. 
  168.  
  169. A hybrid rocket has a solid fuel grain and a liquid oxidiser. The fuel is,
  170. generally, no more dangerous than a block of rubber and the oxidiser can be
  171. loaded at the launch site. With this system there are no storage or
  172. transportation problems and in the case of a malfunction there is no
  173. opportunity for the 2 propellants to intimately mix and explode. Hybrids,
  174. however, have not had the same extensive development history as solid and
  175. liquid rockets and for this reason there is only a limited amount of
  176. published data available on hybrid rocket propulsion. 
  177.  
  178. Liquid fuelled rockets offer a safety advantage over solid propellant
  179. rockets in that the propellants are only loaded into the vehicle at the
  180. launch site. This way, the rocket is safe and easy to store and transport.
  181. The Ausroc team has chosen to develop a bi-propellant liquid propulsion
  182. system, utilising liquid oxygen and kerosene for use in Ausroc III for the
  183. following reasons:
  184.                 
  185.                         a. High Specific Impulse
  186.                         b. Lowest Propellant Cost
  187.                         c. Large technical data base exists
  188.                         d. Motors are controllable and reusable
  189.                         e. Vehicle is inert and safe until fuelled on launcher
  190.  
  191. 5.1 Motor Design
  192.  
  193. Due to the complexities involved with turbo-pump propellant delivery
  194. systems, Ausroc III will utilise a pressure feed system to deliver the
  195. propellants to the combustion chamber. Thus the propellant tanks must
  196. operate at pressures in excess of the chamber pressure. A combustion
  197. pressure of 2 MPa was chosen as a good compromise between overall tank
  198. weight and specific impulse. 
  199.  
  200. The propulsion system will be operational for the first 80 seconds of
  201. flight in a pressure environment that extends from 1 atm at launch to a
  202. near vacuum at shut-down. The Ausroc III motor nozzle will be designed to
  203. expand the 2 MPa combustion gases to 0.55 x ambient pressure at sea-level
  204. to avoid nozzle flow separation. This corresponds to a nozzle expansion
  205. ratio of 6. Given these values, the optimal propellant mixture ratio
  206. (Mox/Mf) of 2.4 was determined using the Nasa/Lewis thermodynamics code
  207. (ref.2). The continual decrease in ambient pressure, as the rocket gains
  208. altitude, causes a proportional increase in motor thrust. This increase in
  209. thrust corresponds to an increase in specific impulse (Isp) and the thrust
  210. coefficient (Cf). 
  211.  
  212. In order to avoid any possible interaction between the rocket and the
  213. launcher stand at lift-off, a net launch acceleration of approximately 1g
  214. was specified. This implies a lift-off thrust of 35 kN. With this
  215. information the motor geometry can be determined using a set of standard
  216. motor equations as can be found in refs.3-4. Table I summarises the key
  217. motor parameters and dimensions.
  218.  
  219. Four cooling techniques were considered for the Ausroc III motor. These
  220. were regenerative, ablative, radiation and film. Regenerative cooling
  221. involves the circulation of one of the propellants through passages along
  222. the motor wall to absorb the heat transfered from the chamber. Ablative
  223. motors are one shot devices used, primarily, in short burn liquid motors or
  224. solid propellant motors. They use endothermic materials which decompose and
  225. absorb large quantities of heat in the process. Radiation cooling relies on
  226. the motor wall reaching thermal equilibrium with its surroundings.This
  227. requires the use of rare and expensive high temperature refractory metals
  228. and ceramics. Film cooling can be incorporated into any of the previous 3
  229. types of motors and involves injecting a coolant fluid along the motor wall
  230. to generate a 'cool' gas boundary layer to slow the rate of heat transfer.
  231.  
  232. TABLE I: AUSROC III Motor Specifications
  233.  
