another fun quote stumbled over on FB, of all places
[web/gag.com] / rockets / airframes / MehGaNuke / index.mdwn
index 129c34733f4487521f1ed4f23eee20ea8ab5dc5c..f0956009df4a6b05081deb9566b8af279ab5eb6d 100644 (file)
@@ -11,90 +11,135 @@ Unfortunately, that airframe was one of many lost in the
 
 At a conference late in 2014, one of the founders of Woot approached Bdale to talk 
 about the possibility of another sponsored rocket project for his new venture, 
-[A Mediocre Corporation](https://mediocre.com/) and its flagship site
+[Mediocre Laboratories](https://mediocre.com/) and its flagship site
 [meh](http://meh.com).
 
 Bdale had already started thinking about building another "big-ass rocket" ...
 
 After giving it some serious thought, the goal became building something bigger
 than anything Bdale had built and flown before, but that would fit in with the 
-"mediocre" theme somehow.  Most rocket folks start out flying "three fins and a nose
-cone", so doing a simple rocket of that style seemed like a good starting 
-point.  The coolest such rocket clan Garbee has ever built was undoubtedly
+"mediocre" theme somehow.  Most rocket folks start out flying "three fins 
+and a nose cone", so doing a simple rocket of that style seemed like a 
+good starting point.  The coolest such rocket clan Garbee has ever built 
+was undoubtedly
 [Robert's first high-power airframe](http://gag.com/rockets/airframes/LilNuke/),
 a [LOC Precision](http://shop.locprecision.com/) 
 [Lil' Nuke](http://shop.locprecision.com/product.sc?productId=114&categoryId=12)
 kit.
 
-So .. how about a stupidly-large upscale of the LOC Lil' Nuke!  A meh-ga nuke!
+So .. how about a stupidly-large upscale of the LOC Lil' Nuke!  Bdale's
+wife Karen suggested the name, since this is definitely a meh-ga nuke!
 
 ## Design Details
 
-After a bunch of playing around in [OpenRocket](http://openrocket.sourceforge.net/),
-and considering the limits of the CNC equipment at hand, an airframe diameter of 
+After a bunch of playing around in 
+[OpenRocket](http://openrocket.sourceforge.net/), and considering the 
+limits of the CNC equipment at hand, an airframe diameter of 
 approximately 12 inches was chosen.  We can fly high on 6-inch research motors
-(first flight planned to be on a James Russell research red-flame "O" motor), and
+(first flight was on a James Russell research red-flame "O" motor), and
 fly low and super crowd-pleasing on fast-burning M motors like the 
-[CTI Pro98 M3400WT](http://pro38.com/products/pro98/motor.php) in a suitable adapter.
+[CTI Pro98 M3400WT](http://pro38.com/products/pro98/motor.php) in a 
+suitable adapter.
 
