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Criscaso 2001 - 2005
Questa pagina Novembre 2009 (rieditata marzo 2012)
Casimiro su pad di lancio, agosto 2005
Premessa
Pregasi leggere attentamente la pagina Disclaimer relativa alle avvertenze per la lettura dei miei testi di missilistica sperimentale.
Introduzione
Casimiro è il primo e tuttora (aprile 2012 mentre (ri)scrivo queste note) unico modello di razzo dotato di sistemi di stabilizzazione attiva mai realizzato in Italia. Ho realizzato altri due prototipi di razzo con sistemi di stabilizzazione attiva, che sono serviti perlopiù per lo sviluppo di tecnologie e tecniche costruttive che non hanno ancora volato, ma che probabilmente non lo faranno, dato che ciò che imparo e invento viene continuamente superato da nuove idee e nuovi sviluppi. Diciamo che un ipotetico nuovo veicolo potrebbe essere molto diverso da Casimiro e non impiegherebbe certamente più nulla del mondo del modellismo spaziale, a partire dai tubi di cartone e di altri "sofisticati" materiali del RM (fenolico, ad esempio). La costruzione modulare-smontabile impone di pensare in termini di "sezioni" ben separate tra di loro, ognuna con una sua funzione specifica, e unite per mezzo di sistemi meccanici e non di colle. Inoltre i tubi di cartone pesano davvero troppo per questi veicoli sperimentali e in effetti un veicolo sperimentale potrebbe non avere nemmeno bisogno di un tubo per la fusoliera. Insomma, basta vedere i veicoli di Goddard e... altri veicoli sperimentali di altri sperimentatori della stabilizzazione attiva.
Per "sistema di stabilizzazione attiva" intendo diverse apparecchiature elettriche, elettroniche e meccaniche che normalmente non sono presenti nei modelli di razzo "ortodossi" che vengono descritti molto a fondo nei tantissimi siti web di tantissime ed attivissime associazioni italiane che raccolgono e fanno divertire migliaia di appassionati di razzi italiani. Queste apparecchiature, del tutto originali ed innovative, hanno lo scopo di rendere il veicolo in grado di avvertire deviazioni o perturbazioni della rotta dalla traiettoria ideale e di correggere di conseguenza azionando appositi attuatori che muovono il motore, montato su una vera e propria sospensione cardanica a due assi e quattro gradi di libertà, per indirizzare la spinta scomponendola in vettori che servono a produrre coppie atte a riportare il veicolo nella rotta desiderata e di interrompere queste azioni quando tale rotta è riconquistata. Impiegando la forza propulsiva del motore, anzichè l'effetto aerodinamico degli alettoni in tutti gli altri tipi di razzi, si ottiene un veicolo che teoricamente è in grado di muoversi anche nel vuoto assoluto, in condizioni tali che un modello di razzo ortodosso non potrebbe affrontare proprio a causa della sua configurazione aerodinamica. Utilizzando sistemi di questo genere il veicolo può volare lentamente e non ha bisogno di rimanere vincolato a una rotaia o ad un'asta per il primo tratto del suo moto (cioè fintantochè non ha raggiunto una velocità sufficiente a rendere efficace il sistema di stabilizzazione aerodinamica). Il risultato più evidente è che un veicolo a razzo concepito così è molto più simile a un reale missile spaziale, e bisogna considerare il fatto che lo è anche OLTRE le semplici apparenze rispetto a un normale modello di razzo commerciale.
I sotto-sistemi che fanno parte del sistema, nella forma più basilare e semplice, quella che ho potuto affrontare in considerazione delle mie non illimitate risorse tecniche, economiche e documentali, sono essenzialmente:
- Sospensione cardanica per il motore (Gimbal). Ha lo scopo di mantenere fissato al veicolo il motore prescelto, e contemporaneamente di orientarlo entro venti gradi su due assi con quattro gradi di libertà. Si tratta di un componente meccanico che deve possedere una serie di caratteristiche di robustezza, precisione, rigidità e altre caratteristiche ancora.
- Sensori di rotazione. Hanno lo scopo di avvertire le perturbazioni a cui il veicolo è soggetto non appena lascia lo stato di quiete, vale a dire dal momento del decollo. Tali perturbazioni devono fornire segnali di errore che dovranno essere interpretati da un sistema di controllo che dovrà poi occuparsi di generare segnali di correzione. Nel mio caso si tratta di giroscopi a stato solido, sebbene sia possibile utilizzare anche altri tipi di sensori (meccanici, accelerometri).
- Attuatori. Si tratta di elementi meccanici comandati elettricamente (=servocomandi o servomotori) che ricevono un segnale detto di correzione dal sistema di controllo e agiscono di conseguenza producendo una forza mediante un elemento mobile che sarà collegato opportunamente a parte della sospensione cardanica, sì da orientare il motore nel verso e per la quantità decisa dall'apposita legge di controllo implementata nel sistema.
- Elettronica e impianto elettrico. Si tratta di elettronica che si incarica di leggere i segnali forniti dai sensori di rotazione, di interpretarne il significato, e di fornire di conseguenza, segnali di correzione da inviare agli attuatori. In virtù di una altra legge di controllo (o per meglio dire, di parte della legge di controllo dell'intero sistema), l'elettronica deciderà quale attuatore muovere, in quale verso e in quale quantità. Un quarto parametro, il tempo, è fondamentale sia in questo sistema sia negli altri sistemi (sensori di rotazione, attuatori).
-Legge di controllo. Si intende per legge di controllo una serie più o meno palese di informazioni e di procedure, che possono anche non essere in forma di istruzione software o elettronica, a cui il sistema deve adattarsi e alle quali deve reagire. Tale legge deve essere presente nel sistema fin dal momento della sua progettazione, essere sviluppata e continuamente riscritta per raggiungere la massima precisione e finezza. La legge di controllo vive del tutto dipendente da tutti i sistemi del veicolo e fa parte anche dei sistemi meccanici.
Questo, in estrema sintesi. Occorre però considerare che ci sono svariate possibilità del tutto diverse tra loro per realizzare ognuno dei sistemi che ho appena descritto. Ad esempio, il sistema del motore orientabile non è l'unico possibile e sono invece parimenti affrontabili e realizzabili sistemi dotati di motori vernieri orientabili che coadiuvano un motore principale fisso e getti di gas per realizzare un sistema RCS che non richiede parti esterne in movimento. Direi che, osservando da molti anni quello che nel mondo della missilistica sperimentale viene fatto nel mondo, è solo questione di studio e di sperimentazione. Vale a dire che semplicemente accumulando esperienze e studio è possibile sviluppare diversi sistemi, fermo restando che si tratta di campi di sperimentazione che richiedono molto tempo e notevoli somme di denaro e perciò affrontabili solamente da persone o gruppi seriamente motivati.
Parlerò in altra pagina di questi aspetti tecnico-costruttivi. Devo però dire che sia un grosso peccato come in Italia, nel settore del modellismo spaziale, non si faccia ricerca in questi ambiti.
Caratteristiche uniche di Casimiro
Casimiro è un piccolo razzo dotato di piccolo motore, di due piccoli giroscopi allo stato solido, di una sospensione cardanica in grado di orientare il motore in tutte le direzioni con un angolo massimo di venti gradi dall'asse di rollio del veicolo, di servomotori per il comando della sospensione cardanica, di un sistema elettronico di controllo dei servo e dei giroscopi, un sensore inerziale elettromeccanico di autonome progettazione e produzione per l'espulsione automatica del paracadute all'apogeo o a seguito di perdita di controllo durante il volo sotto propulsione, di costruzione modulare-smontabile della seconda generazione (criscaso), di impianto elettrico gestibile dall'esterno, di paraurti per la sezione gimbal-motore e altre minori caratteristiche... sempre uniche che lo rendono simile a un vero missile spaziale! E può arrivare, molto lentamente, a pochi metri di quota (circa quarantacinque-cinquanta al massimo con il tipo di motore AT F12).
Per quanto riguarda il motore, non abbiamo di che preoccuparci. Nel mercato libero è possibile reperire motori di bassa potenza che forniscono sufficiente potenza per eseguire ottimi esperimenti. Motori come gli Estes E9, gli SF Held 1000 e gli AT F12 sono bastevoli e si possono acquistare tramite internet. Naturalmente avere in casa una piccola scorta di tali motori aiuta nel programmare molti futuri esperimenti senza la necessità di contattare importatori italiani con i quali si potrebbero avere cattivi rapporti... D'altro canto, molti motori di maggiore potenza potrebbero non essere adatti, date le caratteristiche di impulso di cui sono dotati: sono da escludere motori violenti ed impulsivi, tipici del mondo HPR, mentre alcuni motori ibridi offrono comportamenti che sarebbero degni di studio.Insomma, tutto sta nel pianificare gli esperimenti valutando attentamente le risorse disponibili.
Per quanto riguarda i giroscopi, molti pensano dapprima a un sistema meccanico, poi, dopo averci pensato su un pochino (davvero pochino) passano a pensare alle IMU e ai cinque o sei gradi di libertà. Peccato che tali sistemi richiedano enormi investimenti in termini di tempo e di programmazione, cosa che richiederebbe almeno un gruppo di studio ad esso dedicato. Ma niente paura, molti giroscopi per elicotteri possono andare benissimo, a patto di saperli scegliere e di conoscere a fondo come essi funzionino e quali differenze esistano tra i tanti modelli nel mercato. Non è mio compito qui fornire informazioni su procedure e caratteristiche delle varie tipologie di giroscopi.