  234.         Fuel:                           Kerosene
  235.         Oxidiser:                       Liquid Oxygen
  236.         Burn Duration:                  80 sec.
  237.         Combustion Pressure:            2 MPa
  238.         Mixture Ratio (Ox/F):           2.4
  239.         Thrust Correction Factor:       0.94
  240.         Thrust Coefficient:             1.394 s.l. - 1.698 vac.
  241.         Specific Impulse (corrected):   241 sec (s.l.) - 293 sec. (vac.)
  242.         Thrust (N):                     35 kN (s.l.) - 42.6 kN (vac.)
  243.         Nozzle Throat Diameter:         130 mm
  244.         Nozzle Expansion Ratio:         6
  245.         Nozzle Exit Diameter:           320 mm
  246.         Expansion Cone Half Angle:      15 degrees
  247.         Chamber Contraction Ratio:      3
  248.         Chamber Diameter:               230 mm
  249.         Characteristic Length (L*):     1.0 m 
  250.         Chamber Length:                 340 mm
  251.         Contraction Cone Half Angle:    30 degrees
  252.         Throat Radius:                  65 mm
  253.         Contraction. Rad:               65 mm
  254.  
  255. The Ausroc III program will require numerous static firings to fine tune
  256. the motor performance and control system before a launch can be approved.
  257. Ablative motor construction was eliminated on the grounds that multiple
  258. firings would require multiple motors to be manufactured and this would
  259. increase the costs of development. To meet the multiple firing criterion
  260. for the motor, a regenerative cooling system has been selected. Of the 2
  261. propellants onboard Ausroc III, the kerosene fuel was selected as being the
  262. more suitable regenerative coolant. 
  263.  
  264. A program of work is currently being undertaken to develop a 'Tube Wall'
  265. rocket motor for Ausroc III. This motor is fabricated by brazing together
  266. and reinforcing a bundle of pre-contoured nickel alloy coolant tubes and
  267. attaching inlet and outlet manifolds. The tubes form the geometric wall of
  268. the motor. Once the tooling has been established to fabricate the first
  269. motor, it would be a relatively straightforward process to produce
  270. subsequent motors for further development or future vehicles. 
  271.  
  272. The propellant requirements and tank volumes can be calculated with a
  273. knowledge of the specific impulse, thrust level, mixture ratio, ullage
  274. requirements and burn time. The propellant requirements are as follows:
  275.  
  276.         Propellant Mass Flow = F / Isp g = 14.8 kg/s 
  277.         Mass of Propellant = 80 x 14.8 = 1184 kg
  278.  
  279. Mass Lox = 836 kg               Mass Kerosene = 348 kg
  280. Density of Lox = 1142 kg/m3     Density of Kerosene = 800 kg/m3
  281. Volume of Lox = 732 lt          Volume of Kerosene = 435 lt
  282. Lox Tank Volume = 800 lt        Kerosene Tank Volume = 500 lt
  283.  
  284. The rocket, as mentioned previously, is to be pressure fed. There are 2
  285. gases that have been identified as being applicable to this application;
  286. nitrogen and helium. Nitrogen was eliminated as the flight pressurant gas
  287. on the grounds of its 7 fold increase in weight over helium and also
  288. because of the close proximity of its boiling point to that of the lox
  289. which causes density and solubility problems. Nitrogen, however, is very
  290. cheap and readily available in large quantities. For the static firings and
  291. ground tests, nitrogen can be used as the pressurant since weight and
  292. storage volume is not of concern in these instances. 
  293.  
  294. The flight pressurant tank will store the helium gas at high pressure
  295. (30MPa). This high pressure gas will then be regulated down to the liquid
  296. oxygen and kerosene tank pressures of 3 and 4MPa respectively. Thus, a
  297. pressure tank volume of 200 lt, which includes an extra 20 lt for the cold
  298. gas roll control thrusters, is required.
  299.  
  300. 5.2 Injector Design
  301.  
  302. The injector attaches to the forward end of the motor and its purpose is to
  303. introduce and meter the propellants into the combustion chamber. It also
  304. atomises and mixes the propellants to enhance combustion efficiency. The
  305. Ausroc III injector design is being modelled on the Ausroc II injector
  306. configuration. A set of 200 triplet injectors are to be used whereby 2 15
  307. degree half angle fuel injection streams impinge with each axial oxidiser
  308. stream. The injector elements are to be 2.1mm diameter for the liquid
  309. oxygen and 1.05mm diameter for the kerosene (ref. 6). 
  310.  
  311. To assist in chamber wall cooling, it is planned to bias the mixture ratio
  312. of the injectors which are closest to the wall in favour of the fuel. This
  313. generates a cooler fuel rich zone along the inside wall of the motor. The
  314. injector configuration also has a substantial effect on combustion
  315. stability and this issue will receive further attention in the near future.