 To achieve sufficient stability on an O motor, the nose needs to be pretty 
-heavy.  Simulation suggests that turning the nose out of solid pine would work
-out just about perfectly.
-
-Because such a heavy nose cone will put significant compression load on the rest
-of the airframe, we'll build internal structure to carry that load rather than
-depending on the airframe material itself.  Some quick back of the envelope
-calculations suggest that 3 ribs made of cheap, common 1x2 pine lumber should
-more than suffice.
-
-The fins will be fabricated from nominal 1/2 inch birch plywood, rounded, 
-vacuum-bagged with one layer of carbon fiber for stiffness and one layer of
-fiberglass for surface preservation and strength.  They will insert into fin
-grooves cut in the forward and aft fin rings and interlocked with two
-intermediate rings.  All fin to ring joints will be augmented with chopped 
-fiber and/or glass fabric scraps.  Once the fin can is fully assembled, an
-extra layer of fin to fin glass across the airframe will be installed to 
-help keep the fin can together during landings.
-
-The airframe will be constructed from 12-inch concrete form tubing with the
-inner and outer layers peeled, wrapped with two layers of 6oz fiberglass.  A 
-section of airframe tubing wrapped with one glass layer will be slit and
-closed down to form a coupler so the main airframe can be built in two pieces
-to ease transportation and flight prep.
-
-Recovery will involve a 3-foot drogue parachute deployed by blowing the nose
-cone off at apogee, and an ARRD will be used to release a 28-foot main chute
-from a deployment bag.  For high flights, a reasonable main deploy height for
-traditional "dual deploy" recovery will be chosen.  For lower flights, the
-main will be deployed just long enough after apogee to permit the drogue to 
-re-orient the airframe, approximating the "main out at apogee" experience.
-
-A side-access electronics bay will be constructed in the valley between two
-fins near the leading edge of the fins.  Electronics will consist of one
-each Altus Metrum [TeleMega](http://altusmetrum.org/TeleMega) and
-[TeleMetrum](http://altusmetrum.org/TeleMetrum) boards.  The TeleMega is
-overkill, but I'm curious to see what the airframe rotation rates are like
-in flight, and the gyros will capture that.  Each will use a single 850mAh
-LiPo battery, and rotary switches mounted in the airframe for on/off.  Two
-charge cups will be mounted on the forward ring of the fin can for apogee
-deployment, and an ARRD will be mounted on the other side of the same ring
-for main deployment.
-
-The main airframe tube will contain ribs and additional structure to carry
-the load induced by the nose cone, and to direct apogee deployment gasses
-around the main parachute deployment bag.
-
-Because the kinetic energy at ground impact even under the large main will
-be fairly high, the ring at the aft end of the airframe will be doubled
-to 1.5 inches thick for extra strength.
-
-The airframe will be set up with 1515-sized rail buttons, and use of 
-Terry Lee's launch trailer with 20 foot rail is assumed to ensure stability
-for all flights.
+heavy.  Simulation suggested that turning the nose out of solid pine would work
+out just about perfectly.  And thanks to the fire, Bdale had some large pine 
+logs drying... but trying to turn a nose cone out of one of those was kind of a
+disaster!  So we ended up asking Dan at 
+[Python Rocketry](https://pythonrocketry.com/)
+for help, and he delivered an outstanding bespoke nose cone for the project!
+
+Because such a heavy nose cone would put significant compression load on the 
+rest of the airframe, we took notes from Kevin Trojanowski's large rocket 
+group projects, and decided to build internal structure to carry that load 
+rather than depending on the airframe material itself.  Some quick back of 
+the envelope calculations suggest that 3 ribs made of cheap, common 1x2 pine 
+lumber would more than suffice.  
+
+For the airframe, we acquired a length of 12-inch concrete column form,
+peeling the inner and outer layers to get rid of the waxy surfaces.  The
+tubes were then wrapped with two layers of 6oz fiberglass using West Systems
+epoxy and peel-ply fabric to consolidate the fibers and make for a reasonably
+smooth finish with minimal sanding.  A section of airframe tubing was slit and