Per la sospensione cardanica, beh, qui c'è la prima gatta da pelare. Esistono diversi e numerosi metodi per realizzare un sistema di stabilizzazione attiva su un veicolo a razzo. La soluzione che io e altri ricercatori del settore abbiamo realizzato, del tutto autonomamente l'uno dagli altri, è quella che consente a un piccolo motore a razzo di essere orientato entro un ristretto campo su due assi. In questo sistema ricadono la sospensione cardanica a doppio anello, come quella che ho dapprima sperimentato io, e quella a tre punti di cui uno fisso, sistema che ricalca esattamente quello impiegato nei veri veicoli spaziali. La sostanziale differenza sta nella semplicità costruttiva, a favore di quest'ultima; ma è ovvio pensare che ci siano per entrambi dei pro e dei contro. Sta allo sperimentatore provare e riprovare e capire in quale direzione sia meglio proseguire. Per quanto mi riguarda posso dire che ci sono validi motivi per sostenere entrambi i sistemi. Ma non è tutto qui. Osservando in rete gli studi e gli esperimenti di moltissimi sperimentatori, anche a livello di quasi-professionisti, si notano svariati approcci, quasi tutti realizzabili anche in piccolo da un buon meccanico. Naturalmente non esiste solamente il sistema di orientamento del motore; come ho accennato poco sopra, è possibile impiegare per l'ipotetico veicolo con stabilizzazione attiva anche un motore centrale fisso e affidare a piccoli motori laterali il compito di "dardeggiare" per correggere le anomalie della traiettoria. In tal caso la meccanica è completamente diversa ma non per questo maggiormente difficoltosa da realizzare. Ancora, è possibile implementare sistemi RCS, vale a dire piccoli getti di gas, comandati impulsivamente dal sistema di controllo, che provvedono a fornire spinte laterali atte a ruotare il veicolo in direzione contraria a quella avvertita come indesiderabile. In questo sistema la meccanica diventa meno importante e praticamente inesistente.
Un cenno sulle pinne mobili. Dobbiamo innanzitutto dire che non possiamo pretendere di definire come "stabilizzato attivamente" un veicolo che impieghi alettoni o pinne ruotanti, che deflettano la corrente d'aria relativa al veicolo per ottenere le spinte laterali che occorrono per riportare il veicolo in moto sulla traiettoria desiderata: questo non è un sistema da veicolo spaziale, bensì da missile terra-aria. Il fatto di sfruttare elementi aerodinamici declassa il veicolo e l'intero sistema poichè non fa altro che sfruttare ciò che si dovrebbe invece eliminare (gli alettoni, no?). In Italia c'è almeno uno sperimentatore attivo in questo periodo storico che sta effettuando esperimenti molto molto positivi con pinne ruotanti, ma con lo scopo di stabilizzare non già la traiettoria del veicolo, bensì la sua rotazione sull'asse longitudinale. Si tratta comunque di una forma minore di stabilizzazione attiva del rollio perchè la stessa cosa sarebbe stata meglio affrontata con motori vernieri, con volani interni o con getti RCS (sistemi già sperimentati da almeno un ricercatore al mondo alla data corrente); però la soluzione delle pinne mobili è stata già impiegata in volo con successo alla fine degli anni Novanta da George Gassaway con il suo Sun-seeker e quindi evidentemente applicabile anche in questo campo con limitati rischi nello sviluppo. Devo comunque ribadire come si tratti pur sempre di veicoli che affidano all'aria atmosferica e alla velocità relativa il compito di stabilizzare il veicolo, molto analogamente a quanto fanno tutti i missili con alettoni fissi.
I sistemi elettronici necessari sono strettamente legati alla scelta del sistema meccanico. Siccome il vero progettista di macchine volanti con propulsione a razzo, indipendente e quindi con fantasia non vincolata ai prodotti commerciali, DEVE rimanere nell'ambito del minimo peso volante, non è detto che si debba per forza ricorrere a tecnologia razzimodellistica. Non parlo ovviamente di elettronica per la stabilizzazione attiva perchè in questi campi non ce ne è ancora traccia, ma comprendo anche le IMU dei tanti sistemi di sviluppo che da svariati anni fanno furore nel campo della robotica, in primo luogo Arduino e derivati. Possono benissimo essere impiegati, eccome, ma occorre allora avere competenze di programmazione e prevedere, nello sviluppo di simili sistemi, di destinare la maggior parte del tempo proprio per a tale sviluppo, perchè il software si rivela essere il componente maggiormente critico. Posso dire in questo momento, considerando la mia piccola personale esperienza, che mantenere la semplicità nei sistemi è la chiave per ottenere i successi iniziali, mentre investire in programmazione seria potrebbe essere la giusta scelta dopo avere esaurito un primo sviluppo della "macchina". Notate anche , forse, come a me piaccia pensare a una "macchina" anzichè a un semplice tubo dotato di alettoni incollati. Discorso lungo che approfondirò in un'altra pagina del mio sito.
I sistemi del veicolo non sono solo meccanici ed elettronici. Ne occorrono anche di elettrici. Per essere un po' più chiaro, parlo anche della progettazione del cablaggio elettrico e dei sistemi energetici. In questo campo molti fanno errori di valutazione e semplicemente prendono alcune pile e fanno passare dei fili qua e là, magari in condotte interne, anche su grossi razzi simili a quelli da certificazione HPR. Sarà un caso che nei siti web dei modellisti spaziali e delle relative associazioni non si parli mai di energia e di cablatura. Nulla di ciò che si vede nei tanti posti web di tali soluzioni è adatto al nostro scopo, per svariati motivi che non posso qui analizzare a fondo... anche se l'ho fatto per i miei studi; molto succintamente devo dire che non è possibile affidarsi a una pila da 9Volt o un accumulatore Li-Po per pretendere di risolvere tutti i problemi energetici. In questo campo è più utile stendere un piccolo piano energetico dei vari sistemi di bordo e tenere conto del peso massimo consentito nel bilancio del progetto. In tal caso si scopriranno molte cose soprattutto sulle strutture.
Strutture. Per questo importante campo il modellismo spaziale ortodosso è del tutto fuori dai canoni aerospaziali. Nel modellismo ci si affida con molta fiducia a prodotti specifici del settore. Anche considerando un piccolo veicolo dotato di motore sotto la soglia della certificazione, anche sotto la classe F, il tubo di cartone è il re incontrastato delle strutture. Il principino è, invece, un'ogiva commerciale che pesa, da sola, tra il dieci e il trenta per cento dell'intero veicolo. Se passiamo a osservare grossi razzi HPR notiamo che diventano robusti, densi e pesanti come arieti e si può ben supporre che potrebbero distruggere qualunque cosa dovessero toccare in caso di volo incontrollato o di caduta senza paracadute. Questi due aspetti sono del tutto mostruosi se confrontati con quelli delle reali macchine spaziali. In un missile spaziale le strutture sono composte essenzialmente dalle pareti dei serbatoi dei propellenti, mentre le parti puramente aerodinamiche della sommità sono realizzate con la minima quantità possibile di materiale per pesare davvero il minimo, al limite della rottura catastrofica per la pressione dinamica durante il volo atmosferico e gettate via non appena possibile. Un modello di missile invece pesa più di strutture ed ogiva che di propellente... il che la dice lunga poi anche sulle competenze che gli attivisti del settore possono vantare. Lo sperimentatore, perlomeno, sa essere umile e non pontifica sulle soluzioni tecniche costruttive ortodosse. Anche perchè sarebbe stupido impiegare tubi robustissimi per la fusoliera di un veicolo propulso da un minuscolo motore. Anzi, si potrebbe persino pensare di costruire una macchina volante a razzo senza fusoliera, e ormai già diversi sperimentatori nel mondo lo hanno fatto realmente e non per questo vengono considerati eretici. Insomma, un minimo di elasticità mentale sarebbe quantomeno auspicabile.
Nel campo delle strutture è davvero possibile sperimentare soluzioni incredibili se appena appena si rinuncia alle prestazioni di velocità e di quota, cose che in un programma di studio della stabilizzazione attiva sono davvero secondarie, come abbiamo visto nei lavori di altri sperimentatori in questo settore. Il tubo diventa così semplicemente il supporto dei sistemi meccanici ed elettronici e del paracadute, magari rinunciando del tutto all'ogiva che non farebbe altro che appesantire inutilmente (GYROC di Jim McFarland). Personalmente, da qualche tempo, studio un sistema di endoscheletro in elementi di carbonio ricavati da canne da pesca, tubolari sottilissimi di alluminio e ordinate in vetronite. Eliminando un tubo di cartone recupero almeno il trenta per cento di peso totale, il che dà il vantaggio di impiegare motori di infima potenza per la propulsione e la stabilizzazione. Il risultato è un veicolo molto lento e che non arriva a grandi quote, ma che sviluppa sistemi che potrebbero essere impiegati anche su veicoli più potenti in un ipotetico programma di collaborazione fra sperimentatori e modellisti. Quel giorno non è ancora arrivato in Italia, ma speriamo di vederlo prima che il disavanzo dello stato italiano non superi il milione di miliardi.
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Amici e colleghi. Ecco chi ha combinato qualcosa di molto concreto nel campo della stabilizzazione attiva di piccoli razzi. Tutti hanno in comune una lunga storia di ricerca e studio e tutti hanno sperimentato a lungo prima di ottenere i primi risultati.
http://www.ukrocketman.com/rocketry/gimbal.shtml
http://lists.psas.pdx.edu/pipermail/psas-avionics/2007-May/011186.html
http://www.davidwyatt.me.uk/rocketry/files/Technical%20Milestone%20Report%20-%20Wyatt.pdf
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Casimiro è in effetti un primo studio, che ha funzionato realmente ed è concretamente visibile a casa mia senza il pagamento di alcun biglietto (!), di un veicolo molto più vicino alle vere macchine spaziali di qualunque potentissimo modello di razzo HPR fatto in Italia. Pur essendo il prototipo della mia tecnologia del 2004-2005, e per questo motivo realizzato con un tubo in cartoncino LOC, Casimiro è costruito in tecnologia modulare smontabile, è modificabile e riparabile in ogni suo componente, è dotato di sistemi meccanici, elettromeccanici ed elettronici che non fanno parte solamente del mondo razzimodellistico; ha richiesto la progettazione, la costruzione, lo sviluppo e il test di sistemi del tutto innovativi, originali e necessari e non necessita di alcuna parte commerciale del mondo razzimodellistico a parte il motore. Il veicolo è stato realizzato con tubi commerciali senza il minimo uso di colle, e per questo motivo è possibile sostituire i tubi commerciali con altri di qualunque provenienza e materiale senza intaccarne minimamente il funzionamento. Casimiro è stato oggetto di sviluppo durante la sua costruzione ed è stato il punto di riferimento per la progettazione di Archimede, che a sua volta è un passo intermedio verso un terzo veicolo. Gimbal 7 è invece un passo "laterale" per la sperimentazione di un diverso campo nellla meccanica, volto a sperimentare l'orientamento indipendente di due coppie di motori su un solo asse affiancati a uno o più motori fissi centrali. Per tale veicolo si sta studiando addirittura un "open frame", vale a dire senza fusoliera. Si tratta di uno studio del tutto rispondente ai canoni della ricerca del minimo peso possibile.