  316. The injector will be manufactured from aluminium alloy due to its
  317. machinability and high heat transfer coefficient.
  318.  
  319. 5.3 Propellant Utilisation System
  320.  
  321. The propellant utilisation system consists of the following items; ball
  322. valves, valve actuators, flow meters, tank level sensors and fill/drain
  323. facilities.This system controls the flow of propellant during startup, burn
  324. and shutdown and also has provision for interfacing to the launcher
  325. fuelling equipment. For the majority of the burn time the propellant
  326. utilisation system will ensure that the mixture ratio of the propellants is
  327. maintained at 2.4. Towards the end of burn, the system will continually
  328. sense the tank levels and adjust the mixture ratio to ensure that both
  329. propellants are exhausted simultaneously. Failure to do this can lead to
  330. considerable performance losses. 
  331.  
  332. 6. AUSROC III STRUCTURE
  333.  
  334. The performance of a rocket structure is usually determined by its mass
  335. ratio. The mass ratio is the ratio of propellant weight to total weight
  336. excluding payload. The Ausroc team has set a target mass ratio of 0.85 for
  337. the Ausroc III system. This means that for a propellant mass of 1200 kg,
  338. the total dry weight of all non-payload items will be approximately 220 kg.
  339. This target mass ratio is quite high for a pressure-fed liquid fuelled
  340. rocket and extensive use of strong, lightweight materials will be essential
  341. to achieve it. For this reason it was decided to develop the system around
  342. the use of high strength and lightweight filament wound tanks and composite
  343. layup fairings. Where possible, 7075 aluminium alloy will be used for
  344. machined components.
  345.  
  346. 6.1 Structure Components
  347.  
  348. It was determined (ref.5) that the optimal length to diameter (L/D) ratio
  349. of the launch vehicle, to minimise drag, was approximately 12. Given this
  350. value and the tank and payload volume requirements, the body dimensions
  351. were set at:
  352.  
  353.                 Nominal Body Diameter:          0.7 m
  354.                 Total Body Length:              8.4 m (includes payload)
  355.  
  356. Ausroc III consists of 12 major structural items which are listed in Table
  357. II and shown in figure 1. The 3 pressure vessel tanks are to be
  358. manufactured by filament winding epoxy resin impregnated carbon fibre
  359. rovings over thin walled stainless steel or aluminium mandrels. The
  360. mandrels also serve as impervious tank liners. The performance rating of
  361. pressure vessels is usually given in units of meters and determined by the
  362. following relationship:
  363.  
  364.                 Performance Rating = Pressure x Volume / Mass x g
  365.  
  366. Modern high performance aerospace pressure vessels have been fabricated,
  367. via filament winding techniques, with performance values exceeding 25000m.
  368. The minimum performance for the Ausroc III filament wound tanks has been
  369. specified as 12000m since no tanks of this type have been manufactured in
  370. Australia to date and much has to be learnt regarding the processes
  371. involved. 
  372.  
  373. In March 1993 a filament winding machine, of sufficient size to manufacture
  374. the Ausroc III tanks and being surplus to DSTO requirements, was transfered
  375. on permanent loan to the Mechanical Engineering Dept. of the University of
  376. Adelaide. This machine is currently being commissioned by the department
  377. for student projects.
  378.  
  379. TABLE II: Ausroc III Major Structural Items
  380.  
  381. Item    Structure                       Fabrication Method
  382.  
  383. 1       Nose Cone                       Composite Lay-up
  384. 2       Payload Fairing                 Composite Lay-up
  385. 3       Payload Support Structure       Machined 7075 Al.
  386. 4       Helium Tank (30 MPa)            Filament Winding
  387. 5       Upper Intertank Fairing         Composite Lay-up
  388. 6       He/Lox Tank Interface           Machined 7075 Al.
  389. 7       Lox Tank (3 MPa)                Filament Winding
  390. 8       Lower Intertank Fairing         Composite Lay-up
  391. 9       Lox/Kero Tank Interface         Machined 7075 Al.
