git.gag.com Git - web/altusmetrum/blob - FAQs/apogee-above-100k.mdwn

   1 # Can I fly your products to an apogee over 100k feet?
   2
   3 Our flight computers use a Kalman sensor-fusing filter to estimate the
   4 flight state, which consists of three values:
   5
   6  1. Height above ground
   7  2. Vertical speed
   8  3. Vertical acceleration
   9
  10 Apogee is assumed to be where vertical speed crosses zero.
  11
  12 Below 30km altitude (about 100k'), we use both the barometer and the
  13 accelerometer to update the flight state, along with a basic Newtonian
  14 model of motion. That works super well, pegging apogee within a few
  15 sensor samples essentially every time.
  16
  17 Above 30km, the barometric sensor doesn't provide useful data, so we
  18 can't use it to update the flight state. Instead, the Kalman filter
  19 falls back to a single sensor mode, using only the accelerometer.
  20
  21 At all altitudes, we de-sense the barometric data when we estimate the
  22 speed is near or above mach as the sensor is often subjected to
  23 significant transients, which would otherwise push the flight state
  24 estimates too fast and could trigger a false apogee event.
  25
  26 That means the filter is no longer getting the benefit of two sensors,
  27 and relies on just the accelerometer. The trouble with accelerometers is
  28 they're measuring the derivative of speed, so you have to integrate
  29 their values to compute speed. Any offset error in acceleration
  30 measurement gets constantly added to that speed.
  31
  32 In addition, we assume the axial acceleration is actually vertical
  33 acceleration; our tilt measurements have enough integration error during
  34 coast that we can't usefully use that to get vertical
  35 acceleration. Because we don't live in an inertial frame, that means
  36 we're mis-computing the total acceleration acting on the airframe as we
  37 have to add gravity into the mix, and simply adding that to the axial
  38 acceleration value doesn't generate the right value.
  39
  40 The effect of this is to under-estimate apogee when you base the
  41 computation purely on acceleration as the rocket flies a parabolic path.
  42
  43 For flights *near* 100k', all of this works pretty well - you've got the
  44 flight state estimates adjusted using the barometric sensor up to 30km,
  45 then you're flying on inertial data to apogee.
  46
  47 For flights well above 100k', it's not great; you're usually going fast
  48 enough through 100k' that the baro sensor is still de-sensed through the
  49 end of its useful range, so the flight state estimates are not as
  50 close. After that, as you're flying purely on accelerometer data,
  51 there's no way to re-correct the state, so the apogee estimates can be
  52 off by quite a bit.
  53
  54 In the worst cases that we've seen, the baro sensor data was wildly
  55 incorrect above mach due to poor static port design, leaving the state
  56 estimate of speed across the 30km boundary way off and causing the
  57 apogee detection to happen far from the correct time.
  58
  59 The good news is that correctly determining apogee is not really all
  60 that important at those altitudes; there's so little density that a
  61 drogue will have almost no drag anyways. The data we've seen shows a very
  62 parabolic path down to about 50k'-60k', even with a recovery system
  63 deployed...
  64
  65 So, what we've been recommending is to set up two apogee plans:
  66
  67  1. Use the built-in apogee detection, but add a significant delay (as
  68     much as 30 seconds). This will probably fire near enough to apogee
  69     to not have a significant impact on the maximum height achieved.
  70
  71  2. Add a back-up apogee which fires after apogee *when the height is
  72     below about 20-25km*. This way, if the flight isn't nominal, and the
  73     sustainer ends up reaching apogee in dense air, you aren't hoping
  74     the chutes come out before it gets going too fast. And, you get a
  75     second pyro channel firing at that altitude even if it reached a
  76     higher altitude before.
  77
  78 You can wire these two pyro channels to the same pyro device; you just
  79 need to make sure they're wired + to + and - to - (the manual shows
  80 which screw terminals are which).
  81
  82 All of this is why we're encouraging people flying way high (like 300k')
  83 to find a deployment mechanism which doesn't solely rely on altimeters
  84 (like ours) which are designed for modest altitude rocketry.  Besides,
  85 flights like that probably need active stabilization to make sure they
  86 follow the prescribed trajectory so that they don't end up outside the
  87 waiver, but that's a whole 'nother adventure...
  88