Foto non
ufficiale di Gimbal 7
Questa meccanica di prova è stata il passo iniziale verso la soluzione a motore centrale e motorini vernieri laterali. Inutile dire che viene pubblicata poichè obsoleta e superata.
Questa meccanica di prova è stata il passo iniziale verso la soluzione a motore centrale e motorini vernieri laterali. Inutile dire che viene pubblicata poichè obsoleta e superata.
La Gimbal 5, di cui non posso fornire molte informazioni, è uno sviluppo di quella di Casimiro pensata per motori G12. La Gimbal 8, invece, appena all'inizio della progettazione in questo momento (febbraio-marzo 2012) è pensata per motori da 29 mm anche più grandi del 120 e grazie a un sistema di orientamento di otto-dieci gradi del tutto innovativo, potrebbe rispondere a necessità HPR del livello più basso, sempre che si reperiscano motori con durate lunghe e spinte medie il più possibile piatte e morbide. Ma questi non sono compiti miei: semplicemente sono possibilità che esistono e che possono essere sviluppate anche in un vicino futuro. Tutto sta però nel trovare le adatte "risorse umane" che vanno al di là delle mie possibilità di singolo ricercatore. Insomma, chi legge qui potrebbe anche farsi venire un'idea di gruppo. Forse al momento si tratta di fantascienza, chissà.
Voglio anche ribadire un concetto che ritengo importante: personalmente sono incline a non credere minimamente a ciò che mi viene riferito da terze persone o che posso vedere con pochi particolari. Quindi siccome per primo penso che molte persone in questo campo siano più brave a parole che con i fatti, non mi meraviglierei se molta gente pensasse che quello che sto illustrando non sia vero. Pazienza, non è la mia missione il convincere gli altri! Anche perchè non mi sento in competizione con nessuno e devo anche dire che i raduni oceanici di razzimodellisti che fanno a gara a chi ce l'ha più grosso e a chi ce l'ha più potente e costoso mi paiono da molti anni una stupidaggine così grande che vanifica anche l'eventuale contenuto tecnico-scientifico che questa disciplina potrebbe divulgare. Semplicemente il mio scopo in queste pagine è quello di stimolare, seminare, illustrare i risultati di molta creatività e di molto studio.
Casimiro è reale e funzionante, e dopo due voli più che buoni, è conservato completo in tutte le sue parti e perfettamente funzionante, previo controllo, sostituzione e ricarica delle batterie. Dopo il secondo volo sono state implementate alcune piccole modifiche nelle regolazioni meccaniche ed era in programma l'eliminazione del sistema di controllo visuale dell'allineamento del motore, che in effetti non era più necessario. Il veicolo avrebbe così potuto guadagnare circa trenta grammi di peso. Ma siccome già nel settembre 2005 era iniziato il lavoro su Archimede, che in parte è l'evoluzione di Casimiro e in altra parte è lo studio di sistemi e tecniche ulteriormente innovative, ho pensato che fosse meglio conservare il mio storico veicolo esattamente come dal suo secondo volo, quello maggiormente riuscito. Chiunque può venire a trovarmi per vedere Casimiro e molte persone, anche tra esponenti del settore razzimodellistico italiano, lo hanno avuto tra le mani. Non hanno capito molto, all'epoca, ma, anche se non lo ammettono, sanno di avere visto qualcosa di unico in Italia. Qualcosa di piccolo, modesto, ma unico. Uhm, unico? Beh, veramente no, perchè gli studi e la sperimentazione proseguono e Casimiro è oggi piuttosto superato! Moltissime nuove soluzioni sono state ideate e provate nel frattempo, quindi smettete di chiedermi COME si costruisce Casimiro! Come dico in altre pagine, io NON voglio insegnare COME si fanno i razzi, voglio solo illustrare a cosa possono portare lo studio e la passione. Questione di cervello, non di manuali di istruzioni e colle.
Elementi di Casimiro agosto 2004
Breve storia dello sviluppo (2001 -2005)
Casimiro - storia di servomotori e giroscopi uniti ai razzi. Dicerie, ignoranza e ignoranti e... tante prove per vedere come funzionano
Giroscopi acquistati per prove e test con supporto ortogonale a due assi per prove nel 2003
La storia di Casimiro parte nel 2001, quando cominciai a mettere giù degli schizzi di massima per un veicolo a razzo con motore orientabile. Acquistai alcuni servomotori e alcuni circuiti di controllo per servo e cominciai a fare qualche esperimento, dato che mi mancava esperienza con tali simpatici meccanismi. Cominciai l'anno dopo lo studio di giroscopi e mi misi a costruirne uno. Fu un lavoro piuttosto difficile perchè per ottenere un giroscopio minimamente efficiente arrivai a utilizzare una ruota d'acciaio montata su un motorino per CDROM sovralimentato. Un mese di lavoro di lima e di carta vetrata finissima mi fecero ottenere un pre-giroscopio ottimamente silenzioso, veloce e relativamente privo di vibrazioni. Cominciai quindi a costruire una sospensione cardanica per il giroscopio e nello stesso periodo (metà 2002) cominciai a sospettare dell'esistenza dei giroscopi per modellismo. Dovetti saperne di più e sospesi i lavori sul mio giroscopio che potevo allora considerare al 70 per cento del suo completamento. Avevo capito che bisognava fare sul serio e studiare i giroscopi allo stato solido.
Giroscopi programmabili e supporto gyro interno per Casimiro 2004
Chiesi informazioni sui giroscopi a stato solido nell'organo comunicativo dell'allora allegra combriccola di amici che si dilettavano di razzi. Allegramente (si sa che i razzimodellisti erano e sono sempre stati dei buontemponi, di gran cuore e di estrema cortesia e correttezza) mi fu risposto dai più esperti dell'organo, che comprendevano anche sedicenti esperti elicotteristi e sedicenti grandi razzimodellisti benefattori,... che i giroscopi sono quelle cose che si mangiano nelle fiere paesane e che era meglio pensare a razzi normali! Sospettai fosse un giro di parole per evitare di dirmi: "non so nulla di giroscopi". Presi atto delle note stonate fornitemi dall'"organo". Proseguii negli studi e chissà come mi imbattei subito nei siti web di gente che invece i giroscopi li conosceva e li impiegava fantasiosamente ed ebbi il sentore che qualcuno lo facesse anche sui razzi. Naturalmente mi appassionai e cominciai ad accumulare informazioni sui giroscopi a stato solido, passando dal settore dell'elimodellismo a quello della microelettronica giapponese e scoprii come sono costruiti, come funzionano e quali segnali generino. Potrei scrivere un manuale sui giroscopi e addirittura costruirli da me medesimo, e non sto dicendo una follia (c'è chi lo ha fatto realmente!). Semplicemente ho passato mesi a spulciare il web e a salvare decine e decine di pagine teoriche e pratiche sui giroscopi, arrivando a scoprire un'infinità di cose teoriche e pratiche. Potete farlo anche voi, se appena volete saperne di più. Si tratta solo di investire un po' di tempo libero... e qual è quello sperimentatore che non impiega del tempo libero per informarsi? Correndo... arrivò il 2003 e trovai sul web il sito di UKRocketman che descriveva per sommi capi il suo Gyroc. Quelle pagine mi spronarono negli studi e cominciai ad investire soldi e tempo su queste ricerche. Nel luglio 2003 fui a Bologna per il lancio di Arturo di Marco Agostinelli, che con quel razzo, piuttosto rozzo nella sua realizzazione, completava la sua laurea in ingegneria aerospaziale. Marco mi parlò del fatto che l'università di Roma intendeva realizzare un razzo dotato di motore orientabile. Fu molto gentile nel promettermi copia della sua tesi e gentilissimo nel farmela arrivare sul serio. Ho ancora in archivio registrazioni audio di quella giornata molto interessante.
Era ormai chiaro che si poteva tentare... anche perchè a quanto pare, c'era chi voleva farlo. Almeno, a parole. Decisi dunque di cominciare a fare sul serio e accumulare esperienze preziose, ovviamente in completa autonomia ed indipendenza. Acquistai quindi per la prima volta una coppia di giroscopi identici, piuttosto economici per l'epoca ma non così economici in assoluto!, cento Euro cadauno!... e iniziai un lungo programma di sperimentazione elettronica-meccanica. Indispensabile l'oscilloscopio, con cui osservai segnali e reazioni dei nuovi componenti che avevo in mano. Studiando il sistema giroscopio-servo imparai quali tipi di segnali e quali reazioni erano necessarie e conseguenti. Accumulai decine e decine di pagine di appunti e iniziai una serie lunghissima di test in laboratorio, realizzati dapprima con meccaniche fisse, che mi permisero di pensare a una sospensione cardanica che fosse in grado di sostenere e muovere un motore a razzo di tipo Estes. Insomma, si partiva per nuove avventure!