  392. 10      Kerosene Tank (3.5 MPa)         Filament Winding
  393. 11      Boattail Fairing                Composite Lay-up
  394. 12      Thrust Mount / Gimbal Unit      Machined 7075 Al.
  395.  
  396. The fairings are to be manufactured as single piece units using composite
  397. lay-up construction techniques which use pre-preg carbon fibre mat
  398. materials and autoclave curing processes. Honeycomb sandwich cores will be
  399. used where enhanced strength and stiffness properties are required. The all
  400. composite fairings will bolt directly to aluminium mounting rings which are
  401. filament wound into each end of the 3 flight tanks. 
  402.  
  403. Each fairing will contain 2 flush mounting hatches, 250 x 250mm square, for
  404. access and assembly purposes. All the cylindrical fairings are to be
  405. manufactured with common tooling and both intertank fairings are to be
  406. identical  items. The junction between the base of the payload fairing and
  407. the helium tank will contain a separation device that will be initiated
  408. immediately after engine cut-off. This device will disconnect the payload
  409. module and provide a positive separation force.  
  410.  
  411. The nose cone is a tangent-ogive with an L/D of 2.14 and will incorporate
  412. ablative materials to protect it from the high aerodynamic temperatures
  413. experienced during the flight. A number of air pressure ports will be
  414. incorporated into the nose cone to provide air speed and angle of attack
  415. data to the flight computer.
  416.  
  417. The boattail fairing has a 6 degree taper to reduce the base area of the
  418. rocket by approximately 50%. This significantly reduces the base drag of
  419. the vehicle. 
  420.  
  421. The thrust mount / gimbal assembly, to be manufactured from 7075-T6
  422. aluminium stock, is a multi-purpose item which transfers the vectored
  423. thrust load of the motor into the vehicle structure. It also provides
  424. interfacing and mounting provisions for the following:
  425.  
  426.                         -Propellant utilisation system components
  427.                         -Hydraulic system components
  428.                         -Launcher release system
  429.  
  430. 6.2 Structure Analysis
  431.  
  432. The Ausroc III vehicle will be exposed to a multitude of loads including
  433. ground winds, wind shear, motor thrust, aerodynamic drag and lift,
  434. propellant slosh and TVC. The structure is being designed to withstand a
  435. flight angle of attack of 5 degrees at maximum dynamic pressure (69kPa).
  436. The calculated normal force distribution imposed on the vehicle during
  437. these conditions is shown in figure 2. 
  438.  
  439. Wind tunnel testing of a scale model will be undertaken to verify the
  440. calculated aerodynamic coefficients A theoretical analysis of the static
  441. and dynamic characteristics of individual structural components and the
  442. integrated assembly will be undertaken using finite element analysis
  443. techniques to ensure that the structure will maintain its integrity for the
  444. entire flight profile. 
  445.  
  446. It is essential to ensure that the natural frequency of the vehicle does
  447. not coincide with the control system frequency of 10 Hz. Therefore a target
  448. first natural frequency for the structure has been set at 30 Hz. This
  449. analysis is to be followed up by a test and evaluation program utilising
  450. flight hardware.
  451.  
  452.  
  453. Figure 2: Ausroc III Normal Force Distribution
  454.  
  455.  
  456. 7. AUSROC III  GUIDANCE, NAVIGATION  &  CONTROL (GN&C)
  457.  
  458. Information in this section was obtained from ref 8.
  459.  
  460. 7.1 Navigation
  461.  
  462. Navigation involves the determination of the position, velocity and
  463. attitude of the vehicle with respect to a convenient reference frame. The
  464. inertial measurement unit (IMU) consists of sensors that are attached to
  465. the vehicle body. Gyroscopes sense the angular velocity of the vehicle and
  466. accelerometers sense the specific force. Navigation will be done by a
  467. dedicated computer which will communicate with the IMU, GPS and the
  468. computer responsible for guidance and control.
  469.  
  470. 7.2 Guidance
  471.  
  472. Guidance involves using navigation data and guidance algorithms to generate
  473. commands for the control system in order to achieve the desired trajectory.
  474. The commands consist of attitude or attitude rate commands. The current
  475. trajectory profile consists of:
  476.  
  477.         1. Vertical Ascent to 200m.
  478.         2. Pitch over, decreasing the flight angle from 90 to 88 degrees.