+closed down to form a coupler at the front of the fin can, so the main 
+airframe can be separated to ease transportation and flight prep.
+
+The fins were fabricated from nominal 1/2 inch birch plywood with rounded
+edges.  They were inserted into fin grooves cut in the forward and aft 
+centering rings and interlocked with two intermediate rings for mechanical
+strength.  All rings were CNC cut from 3/4 inch birch plywood, except the
+aft ring which was doubled by laminating two pieces of plywood to form a
+1.5-inch-thick aft ring more likely to survive the kinetic energy of
+landing.  The epoxy used for all fin to ring joints (and most others in the
+airframe) was augmented with West Systems 403 Microfibers, yielding very
+strong yet light joints.  Once the fin can was fully assembled, the fins
+were laminated with with one partial layer of 5.7oz 2x2 twill carbon fiber 
+for stiffness, and one layer of tip to tip 6oz fiberglass for surface 
+preservation and strength.  
+
+Charge cups for primary and secondary black powder charges mount on the 
+top of the fin can forward ring where they are easy to load before adding
+the main airframe tube to the stack.  This ring also sports an ARRD 
+intended to release the main chute during descent.  The main airframe tube
+has 3 ribs epoxied to the inside of the skin that sit on the fin can forward
+ring after assembly, and provide a bearing surface for the nose cone once it
+is installed.  In this way, the compressive load from the nose mass carries
+down through the ribs into the fin can plywood stack, and no significant 
+load is carried by the aiframe tubing itself.  The main airframe also has
+a "baffle" between two of the ribs that causes the gas produced by the black
+powder charges to flow up past the main parachute to blow off the nose cone.
+
+Because the nose ended up being really heavy after adding sufficient nose
+weight to stabilize the airframe on big motors, recovery starts by blowing
+off the nose at apogee and deploying 2 mil-surplus 5-foot parachutes on
+a "V" harness.  The main chute is a 28-foot man-rated mil-surplus chute in
+a Giant Leap deployment bag, and the harness is fabricated from lots of REI 
+1-inch climbing strap (in bright purple, of course!) and a number of 
+different size stainless steel quick-links.  
+
+A side-access electronics bay in the valley between two fins provides
+space for two removeable "sleds", each holding an Altus Metrum 
+[TeleMega](http://altusmetrum.org/TeleMega).  Each TeleMega has a single
+dedicated 850mAh LiPo battery, and a rotary power switch mounted in the 
+airframe for on/off.  Custom dipole antennas were designed and integrated
+into the construction just inside the airframe skin to maximize telemetry
+performance, with RG-188 teflon coax and SMA connectors to the flight
+computers.
+
+The airframe is configured with two 1515-sized rail buttons, and is really
+only considered safe to launch from Terry Lee's launch trailer with 20 feet
+of very stiff 1515 rail.
+
+### Revisions for Version 2 ###
+
+Because the main airframe zippered somewhat on the first flight, and the
+ARRD released at apogee, rather than just repairing the existing airframe
+tube, I designed and built a complete replacement.
+
+To increase stability, the main airframe tube length was extended from
+the original 4.5 feet to approximately 6 feet.  This increased stability
+allowing a reduction in nose weight, increasing safety.  It means the 
+length is more than a strict scaling of the Lil Nuke, but is less than 
+the Nuke Pro Maxx.
+
+For main deployment, the ARRD was replaced with a 
+[Tender Descender L3](https://tinderrocketry.com/l13-tender-descender-tether),
+which has the advantage that the release mechanism is orthogonal to the 
+axis of flight.  That seems important when the airframe is this heavy and
+apogee occurs at a non-nominal velocity, as in the first flight.
+
+The original build had internal 1x2 ribs and a baffle yielding a "D" shaped 
+main bay with the apogee charge gasses going up the channel without pushing
+on the main deployment bag.  For this rebuild, 3 ribs were run the airframe
+length between the 12" airframe and a concentric full-length 8" deployment
+bay, with centering rings on each end.  One sector of the rings was 
+vented to allow apogee ejection gasses to flow from the charge cups on the
+leading edge of the fin can to the nose, bypassing the main chute bay.
 