La sospensione cardanica - sperimentazione meccanica dal vero
Cominciò così in primavera-estate 2003 la costruzione della prima sospensione cardanica dedicata al motore Estes E9. Subito al primo colpo emersero alcuni problemi che impedirono alla sospensione numero 1 di arrivare a completamento.Un banale problema di centraggio dei fori sull'anello in alluminio mi impedì di unirlo al secondo anello. A quell'epoca usavo anelli in alluminio ricavati dallo smontaggio di hard disk degli anni Ottanta. Elementi di elevatissima precisione, ma purtroppo in numero scarsissimo nel mio laboratorio e purtroppo quasi tutti unici e diversi fra loro. Introvabili altri esemplari, dovetti pensare a sostituire l'anello esterno con qualcosa d'altro.
Castello gimbal 2.1
Così nacque il "castello", ovvero una struttura meccanica chiusa realizzata in elementi di vetronite uniti per mezzo di angolari di alluminio e viti. Il "castello", termine che ho ricavato dal settore meccanico di precisione delle macchine per scrivere meccaniche degli anni Cinquanta-Settanta, avrebbe racchiuso e sostenuto l'anello di supporto motore in alluminio. A sua volta il castello poteva essere fissato, nelle due estremità perpendicolari a quelle in cui era fissato l'anello di sospensione del tubo portamotore, a una forcella che diventava l'estremità inferiore del veicolo teorico in corso di studio (cioè dello STA gimbal in corso di realizzazione).
Nasceva così la sospensione cardanica per motore a razzo; unica al mondo, giacchè gli altri sperimentatori usavano un sistema molto più semplice di cui parlerò più avanti. La sospensione numero due fu oggetto di innumerevoli prove statiche. Scoprii un mucchio di problemi pratici che non avevo previsto sui disegni e ben presto capii che ce ne voleva una terza! La terza sospensione cardanica impiegava per la prima volta microcuscinetti a sfera e fu unita a un sistema di tubi commerciali concentrici che ospitavano un servomotore e relativo supporto. Questa sospensione cominciava a funzionare benino e impiegai con essa anche i sistemi elettronici di controllo (analogici) e i giroscopi.
Gimbal 3a con microcuscinetti a sfera. Mancano i motori di azionamento.
La "gimbal 3" fu protagonista di prove fino allo sfinimento dei suoi motori e del cilindro di supporto. Nell'inverno 2003 fu unita a una specie di telaio che poteva essere considerato il telaio di un intero razzo. Una sezione superiore dedicata ai sistemi elettronici e al tubo paracadute rendevano lo studio estremamente eloquente e financo alcuni razzimodellisti molto in alto nella "piramide" lo ebbero in visione. Dubito che all'epoca ne comprendessero il valore tecnico, ma tant'è. Non studiavo e sperimentavo certo per sentirmi dire "bravo" dai sedicenti grandi razzimodellisti: facevo questi studi per inventare e per elevare le mie personali capacità e non volevo certo mettermi su una cattedra.
Gimbal 3b con sezione motori di test.
Comincia il lavoro di progettazione-sviluppo del veicolo
Una volta acquisite le prime esperienze dal vero su una meccanica molto vicina a quella che avevo in mente, esperienze assolutamente necessarie dopo il primo periodo di documentazione e di stesura di idee e schizzi, cominciava finalmente il lavoro di riprogettazione completa del veicolo a razzo. Avendo accumulato informazioni "sufficienti", diciamo così, sui sistemi minimi necessari, e sapendo che lo sviluppo avrebbe proseguito bene solamente con un veicolo completo, avviai il programma di acquisto di nuovi servomotori e nuovi giroscopi. E, naturalmente, di nuovi materiali costitutivi, ricambi, minuteria, componenti elettronici e consumabili.
Le spese erano notevoli, se si pensa che solamente i giroscopi costavano circa centoventi Euro e ne dovevo utilizzare due. Ottimi servomotori, particolarmente studiati per caratteristiche meccaniche ed elettriche, costavano più di quaranta Euro ciascuno. Alcuni componenti del settore razzimodellistico furono necessari, come per esempio il piccolo generatore di gas "Safe Eject", che mi serviva per risparmiare il tempo necessario allo sviluppo di un simile sistema interamente artigianale (cosa che avrei realizzato due anni più tardi e che mi consentì di essere... indipendente anche qui!), e Casimiro cominciava a prendere forma. La cosa che ricordo di più di quel tempo è soprattutto l'emozione di rendermi conto che il veicolo cambiava continuamente di forma e di dimensioni durante la sua costruzione. Ogni singolo pezzo poteva essere costruito, unito agli altri del sistema che stavo sperimentando ed essere poco dopo smontato e sostituito da un altro migliorato in seguito ai problemi incontrati. Un vero lavoro di sviluppo del progetto contemporaneo alla sperimentazione dal vero dei componenti.
Nel marzo 2004 Casimiro assumeva finalmente l'aspetto di un piccolo razzo. La quarta sospensione cardanica, finalmente perfettamente funzionante, era di una precisione eccellente. L'elettronica non era per nulla stabile e precisa ma per alcuni secondi poteva funzionare e pilotare correttamente giroscopi e servomotori. Una mattina ebbi in mano Casimiro alimentato e mi accorsi che muoveva il motore in seguito alle rotazioni che impartivo, esattamente come volevo. Certo, non era preciso, non era veloce, non era affidabile, non era minimamente quello che serviva, ma muoveva il motore. Sapevo che l'elettronica analogica mi avrebbe procurato grattacapi ma in quel momento ero certo che valeva la pena proseguire. Casimiro avrebbe volato presto o tardi, possibilmente in agosto. Mi accorgevo di avere superato il punto di non ritorno e valeva la pena continuare il programma con la massima velocità.
Casimiro agosto 2004 con sistema di alettoni e boosters smontabili
Sistema inerziale per l'espulsione del paracadute
Inerzsens 3.1 montato su Casimiro per il suo primo volo
Mentre lo sviluppo del veicolo procedeva, naturalmente, così era anche per il progetto; e una notevole serie di idee veniva fissata sulla carta degli appunti. Un aspetto che notavo dall'inizio del programma era che il problema del ritorno a terra del veicolo, una volta per aria, era estremamente critico e di difficile risoluzione. Il motore Estes E9 nelle versioni con carica di espulsione non poteva su Casimiro operare l'apertura del paracadute perchè il motore non sarebbe stato in alcun modo collegato con la sezione paracadute e invece racchiuso in un tubo portamotore cieco, che doveva ruotare in tutte le direzioni. Tanto valeva pensare quindi a un Estes E9-P. Però il paracadute doveva essere assolutamente estratto e anche io, come scrive Jim McFarland sul suo sito, pensai ovviamente a un piccolo timer. Infinite simulazioni fatte su carta (perchè tanto i software per modellisti sono del tutto inutili per questi veicoli sperimentali e bisogna invece usare semplici calcoli di massima che si affinano nel corso del tempo) mi facevano capire che nel caso di un lancio perfetto il veicolo avrebbe potuto arrivare, con estrema lentezza, a un apogeo di venti-venticinque metri. Il motore Estes E9 sarebbe stato usato del tutto al di fuori dei canoni "ortodossi" dal modellismo, che dicono che la spinta media del motore (in questo caso 9 Newton) deve essere circa quattro o cinque volte il peso totale del veicolo (cioè circa duecento grammi). Casimiro avrebbe potuto pesare, teoricamente, circa ottocento grammi e più. Di conseguenza avrei ottenuto un volo molto lento, con bassissima accelerazione e con una velocità finale al burnout estremamente bassa, di pochi metri al secondo, con i quali il veicolo avrebbe proseguito per nerzia di pochissimi altri metri. In caso di volo poco controllato e nel caso peggiore di traiettoria, il veicolo avrebbe potuto percorrere, in orizzontale, circa venticinque metri al massimo con un apogeo di circa dodici. In caso di volo senza controllo, il veicolo avrebbe raggiunto altezze e distanze intermedie, ma le rotazioni sarebbero state problematiche e sarebbe stato impossibile salvare il veicolo da un rovinoso atterraggio. Ma anche in caso di volo regolare nessun altimetro commerciale sarebbe mai servito allo scopo di estrarre il paracadute perché tutti i dispositivi commerciali hanno bisogno di avvertire quote e accelerazioni tipiche del veicolo RM per funzionare correttamente, salvo il fatto che spesso sono realmente poco affidabili di per se stessi. Un piccolo timer avrebbe dovuto essere tarato esattamente a 2,5 secondi, vale a dire leggermente meno della durata della spinta del motore, per tener conto del ritardo dell'accensione della carica di deploy. In ogni caso era chiaro che il volo sarebbe stato assolutamente critico e l'espulsione avrebbe potuto benissimo essere inutile se il veicolo fosse a quel momento già a terra. Comunque, era l'unica via percorribile e cominciai a preparare il timer. Senonchè, proprio in quel tempo, stavo lavorando a un piccolo dispositivo che mi aveva chiesto l'amico-collega Riccardo P. Stavamo discutendo di un razzo a due stadi da realizzare con le sue tecniche di lavorazione del carbonio da motorizzare con piccoli motori. Sviluppai in breve tempo un sistema elettromeccanico che costituiva un sensore inerziale per l'attivazione di un accenditore in seguito a una variazione di accelerazione. Il dispositivo fu provato dal vero sull'Iris in compositi di Riccardo P. e funzionò bene.