  479.         3. Gravity turn, to minimise aerodynamic loads.
  480.         4. Coast, until initial recovery system deployment.
  481.         5. Final recovery system deployment using steerable parachute.
  482.  
  483. Wind loads during the period of high dynamic pressure will be reduced by
  484. 'steering into the wind'. This is done by using the lateral acceleration
  485. measurements to null side forces. When the dynamic pressure becomes low
  486. enough, a closed loop guidance algorithm can be used to reduce the effects
  487. of disturbances such as wind and non-ideal vehicle behaviour. The guidance
  488. algorithms will be implemented as part of the software of the flight
  489. management computer.
  490.  
  491. 7.3 Control
  492.  
  493. Control refers to the control of the vehicle, implemented as a closed loop
  494. control system. This accepts attitude or attitude rate commands and
  495. generates commands for the thrust vector control system (TVC). It uses IMU
  496. data to provide feedback for its control loops. The control algorithms will
  497. also be implemented as part of the software of the flight management
  498. computer. Given the nature of the Ausroc III system, it was decided to
  499. implement an electro-hydraulic, gimballed motor TVC system to provide
  500. control in the pitch and yaw planes and a cold gas thruster system for roll
  501. control.
  502.  
  503.  
  504. 8. AUSROC III  ELECTRONICS
  505.  
  506. For Ausroc III to achieve its stated program objectives, a comprehensive
  507. flight management system is required. This system will consist of the
  508. following major items:
  509.  
  510.                 1. Flight management controller (FMC)
  511.                 2. Inertial Navigation Unit (INU)
  512.                 3. Attitude Control System (ACS)
  513.                 4. Power Supply and Control (PSC)
  514.                 5. Data Acquisition and Telemetry
  515.                 6. Electro / Hydraulic / Pyrotechnic Drivers
  516.                 7. Flight Termination System (FTS)
  517.                 8. Radar Transponder
  518.  
  519. Figure 3 and reference 7 provide the general arrangement of the electronics
  520. systems. It is proposed to use commercial 32 bit 80386 motherboards for the
  521. FMC, ACS and INU due to low cost and easy access to peripherals,
  522. documentation and software development tools. The 'C' programming language
  523. has been selected as the basis for all flight software development. The
  524. communications interface bus between all the system units has not yet been
  525. determined but the current options include RS-422, Ethernet and Mil-1553B.
  526.  
  527. The complete data acquisition and telemetry system will consists of up to
  528. 128 sensors, 16 data formatters, a multiplexer and a transmitter. The
  529. telemetry transmitter is to have a bandwidth of 500 kHz, a minimum power
  530. output of 5W and operate on either L-band or S-band. A similar video
  531. transmitter is to be included to relay optical data from the flight  and
  532. payload cameras. 
  533.  
  534. Two C-band radar transponders will be incorporated into the vehicle to
  535. assist the Woomera range radars in providing accurate range safety
  536. tracking. A Flight Termination System (FTS) utilising 2 WREBUS receivers
  537. will provide command destruct capability. WREBUS was the system used
  538. extensively at Woomera in the past. It is planned to develop an
  539. omnidirectional strip antenna unit for each of the flight transmitters and
  540. receivers to provide complete coverage irrespective of vehicle attitude.   
  541.  
  542.  
  543. 9. AUSROC III  GROUND  SUPPORT
  544.  
  545.         Ground support includes such things as: transportation, assembly,
  546. test, fuelling, launcher stand, launch control centre, tracking, flight
  547. termination, film and video systems and vehicle recovery.  Woomera is the
  548. intended launch site for Ausroc III and, in particular, we are focussing on
  549. the use of Site 5 which is the old abandoned Black Knight launch site and
  550. is located approximately 5 km SW of the range instrumentation building. The
  551. block house still exists at site 5 and the exhaust deflection pit can be
  552. refurbished. As currently designed the launcher stand and access tower also
  553. doubles as the transport cradle and assembly jig. 
  554.  