 ## Design / Simulation File
 
-[mehganuke.ork](/rockets/airframes/MehGaNuke/mehganuke.ork)
+  * Original [mehganuke.ork](/rockets/airframes/MehGaNuke/mehganuke.ork)
+  * Revised [mehganuke-v2.ork](/rockets/airframes/MehGaNuke/mehganuke-v2.ork)
 
 ## Construction Log
 
@@ -125,3 +170,133 @@ but there are several spots where more epoxy would have made me happier.  Will
 compensate when wrapping the airframe tubes.  Given how "thirsty" the cardboard
 is, I think the trick will just be to paint the tube with a thick layer of epoxy
 before starting to apply the glass, then be generous when wetting each layer.
+
+At this point, a lot of time passed, detailed note-taking more or less
+stopped, and the airframe wasn't completed until early 2018!
+
+
+## Photos
+
+All the photos and video I've collected associated with this project can
+be found [here](https://thor.gag.com/index.php?/category/MehGaNuke).
+
+Kent Burnett's drone video hightlights reel from Airfest 2018 includes 
+[video of the launch](https://vimeo.com/295459157#t=636s) starting at 
+about 10:36 in.
+
+## Flight Log
+
+### First Flight
+
+The first flight of this airframe was at the 
+[Kloudbusters](http://kloudbusters.org/)
+[Airfest 24](http://kloudbusters.org/airfest/) in Argonia, Kansas, USA, 
+on Saturday, 1 September 2018.  The motor was a 6-inch "O" built by James 
+Russell using his well-known "Russell Red" formula.  The total launch mass 
+was about 205 pounds on the rail.  Due to a slightly larger than optimal
+nozzle throat, the motor burn at 7.7 seconds was a bit longer than expected, 
+pushing the airframe with an average acceleration of only 2.89 G to a 
+maximum speed of Mach 0.6 on the way to 8068 feet above ground.  
+
+Weather-cocking due to wind caused the airframe to have a residual speed at 
+apogee of nearly 60 meters per second, so not surprisingly there was zippering
+of the top of the main airframe tube.  It also seems clear that the ARRD 
+failed to retain the deployment bag, as the main chute deployed a few seconds 
+after apogee.  We had some difficulty with the ARRD during assembly on the
+rail, so this wasn't terribly surprising.  Recovery was completely safe with
+the nose descending under 2 5-foot mil-surplus chutes, and the bulk of the
+airframe descending under a 28-foot mil-surplus chute.
+
+The stress at deployment tore the strap off the deployment bag, and the 
+deployment bag was not recovered.  After studying the zipper and thinking
+about the main deployment sequence, several changes will be made before the
+next flight:
+
+ - The main airframe tube will be replaced with a tube that's a bit longer 
+   (for greater stability), and has an internal 7.5-8" diameter tube instead 
+   of the flat baffle to ease main chute deployment.
+
+ - Switch from the ARRD to the largest [Tender Descender](http://www.tinderrocketry.com/l13-tender-descender-tether) for main deployment.
+
+ - Add a TeleGPS to the nose assembly so it can be tracked independently, and let 
+   it come down by itself under the 2 existing 5-foot chutes.  Add a third 5-foot 
+   chute to be a dedicated pilot for the 28-foot main chute.
+
+These changes should reduce the chance of another zipper, and reduce the amount
+of strap we need to stuff into the bay.
+
+All in all, this first flight was an outstanding group effort, a lovely 
+flight, and a huge crowd-pleaser!
+
+### Second Flight
+
+In 2021, the NAR National Sport Launch was held near Alamosa, CO.  Doug
+Gerrard planned to be there with his camera-laden launch pad so there was
+the possibility of a highly-documented launch.  Since I 
+really wanted to fly this project in Colorado and that was a national-scale
+event, plans were made.  As a NAR sanctioned event, the motor needed to be 
+commercial and not research.  Simulations led to the choice of a CTI N3301 
+White Thunder which would fit case hardware already on hand.  This would
+require fabricating an adapter from the 6" motor mount to the 98mm 
+motor, but that seemed easy enough.  My thanks to the good folks at 
+[Moto-Joe Rocketry](http://moto-joe.com/) for helping me obtain the reload.
+
+Unfortunately, logistics issues prevented flying at the NSL.  The second
+flight ended up happening on Sunday, 19 September 2021, at the 
+[Tripoli Colorado](https://www.tripolicolorado.org/) Fall Frenzy launch.
+
+In addition to the rebuilt main airframe section and motor adapter, a 
+TeleGPS was added to the nose bay.  Then, at the last minute, Meh-ga Nuke 
+was equipped with two keychain cameras mounted looking up and down.
+
+The rocket was about 145 pounds on the rail of Terry Lee's launch trailer,
+and was flowing with 2 e-matches and a pinch of Pyrodex P in the Tender
+Descender, and apogee charges of 6g primary and "fill the cup" 
+secondary.  The rocket departed the rail with about 5.5g max acceleration 
+on the way to Mach 0.7 and an apogee altitude of 9183 feet.  The dual 
+deployment process worked as designed, but unfortunately the shround on
+the main tangled, probably due to a hasty repacking of the deployment bag
+during assembly on the rail.  Wind pushed the airframe ENE out of the 
+optimal landing area and into a "field of rocks", where the higher than
+expected landing velocity of the main airframe and fin can assembly and
+wind drag resulted in cosmetic damage to the fin can and more significant
+damage to the main airframe tube.  The nose cone also suffered damage as
+a result of the wind causing the chutes to pull it across rocks. 
+
+Both TeleMega boards returned good data logs.  The TeleGPS in the nose
+cone wasn't heard during launch and flight (it turns out the unsupported
+antenna wire broke off sometime before landing, perhaps even before
+launch?), but the data recovered from the board shows a clean trace of
+the nose cone's path during flight.  Good thing we didn't need the
+GPS to locate and recover the nose cone!
+
+The video from the up-looking camera worked great through apogee, but 
+unfortunately the video froze before the main deployed so only audio was
+recorded for the rest of the flight.  The down-looking camera video came
+out very well, though!  It shows only a couple rotations of the airframe
+during ascent with some great view of the flight line, etc.  It also 
+captured the nose cone and two 5 foot surplus military parachutes deployed
+at apogee travelling past the main airframe rapidly at apogee.  The 
+shadow of the nose cone and associated chutes descending independently can
+be seen in the video before landing... and the very violent landing of 
+the fin can and main airframe can be clearly seen.
+
+All in all, this second flight was another huge crowd-pleaser and very
+satisfying overall.  Particular thanks to Terry Lee for his help 
+rebuilding the main airframe and the use of his launch trailer, George
+Barnes IV for his outstanding photos on launch day, and my wife Karen who
+attended the launch with great enthusiasm despite being only a few weeks
+into the recovery from major surgery.
+
+I think the primary lesson learned from this flight is that the design 
+of the airframe pretty much guarantees the main airframe tube is going 
+to be damaged in each flight.  The video proof of what we already 
+understood intellectually about the dramatic reversal of direction the 
+airframe
+undergoes at apogee when the nose comes off and the drogue chutes deploy
+alone is enough to rip the leading edge of the airframe apart back to the
+first centering ring below the nose shoulder.  So, even without landing
+in rocks and being dragged due to high winds by the main chute, we 
+probably just need to acknowledge the main airframe is in some ways a
+"single use" design.
+