Il dispositivo che avevo ideato e costruito per Riccardo nasceva da una richiesta ben precisa. Un ipotetico veicolo bistadio, costruito in materiali compositi e dotato di piccoli motori, doveva raggiungere quote elevate in virtù della costruzione sopraffina, di cui è esponente sopraffino proprio Riccardo. Allo scopo di massimizzare la quota, è importante che il secondo stadio si accenda quando il primo stadio ha appena cessato di funzionare. All'epoca non esistevano dispositivi commerciali dotati di accelerometri e un normale altimetro serviva poco per questo scopo. Utilizzare la tecnica dei motori sovrapposti implicava il disegno di un veicolo piuttosto convenzionale e Riccardo voleva invece realizzare un veicolo del tutto originale, dove il motore del secondo stadio fosse posto magari a notevole distanza e magari non in comunicazione con quello del primo stadio (accensione causata dalla carica del primo stadio impossibile). Pensai quindi che nel volo di un simile modello, ciò che succedeva al momento del burnout, vale a dire lo spegnimento del motore del primo stadio, era una notevole decelerazione causata dall'attrito dell'aria sul veicolo in velocità, producendo un'accelerazione negativa. Questo transitorio violento era certamente in grado di spostare dalla posizione di riposo, bassa e causata dalla gravità a motore spento e vieppiù confermata dall'aumento di accelerazione prodotta dal motore durante il suo funzionamento, di una levetta metallica che poteva chiudere un contatto quando in posizione sollevata. Una breve serie di esperimenti meccanici portarono all'ideazione di un piccolo aggeggio elettromeccanico a cui aggiunsi un relè per costituire un semplice circuito antirimbalzo e una maggiore sicurezza di contatto. Poi sostituii il contatto della levtta con un relè Reed che dava il vantaggio di non soffrire di polvere e ossidazioni. Il terzo esemplare della catena di sviluppo fu quello che sperimentammo sul campo. Semplice, affidabile e... inerziale, alla faccia di chi nell'organo comunicativo dei giocosi modellisti era convinto (e lo strillava) che non potesse funzionare. Quel dispositivo face tanta strada e divenne il gioiellino che aprì il paracadute di Casimiro in entrambi i voli (in due diverse versioni) e lo farà ancora su altri veicoli futuri.
Primo dispositivo inerziale Criscaso per l'accensione di un motore per secondo stadio su modelli di razzo convenzionali - idee di partenza
Prototipo sensore inerziale 2.2 - 2003
Questo dispositivo era pensato per attivare un accenditore in seguito a una variazione di accelerazione e avevo pensato, naturalmente, che la stessa cosa poteva essere utile per Casimiro. Infatti, considerando un ipotetico volo ideale, Casimiro si sarebbe trovato, dopo tre secondi dal decollo, lentissimo e a una quota irrisoria e da lì avrebbe cominciato a cadere. Questi aspetti mi hanno sempre affascinato e ho sempre visto potenzialità di studio con i modelli di razzo e in special modo per le brevissime condizioni di "microgravità" relativamente all'interno del veicolo quando esso si trovi nelle immediate vicinanze dell'apogeo. In questi momenti, infatti, il veicolo è pressochè istantaneamente fermo a mezz'aria e quindi al suo interno vi è condizione di zero g. Vale a dire che un accelerometro posto al suo interno, fissato al telaio della capsula, misurerebbe accelerazione zero. Ma iniziando la caduta e cominciando ad acquistare velocità, questo ipotetico accelerometro misurerebbe, per effetto dell'attrito con l'aria che frena l'oggetto in caduta vieppiù con l'aumentare della velocità, un continuo aumento del valore di accelerazione da zero. Alla velocità terminale, vale a dire quando l'oggetto in caduta non accelera più perchè l'attrito compensa l'ulteriore aumento di velocità, si ottiene nuovamente il valore di 1 g, corrispondente a quello del suolo. Questi affascinanti aspetti scientifici sono oggi studiati nel programma Cansat. Devo dire che sono mooolto critico su come il Cansat è stato realizzato in Italia dopo la prima partecipazione del liceo Tassoni di Modena alla competizione ESA. E' diventata, ovviamente, una cosa all'italiana, del tutto priva di contenuto didattico-tecnologico-scientifico. Ma non voglio affrontare qui questo argomento.
Proseguiamo...
Sensore inerziale per l'accensione di stadio superiore - versione 2.3 2003 per Riccardo P. su telaio per l'IRIS in compositi di Riccardo. In alto il segnalatore di accensione, costituito da un cannoncino a polvere.
Sistema inerziale elettromeccanico per l'espulsione del paracadute su Casimiro - secondo grado di affidabilità (ridondanza)
Per realizzare un semplice sistema inerziale di deploy basta così misurare una differenza di accelerazione, definendo cioè un valore di "soglia" o di "attenzione", al di sopra e al di sotto del quale il sistema attua un differente comportamento. Vale a dire attiva o meno un interruttore che potrà dare tensione a un accenditore. Questo valore di soglia è definito, almeno per il tipo di dispositivo che mi occorreva, specificatamente pensato per il veicolo che stava nascendo, dotato di ben precise caratteristiche di volo, il livello di gravità terrestre. L'aspetto che può discriminare la condizione di volo sotto propulsione da quella di veicolo in caduta è essenzialmente, nel caso di Casimiro che vola molto lentamente e raggiunge quote modestissime, la caduta del livello di accelerazione positiva a seguito del burnout del motore. Questo, però, in condizioni di volo ideale verticale. Sapendo che prima del decollo il veicolo è sottoposto all'accelerazione di gravità, e che il livello positivo di questa accelerazione è destinato ad aumentare al decollo per via dell'accelerazione fornita dal motore, possiamo considerare che il livello di accelerazione aumenti di alcuni g o frazioni di g fintantochè il motore fornisce spinta. Al momento del burnout, che avviene teoricamente a una quota di circa venti-quaranta metri (a seconda del tipo di motore impiegato), si avverte una diminuzione dell'accelerazione, e non è detto che ciò succeda per l'effetto aerodinamico se il veicolo vola a pochi metri al secondo. Potrebbe essere semplicemente che l'accelerazione diminuisca al di sotto di un g perchè nel giro di un secondo il veicolo è già fermo all'apogeo: in questo momento, ovviamente, il sensore deve avvertire una condizione di g minore di uno! Questo è quanto fa, dopo un paziente lavoro di affinamento e sviluppo, il mio piccolo sensore accelerometrico elettromeccanico.
Il sensore di accelerazione è semplicissimo. Si tratta di una levetta fulcrata (Fulcro=F) molto vicino a un'estremità (A) e dotata di una piccola massa all'altra estremità (B). Libera di ruotare verso l'alto su un solo piano in F per pochi gradi poichè è bloccata superiormente a pochi millimetri, si trova a riposo in posizione orizzontale sul telaio di supporto che contiene anche la sezione elettrica. La massa posta in B è dotata di un microscopico magnete che a riposo si trova vicino a un'ampolla REED. Questo microcontatto serve a stabilire la condizione di "chiuso" nel circuito di un piccolissimo relè a 6V, dal modestissimo consumo di corrente, dotato di due scambi. Uno scambio viene utilizzato come circuito di autochiusura del relè, mentre l'altro serve, quando il relè scatta in OFF, a chiudere il circuito di alimentazione dell'accenditore della carica di deploy. Un sistema di chiavi poste sulla scheda del sensore permette di includere due sistemi di sicurezza per il sensore, che può essere quindi "maneggiato" in rampa pur non accendendo la carica di deploy inavvertitamente.
La leva rimane in posizione orizzontale quando il veicolo è fermo sulla rampa di lancio in attesa del decollo, e ovviamente rimarrà orizzontalmente per tutto il tempo in cui il veicolo sarà sottoposto alla spinta del motore, che fornirà ulteriore accelerazione positiva. Assumendo che il veicolo, pesante e dotato di un motore estremamente poco potente, sommi una sola frazione di g durante il volo sotto propulsione, è evidente che raggiungerà quota e velocità infime, probabilmente critiche per la salvezza del veicolo dalla caduta. In particolare, la debolissima accelerazione non consentirà l'accumulo di una velocità tale da produrre, al momento del burnout, l'insorgere di una accelerazione negativa, vale a dire minore della condizione di 1g. Quindi al momento del raggiungimento dell'apogeo, a soli venti-quaranta metri da terra, la reale condizione di zero g sarà probabilmente l'unica avvertibile per un breve istante, dopodichè il veicolo assumerà, cadendo, una posizione imprevedibile. Abbiamo probabilmente un solo secondo di tempo per avvertire la condizione di apogeo e veicolo in zero g, vale a dire mezzo secondo del volo ascensionale e mezzo secondo della ridiscesa, durante il quale il sensore deve fornire il segnale di caduta. Se il sensore non agisce in questo breve tempo non possiamo poi attenderci che il veicolo cada con l'ogiva puntata a terra e produca un'accelerazione negativa, anche perchè per fare ciò potrebbe non esserci abbastanza spazio (il suolo è molto vicino!).
Ancora, che dire se il veicolo, una volta decollato, perde l'assetto e comincia a ruotare, dato che non possiede alettoni ed è lentissimo? In questo caso l'apertura immediata del paracadute servirebbe quantomeno a frenare le rotazioni e a rallentare il più possibile la caduta.
Occorre quindi rendere il sensore maggiormente sensibile all'accelerazione. Ma non troppo. Per Casimiro ho pensato che la soglia di "attenzione" poteva essere di un valore esattamente della metà dell'accelerazione di gravità terrestre. In tal modo la levetta del sensore rimane efficace sia in condizione di riposo del veicolo a terra prima del decollo, sia durante il volo sotto propulsione. Non appena però il burnout del motore si effettua, il veicolo potrebbe anche essere sottoposto a valori di g di poco inferiori a 1, ma certamente lo sarà all'apogeo. Se il sensore viene meccanicamente tarato, mediante l'applicazione di una molla posta in A, per far sì che a metà di 1g sia già libera di fluttuare priva di peso, otteniamo quello che ci occorre. La leva si sposterà verso l'alto molto probabilmente in prossimità dell'apogeo e allontanerà il magnete dall'ampolla REED. Il circuito del relè tornerà a riposo e non consumerà più corrente, mentre l'altro deviatore del relè si troverà in posizione di chiuso e fornirà tutta la corrente della minuscola batteria all'accenditore del relè. Il sensore funziona così in condizioni di attivato per tutto il tempo dell'attesa del decollo e del volo, e tornerà a completo riposo esattamente al momento di fornire la corrente all'accenditore. Considerando l'imprecisione del momento di zero g, il tempo di disattivazione del relè e il tempo di attivazione dell'accenditore del deploy, notiamo che abbiamo tra mezzo secondo e un secondo di ritardo con cui il veicolo potrà espellere il paracadute. Tale ritardo è non solo inevitabile con un simile sistema, ma utilissimo poichè consente di sfruttare il moto verticale inerziale del veicolo verso l'alto. Ciò in caso di volo regolare e ideale.