  555. The range instrumentation building is more than adequate for use as the
  556. launch control centre. Pre-flight assembly and test will be performed in
  557. Test shop 1 as was done during the Ausroc II trial. There are currently 2
  558. operational Adour radar units at the range, and with the use of
  559. transponders on the rocket, they would be capable of tracking the vehicle
  560. for its full 500km apogee trajectory. A high power flight termination
  561. system transmitter will need to be installed on the range and tested. Real
  562. time display and analysis of critical flight parameters will be available
  563. via an electrical umbilical prior to launch and by RF link after liftoff. A
  564. dedicated launch sequence controller will be developed to perform the
  565. critical preflight system checks, the launch sequence and abort routines.
  566.  
  567. 10. CONCLUSION
  568.  
  569. The Ausroc III program has now been in existence for 3 years and in that
  570. time approximately 50 students from 9 Universities around the country have
  571. undertaken engineering design exercises from the broad range of launch
  572. vehicle disciplines making up the Ausroc III system. The program represents
  573. a learning experience for all those involved since no launch vehicle of
  574. this type has ever been developed in Australia.  
  575.  
  576. Projects will continue to be forwarded to the Universities around the
  577. country in future years, culminating with the construction and test flight
  578. of the prototype vehicle. It is the belief of the ASRI directors and the
  579. Ausroc coordination team that the "hands-on" approach to launch vehicle
  580. education, as is currently being provided, will enhance the national
  581. technology base and provide a small stream of enthusiastic engineers and
  582. scientists capable of participating in future national or international
  583. programs.   
  584.  
  585. 11. ACKNOWLEDGMENTS
  586.  
  587. As previously discussed, the Ausroc III program is dispersed throughout
  588. Australia. There are currently no fewer than 30 students and qualified
  589. engineers and technicians involved in the program. The author wishes to
  590. thank the lecturers and students from the following universities for their
  591. involvement in the Ausroc III Program:
  592.  
  593.                         University of Adelaide
  594.                         University of South Australia
  595.                         Monash University
  596.                         RMIT
  597.                         University of NSW
  598.                         University of Sydney
  599.                         University of Queensland
  600.                         Queensland University of Technology
  601.                         University of Southern Queensland
  602.  
  603. The author would also like to thank the many Ausroc core group members and
  604. industrial sponsors who have given much in the way of personal time and
  605. resources to the Ausroc activities over the past years. Their enthusiasm
  606. and commitment to an Australian Space Program is what has kept this program
  607. alive.
  608.  
  609. REFERENCES
  610.  
  611. No.             Author                          Title
  612.  
  613. 1.              Cheers A.        "A Spherical Earth Model Particle
  614.                                  Trajectory Simulator Utilising a 4th Order
  615.                                  Runge-Kutta Method" Computer Program (c)
  616.                                  Ardebil 1991
  617.  
  618. 2.              Gordon S. and   "Computer Program for Calculation of
  619.                 McBride B.      Complex Chemical  Equilibrium Compositions,
  620.                                 Rocket Performance, Incident and Reflected
  621.                                 Shocks and Chapman-Jouguet Detonations"
  622.                                 NASA SP-273  1967
  623.  
  624. 3.              Huang D. and    "Design of Liquid Propellant Rocket Engines"
  625.                 Huzel D.        NASA SP-125  1971
  626.  
  627. 4.              Sutton G.       "Rocket Propulsion Elements"
  628.                                 John Wiley & Sons 1986
  629.  
  630. 5.              Clayton A.      " Pressure Vessel and Fairing Design for the
  631.                 Heiland T.      AUSROC III Amateur Rocket System"
  632.                 Reddon G.       University of Adelaide, Project Thesis 1991
  633.  
  634. 6.              Williams W.     "Propellant Injector Design Notes for Ausroc III
  635.                                 Liquid Fuelled Rocket"  Ausroc Conference 1991
  636.  
  637. 7.              Simmonds S.     "Ausroc III - Flight Management System"
  638.                                 Technical Note 1993
  639.  
  640. 8.              Cheers A.       "Ausroc III - G N & C"  Technical Note 1993
  641.  
  642.  
  643. Previous AUSROC updates can be obtained by anonymous ftp to
  644. audrey.levels.unisa.edu.au in directory space/AUSROC
  645.  
  646. --
  647. Steven S. Pietrobon,  Australian Space Centre for Signal Processing
  648. Signal Processing Research Institute, University of South Australia
  649. The Levels, SA 5095, Australia.     steven@spri.levels.unisa.edu.au
  650.