Tarando il sensore per mezzo g si ottiene anche il secondo grado di sicurezza, vale a dire che possiamo attenderci che il sistema si attivi anche in caso di incontrollata rotazione del veicolo a seguito di perdita di controllo. Le forze verticali che si producono all'interno del veicolo in caso di rotazione sono sufficienti a produrre il sollevamento della levetta del sensore e quindi di attivare il deploy.
Il dispositivo fu realizzato, come ho appena detto, in diverse versioni successive, che furono oggetto di prove estremamente bizzarre e talvolta divertenti. In alcuni casi lo avevo in mano e... mi buttavo giù da una sedia per osservare da vicino come si comportava. Quando fui certo che era in grado di discriminare le diverse condizioni di accelerazioni e di attivare accenditori Estes mi spinsi a pensare che il piccolo dispositivo sarebbe diventato il sistema più importante del veicolo. Incredibile, pensavo: realizzo un missile unico al mondo e per salvarlo dalla caduta senza paracadute lo affido a un aggeggio elettromeccanico ideato e costruito da me medesimo! Un aggeggio elettromeccanico molto ma molto più umile e semplice dei dispositivi commerciali! Ma pensato e realizzato sfruttando le mie esperienze meccaniche che lo rendevano efficace e molto più affidabile di quei costosissimi e capricciosi altimetri, che quando non funzionano la colpa è sempre e solo tua e il fabbricante tira fuori il fatto che nelle decine di prove il tuo "piccolo inconveniente", che ti è costato il modello costosissimo, "non si è mai verificato". Risate... perlomeno gli stessi rischi con il mio apparecchio sono da considerarsi parte integrante del rischio insito nella sperimentazione totale e libera. Il rischio mi sembrava piuttosto grande ma anche, contemporaneamente, molto minore di quello che avrei affrontato con un volgare timer.
Quindi ottenni un fenomenale risultato, che consisteva di un doppio fattore di sicurezza per il veicolo. Il sistema era efficace sia per accelerazioni longitudinali, sia per le rotazioni dell'intero veicolo in caso di perdita di controllo. In caso di volo fuori controllo, il deploy sarebbe avvenuto ugualmente, rallentando così sia le rotazioni incontrollate, sia la caduta regolare. Nessun dispositivo commerciale avrebbe mai potuto fare così tanto con così poco e a simili condizioni di velocità e quota. Questo sistema elettromeccanico mi è costato decine di ore di prove su tre diversi esemplari successivi. Ed è talmente efficace che può essere sviluppato, aggiungendo un secondo sensore, un paio di circuiti logici e una serie di altre ampolle REED poste in diverse posizioni, per essere funzionante ed efficace anche su veicoli più potenti e che raggiungono accelerazioni più alte in entrambi i sensi.
Molto spesso la meccanica è in grado di fare quello che fa l'elettronica più sofisticata... si tratta, ovviamente, di "programmare" anche in meccanica.
Modifiche e sviluppo del veicolo - vantaggi della costruzione modulare smontabile
Mi resi conto che il tempo correva, agli inizi di luglio, quando ebbi pronto il sistema inerziale per il deploy; era ormai il terzo esemplare e lo montai velocemente all'interno del veicolo. Una cosa molto vantaggiosa della costruzione modulare-smontabile (che ho spiegato in un articolo scritto insieme all'amico-collega Riccardo P. sulla rivista Sport Rocketry nel 2006 e che spiegherò brevemente in altre pagine del mio sito prossimamente) è che posso operare continue modifiche a un veicolo senza dover tagliare pezzi di cartone incollati e senza incollarne nuovamente degli altri. Un componente nuovo deve essere inserito? Bene, si smonta la porzione del veicolo interessata e si estrae il frame interno, se esistente. O lo si costruisce se necessario. E si costruisce il supporto mancante o si estrae quello esistente che non va più bene per il nuovo elemento e se ne applica un altro. E si aggiunge questo e quello o si toglie quell'altro, si spostano batterie, componenti e cavi e filature. Nessun problema, tutto ciò che serve può essere fatto. Ogni volta il veicolo è nuovamente pronto e funzionante e si può procedere a test e prove. E di conseguenza si può modificare nuovamente il veicolo se i test hanno dato indicazioni su modifiche opportune. Un razzo costruito secondo i canoni del modellismo sarebbe del tutto inutile e andrebbe rifatto daccapo ogni volta: forse è ANCHE per questo che i modellisti non studiano mai nulla di complicato e non affrontano progetti sofiisticati... si accontentano di aumentare dimensioni, pesi, e potenze. Con il risultato che a un bel momento il loro modello è talmente grosso e pericoloso che bisogna impazzire per trovare dove lanciarlo. Casimiro poteva essere lanciato anche dietro casa mia!
Impianto elettrico - alimentazione sistemi
In luglio 2004 dovetti decidermi a preparare un sistema di gestione dell'alimentazione elettrica. Avevo infatti diversi sistemi elettronici che richiedevano diverse alimentazioni. I giroscopi funzionavano con tensioni tra i 4,5V e o 6V, il circuito di controllo servo però funzionava con 12V e il sensore di deploy Criscaso doveva essere reso indipendente con una terza batteria. Così approntai un veloce e rozzo pannello che recava attacchi elettrici per l'accensione dei sistemi e perl'applicazione della chiavetta di sicurezza del sensore inerziale. In modo tale che potessi preparare il veicolo con le batterie nuove e ricaricate, chiuderlo e posarlo sulla rampa di lancio e attivare solo all'ultimo momento i sistemi. Questo perchè le batterie erano le più piccole possibili e separate per singolo sistema. A questo punto un intelligente ricercatore potrebbe chiedersi (magari potrebbe anche chiedermelo, ma finora nessun italiano lo ha fatto, chissà come mai!) perchè abbia usato diverse piccole batterie e un sistema così complicato per attivare i sistemi. Non voglio qui rispondere a questo quesito... anche perchè lo sto ponendo IO e io ne conosco le risposte (tantissime, tutte giuste). Naturalmente, la gestione energetica di un veicolo come questo è affrontabile anche con un solo accumulatore e un sistema di distribuzione dell'energia: si tratta solo di affrontare una specie di "bilancio" relativo a pesi e potenze in gioco. Il bello è che ogni sperimentatore può decidere soluzioni del tutto diverse e ottenere comunque dei risultati. Il segreto della sperimentazione è che si inventano cose nuove, cose che non si troveranno MAI sui libri. Gli sperimentatori sono peraltro anche molto socievoli e riescono a scambiare dati e impressioni quando sanno di trovarsi di fronte ad altre persone della stessa "pasta", che trattano da colleghi e non già da "vili meccanici" come invece sono soliti fare i GRM (=Grandi RazziModellisti) che hanno tutti l'aria di chi sa tutto su tutto lo spazio e su come arrivarci e poi magari in pubblico parlano di differenze tra vettori spaziali e vettori interplanetari... Dite che sto esagerando? Macchè... è successo veramente, e ce ne sono ancora le tracce pubbliche!
Per quanto riguarda l'impianto elettrico, e naturalmente anche per le strutture, e per alcuni sistemi elettronici, chi sperimenta nel mondo dei piccoli razzi potrebbe davvero scrivere un manuale del tutto nuovo ed originale, con decine e decine di soluzioni tecniche del tutto originali. Peccato che noi sperimentatori siamo notoriamente scostanti e privi della capacità di scrivere.
Test statici del veicolo su rampa - ideazione di sospensione cardanica per simulazione del volo
Ma torniamo a bomba... Mi serviva un telaio di supporto per Casimiro, fissato alla pesante rampa di lancio smontabile, che lo lasciasse libero di ruotare su due assi. Insomma, dovetti pensare a una sospensione cardanica per l'intero veicolo! Il veicolo avrebbe quindi, una volta acceso il motore, prodotto oscillazioni e il sistema di guida avrebbe dovuto correggerle. Anzi, a dire la verità pensavo che sarei stato io a dare delle perturbazioni al veicolo per osservare, mediante telecamerina, se il motore venisse orientato per correggere le deviazioni. Adesso non intendo anche scrivere un saggio sull'errore di eccesso o difetto di correzione e sull'insorgenza di autooscillazioni in sistemi chiusi.
L'ambizioso programma fu messo in cantiere e cominciai a costruire un telaio da applicare alla mia pesantissima rampa di lancio in acciaio. Mi resi conto presto però che questa meccanica sarebbe stata molto complicata e mi avrebbe richiesto moltissimo tempo prima di essere funzionante e affidabile. Così ne realizzai solo metà. In pratica il veicolo sarebbe stato fissato, in posizione baricentrica, a una sorta di morsa realizzata con tubi di cartoncino per razzi, dotata di due alberi centrali che entravano in due fori in blocchi di legno fissati al telaio di supporto. Il tutto fissato sulla mia pesante rampa. Il veicolo avrebbe così avuto due soli gradi di libertà su un solo asse. Per testare il veicolo sarebbe stato necessario provare un'accensione e osservare il funzionamento del sistema relativamente a un giroscopio, un servo e uno solo degli anelli della sospensione di Casimiro. Poi, ruotando il veicolo sull'asse di rollio di 90 gradi, ripetere la cosa. Non troppo sofisticato, ma perlomeno fattibile, forse con una serie di tre o quattro test in tutto.
Casimiro sulla sospensione cardanica a un solo asse sulla rampa criscaso 2002.
Il telaio fu pronto solo il 15 agosto. Le mie ferie finivano di lì a sei giorni. Il pomeriggio del quindici il mio "vecchio" collaboratore Jaegermeister Gabriele passò per casa mia e lo agguantai. Agguantai anche la mia vecchia centralina di accensione Policarpo, una macchina fotografica, un registratore e piazzai il tutto. Feci un breve addestramento a Jaegermeister e mio papà osservava stranito quello che stavo combinando nel suo giardino. Avevo posto Casimiro sul telaio fissato alla mia rampa pesantissima e posi il tutto in mezzo agli alberi da frutto. La vicina di casa passò senza far troppo caso e fui certo che non mi avrebbe dato problemi.
Casimiro inclinato sulla rampa di lancio pareva pronto a prendere le vie del cielo, ma sapevo che il peso della rampa e la robustezza del telaio di supporto erano più che sufficienti a impedire qualsiasi volo incontrollato.
Particolari della sospensione cardanica per il veicolo su rampa fissa
Test di accensione motore con veicolo su rampa - osservazioni, imprevisti, accidenti vari
Per il primo test il veicolo fu lasciato del tutto spento. Un motore Estes E9-5 fu installato nel portamotore e un accenditore inserito. Jaegermeister fece il count down dopo che io diedi l'ok perchè avevo avviato la fotocamera per filmare il test. Il motore si accese regolarmente e Casimiro rimase fermo rocciosamente. Non si osservò la minima oscillazione del veicolo, il che mi fece soprattutto considerare che la sospensione cardanica di Casimiro era eccellentemente centrata e precisa, mentre quella che teneva fissato l'intero veicolo era abbastanza frizionata per assorbire le piccole imperfezioni della spinta prodotta dal motore. Il motore fu espulso teatralmente dal supporto motore alla fine del periodo di delay. La fumata bianca si dileguò in pochi secondi. Non molto spettacolare, ma perlomeno si certificava che la sospensione cardanica sopportava le sollecitazioni prodotte dal motore e funzionava ancora, dopo il burnout, esattamente come prima.
Test accensione 1
Casimiro fu lasciato fissato al telaio ed estrassi il motore dopo qualche minuto di raffreddamento. Esaminai la meccanica e non notai il minimo segno di danno. Attivai i sistemi e verificai che la sospensione eseguiva i regolari movimenti dettati dal programma di reset dei giroscopi. La sospensione si arrestò in una posizione non centrata per via dell'instabilità termica dell'elettronica analogica e mi ripromisi di regolare la posizione. Spensi tutti i sistemi. Smontai la sospensione della rampa ed estrassi il veicolo. Separai i due segmenti di fusoliera ed estrassi il telaio interno di supporto dell'elettronica quel tanto che bastava a permettermi di raggiungere i micropotenziometri e riattivai i sistemi. Dopo il reset, regolai la posizione di zero della sospensione cardanica per ottenere l'allineamento del motore verso l'asse longitudinale del veicolo. Rimontai il veicolo e lo fissai nuovamente sulla sospensione della rampa. L'operazione richiese in totale circa mezz'ora.
Casimiro fu pronto al secondo test circa un'ora dopo il primo. Jaegermeister fu pronto dopo un bicchiere di lambrusco che mio papà aveva prontamente preparato sul tavolino dietro casa. Attesi che i due fossero nuovamente... attenti e concentrati e ripreparai il veicolo. Attivai i sistemi e diressi le operazioni di accensione come prima. Mi appostai in una posizione diversa da quella di prima con la fotocamera e avviai la registrazione del filmato. Jaegermeister al mio cenno iniziò il count down ma improvvisamente la macchina fotografica si spense. Urlai STOP a Jaegermeister e sospendemmo il test. Corsi in casa a sostituire le batterie della mia fotocamera e non pensai di spegnere Casimiro, che attendeva con i gyro, il sistema di controllo e i servo alimentati . Riaccesi la fotocamera e riniziammo la procedura. Jaegermeister attivò la chiavetta di sicurezza, fece il count down e pigiò il pulsante di start. Il motore di Casimiro prese vita e stavo filmando regolarmente. Mi accorsi subito che la fiamma del motore non era allineata con il veicolo. Per colpa del tempo trascorso tra l'attivazione dei sistemi e l'accensione del motore l'elettronica analogica aveva modificato i segnali dati ai giroscopi e la sospensione cardanica era disallineata di un paio di gradi. ma in una direzione per la quale il singolo asse di libertà della sospensione cardanica del veicolo non poteva essere sufficientemente disturbato e Casimiro non produsse il minimo movimento nè la sospensione corresse alcun movimento. Il motore fu mantenuto rocciosamente fermo nonostante le vibrazioni da esso prodotte; devo ritenere, tuttavia, che il motore producesse lievi irregolarità di spinta, soprattutto longitudinali, ma certamente anche laterali, senza dubbio. Il fissaggio del veicolo in posizione baricentrica ha inficiato notevolmente la possibilità di osservare deviazioni e ritengo oggi, ripensando ai fatti e alla luce di quanto ho successivamente studiato, che un simile sistema di test potrebbe essere più efficace e produttivo montando il veicolo in prova su uno stand fulcrato in posizione più alta e mantenendolo centrato a mezzo di molle antagoniste. Implementando sul veicolo un segnalatore a bandiera posto su una coppia di sensori ottici, sarebbe facilissimo ottenere sensibilissime misurazioni delle perturbazioni e delle correzioni. Non so se sono stato chiaro, ma magari più avanti e su altra pagina illustrerò quanto sto dicendo. Esistono svariati modi per ottenere informazioni, basta avere il tempo necessario per predisporre le attrezzature e costruire i sistemi di misura. Lo sperimentatore non deve solo costruire il veicolo sperimentale... no, deve anche costruire attrezzature, strumenti di misura, apparecchiature di supporto e tante altre cose.
Test accensione 2
Test di deploy dal vero - sensore inerziale criscaso utilizzato come da progetto - annotazioni
I tre giorni seguenti servirono per rimontare il sensore di deploy, rifare le tabelle cronologiche, smontare l'accumulatore di alimentazione dei servo per sostituirlo con il secondo identico e per testare il deploy a terra. Il sensore fu provato dal vero a terra con mezzo veicolo, dato che la sezione motori non serviva allo scopo. I due test furono soddisfacenti, sebbene nel primo non ottenni l'espulsione. Nel secondo, utilizzando un diverso modo di preparare il generatore di gas svizzero, tutto andò bene, talmente bene che il paracadute giallo riportò anche una leggera bruciatura. Annotai tutto quello che avevo fatto, compresi gli errori di procedura, e decisi che il sensore, il generatore di gas, il paracadute e il nose-cone erano adeguati al volo. Cosi smontai e ripulii il Safe-Eject e lo preparai per funzionare dal vero. La sezione superiore di Casimiro fu dichiarata pronta al volo, anche se naturalmente i dubbi erano moltissimi e avrei voluto/dovuto fare altri numerosi test. Insomma, era arrivata l'ora di rischiare... anche perchè in molti programmi innovativi l'importante è provare piuttosto che continuamente riprogettare per migliorare.
Fondo sezione paracadute con generatore di gas per deploy (Safe Eject) e connessioni elettriche.
Primo volo, 19 agosto 2004 - problema del campo di lancio risolto brillantemente - volo apparentemente fallito
Il diciannove agosto ruppi gli indugi e non procedetti ad altri test statici, come avevo pensato. Radunai la mia squadra di collaboratori (Barbara, Mario, Rossana e Giovanni) a cui dissi che avremmo occupato il campetto che avevo adocchiato qualche giorno prima durante i miei lunghi giri in bicicletta. Un pezzetto di golena a Po, a due chilometri di distanza da casa, era del tutto privo di colture e senza alberi vicino. Mi fu fatto notare che non conoscevamo il proprietario e mio papà si offerse di andare al bar a cercarlo. Ottima pensata, ma le cose così si allungavano e non volevo perdere altro tempo. Decisi invece di occupare il piccolo campetto arato dei nonni, che in quel momento era parimenti sgombro. Nessuno ci avrebbe dato fastidio nè l'autorità di pubblica sicurezza avrebbe potuto darci noie, dato che il terreno era di proprietà di un parente che me ne dava la disponibilità. Massima tranquillità anche in questo.
Manca poco al
lancio e... cosa diamine c'è di più interessante da guardare laggiù?
Trasportammo veicolo e attrezzature verso sera, intorno alle diciotto e trenta, nel piccolo campo arato. La rampa fu posta in un posto impervio ma stabilizzata. Le livelle indicavano duscreta orizzontalità del pad. Preparai Casimiro mentre Mario LCO preparava la centralina e il relativo cavo. Gli altri tre erano fotografi e documentavano tutte le operazioni.
Una serata estremamente ventosa era quella del diciannove agosto. Piuttosto strano per la bassa mantovana e per un cielo tutto sommato sereno. Non troppo caldo, e Casimiro risentiva evidentemente degli sbalzi termici: i sistemi funzionavano bene ma la sospensione cardanica si spostava lentamente in pochi secondi. Posai il missile sulla pad senza il minimo aiuto di un'asta e attesi il momento migliore. Raffiche di vento arrivavano a creare pericolo di ribaltamento di Casimiro, e il sistema di antiurto non era in grado di tenerlo ben saldo in posizione verticale. Avevo anche il pensiero della batteria del sensore inerziale che aveva una durata di pochi minuti e in attesa di un momento senza vento spensi tutti i sistemi. Li riaccesi di lì a poco e verificai che il motore era leggermente fuori asse. Spensi nuovamente tutto, smontai la parte superiore e riaccesi per riallineare. Richiusi e posai nuovamente Casimiro sulla rampa. Nuove raffiche di vento mi fecero aspettare e a un bel momento sembrò che il vento calasse. Avemmo un momento di calma e urlai a tutti di far correre le macchine fotografiche e a Mario di dare il via al lancio. Mario fece il count down e premette il pulsante.
Fotogrammi
dalla fotocamera di Giovanni B.
Casimiro accese il motore e decollò lentamente, producendosi in un volo apparentemente faticoso, lento e curvo. Nulla di simile ai tipici voli di razzomodelli. Una parabola che lo portò sopra di me a circa venti metri di quota per poi proseguire a testa in giù a motore ancora acceso. Non appena il motore si spense, sentimmo il "bum" della carica di deploy e alla quota di circa otto-nove metri il paracadute fu aperto. Casimiro atterrò proprio dentro al fosso, pieno di sterpaglie e asciutto, a circa venticinque metri di distanza dalla rampa di lancio. Ero piuttosto vicino e scesi nel fosso. Trovai Casimiro steso su un letto di sterpaglie e come lo toccai avvertii i motori azionarsi e muovere la sospensione cardanica. La meccanica reagiva a tutti i movimenti che impartivo al veicolo. Il leggero traliccio di bambù che costituiva il piede di appoggio e il paraurti per il motore era spezzato in due punti ma la meccanica non aveva il minimo danno. Il paracadute era perfettamente aperto e non si notavano ulteriori danni rispetto a quelli sofferti nei test fatti nei giorni precedenti. Risalii il fosso con Casimiro in mano e i ragazzi mi si avvicinarono per vedere. Tutti avevano da raccontare quanto avevano visto e i registratori che porto sempre con me fissarono le utilissime prime impressioni. Smontai la sezione superiore di Casimiro e spensi i sistemi.
Dati e impressioni del primo volo - raccolta, studio e analisi dei dati, ideazione di modifiche e aggiornamenti
Giovanni aveva filmato con la sua fotocamera e mi fece vedere il volo. In un primo momento ero piuttosto deluso dal volo che ritenevo poco significativo. Però avevo capito che il veicolo era del tutto salvo, che tutti i sistemi avevano funzionato e che le condizioni termiche avevano influito molto sul comportamento del veicolo. Non potevo considerare questo volo come un fallimento perchè avevo innanzitutto notato che Casimiro aveva volato in maniera stabile, vale a dire senza rotazioni incontrollate. Il primo volo di un razzo con sistemi di stabilizzazione attiva era un fatto acquisito. La strada era ancora lunga ma sapevo già che molte cose potevano essere modificate.
La sera a casa analizzai tutte le foto digitali e il filmato, che visionammo decine di volte. Notammo due fatti essenziali. Primo, che subito dopo il decollo, il sistema di controllo aveva avvertito la rotazione e operato la correzione orientando correttamente il motore nel senso dovuto. Si notava infatti che durante le fasi iniziali del volo il veicolo, che aveva decollato palesemente inclinato di un paio di gradi appena lasciata la piattaforma, veniva leggermente raddrizzato dal motore che era visibilmente ruotato nella giusta direzione. Secondo, che il veicolo era decollato con il motore già disallineato. Vale a dire che la posizione di zero era andata persa durante l'attesa dopo l'attivazione e il motore forniva una spinta disassata, che aveva prodotto la parabola. Se il motore fosse stato perfettamente allineato il veicolo avrebbe volato verticalmente. Quindi entrambe le richieste di progetto erano state incontrate con successo. Il veicolo correggeva l'orientamento del motore in seguito alle perturbazioni e lo manteneva stabile.
Le correzioni immediate da apportare al veicolo erano, a quel punto, implementare un sistema di regolazione della posizione di zero del motore. E un sistema atto a misurare gli spostamenti. E, cosa ancora più importante, sostituire il sistema di controllo della sospensione cardanica con uno che non patisse gli effetti termici ambientali. Lì per lì avevo già un paio di idee correttive, ma certamente tutto richiedeva molto lavoro e molto tempo.
Nei giorni successivi, analizzando le foto, il filmato e osservando criticamente il veicolo, mi resi conto che il primo volo di Casimiro doveva essere considerato più come un discreto successo piuttosto che come un parziale fallimento. Il veicolo aveva operato molto ma molto similmente a quanto previsto, e tutti i sistemi avevano funzionato. In particolare il mio sensore inerziale aveva funzionato stupendamente e provveduto ad espellere il paracadute poco dopo l'apogeo, non appena il motore aveva cessato di funzionare. Questo dispositivo si rivelava un sottoprogramma di successo e meritevole di ulteriore sviluppo.
Il primo volo di Casimiro, ho detto poco sopra, poteva essere considerato un buon successo: il veicolo aveva volato con tutti i sistemi funzionanti e tutti i sistemi avevano operato come da richieste di progetto. Il veicolo non si era prodotto in rotazioni incontrollate su nessun asse, aveva guadagnato quota e aperto il paracadute poco dopo l'apogeo e il veicolo inerte era rimasto appeso correttamente al paracadute anche a pochissimi metri di quota, rallentando la caduta. La causa primaria del volo parabolico era stata individuata ed era persino teoricamente possibile, semplicemente regolando i sistemi, effettuare un nuovo volo dopo la sostituzione di motore e batterie. Il sistema di piedistallo e paraurti in elementi di bambù, spezzato in due punti, era vistosamente inadeguato alle necessità ma incollato poteva consentire un nuovo lancio in identiche condizioni. Un secondo volo effettuato con calma e con regolazione precisa appena prima dell'accensione del motore poteva con buone probabilità essere migliore del primo.
Questo, per la cronaca. Ma iniziava, da subito, il programma di sviluppo e modifica.
Analisi, modifiche, aggiornamenti, regolazioni, nuovi sistemi
Nei mesi successivi Casimiro a Milano fu sottoposto a un programma di modifiche che riassumo perchè non voglio elencarle tutte e 43. Alcune di esse sono minime e alcune, al momento del secondo volo, già obsolete o rese non necessarie o del tutto inefficaci.
Gli aspetti più importanti in cui si operarono modifiche sono:
- Sistema di controllo dell'allineamento.
- Modifiche nelle regolazioni meccaniche
- Costruzione di pannello di controllo dall'esterno
- Modifiche nell'impianto elettrico
- Variazione della distribuzione delle masse per spostamento di elementi interni
- Costruzione di sistema di piedistallo leggero con funzioni di paraurti per la meccanica
- Costruzione di sistema di protezione termica del paracadute
- Sviluppo sensore inerziale per maggiore precisione e sensibilità
- Implementazione di sistemi per misure elettriche e ricarica accumulatori
- Aumento dell'affidabilità dei sistemi per migliramento delle tecniche costruttive e di montaggio
- Ricerca, costruzione, sviluppo di sistema di controllo digitale per servomotori e giroscopi
- Miglioramento dei segnali elettrici ed elettronici mediante riprogettazione sistemi di alimentazione e connessioni
- Miglioramento dell'estetica per mezzo di finiture di qualità, verniciatura, applicazione adesivi e portello di accesso al vano elettronica
- Costruzione di interfaccia per la programmazione elettronica digitale dall'esterno
Le modifiche meccaniche si rivelarono minime. La sospensione cardanica Gimbal 4 si era rivelata assolutamente precisa e robusta e solamente i rapporti di trasmissione dei comandi degli attuatori furono modificati leggermente per testare diverse velocità di risposta e diversi angoli di movimento. Il sistema di controllo dell'allineamento fu pensato per consentire all'elettronica analogica di rimanere nel veicolo almeno fino al secondo volo. Consisteva di una coppia di microsensori che si attivavano qualora il motore uscisse di un grado dalla posizione di zero, attivando un cicalino di allarme. Per la posizione di zero un LED verde si accendeva in zona pannello, indicando così che su quell'asse la sospensione cardanica era OK. Il sistema era del tutto indipendente dagli altri e richiedeva un'altra batteria. Il sistema completo pesava circa trenta grammi.
Risolvere il problema del paraurti fu, tutto sommato, facile. La sezione motore di Casimiro era stata pensata, già quasi due anni prima, come un sistema passibile di essere utilizzato per diversi veicoli e costruito con elementi strutturali che potevano permettere anche l'applicazione di boosters laterali e anche di alettoni rimovibili, ambedue cose che si notano in alcune foto del 2004, quando pensavo che il veicolo potesse necessitare di ausilii sia nella propulsione sia nella stabilizzazione aerodinamica. Quattro colonnine di metallo sporgevano dalla sezione cilindrica e risultavano i punti di attacco strutturale adatti a un supporto per mantenere verticale il veicolo. Il sistema, realizzato con elementi di alluminio, ottone e vetronite e dotato di eleganti piedini di gomma con funzione di smorzamento vibrazioni e... antigraffio, era leggero e robustissimo.
Sistema di piedistallo e paraurti Casimiro 2005
Contemporaneamente, però, ricercavo nel web la collaborazione di un programmatore di microprocessori e cercavo una soluzione per migliorare l'affidabilità del circuito di controllo dei servo. Così trovai la collaborazione di Sergio F. di Roma, che mi fece avere un PIC programmato con un circuito di sua invenzione per i servomotori. Il PIC sarebbe stato impiegato in un circuito leggermente modificato per l'uso particolare dei servo di Casimiro. Il circuito di prova funzionò bene al primo colpo e così partì il programma di rinnovamento "digitale" di Casimiro. Conseguentemente anche l'impianto elettrico dovette essere rifatto completamente e alcune batterie spostate per permettermi di spostare i nuivi circuiti. Inoltre i lavori di verniciatura, implementazione del pannello, del portello di accesso richiudibile e il nuovo nose-cone portavano il peso totale a circa ottocentonovanta grammi. Il rapporto CG-CP era leggermente peggiorato nel senso che i due punti erano del tutto invertiti rispetto a un modello di razzo, seppur praticamente coincidenti, ma la cosa non mi preoccupava minimamente.
Controller digitale 2.1 FiserTek e adattatore per i sistemi inferiori
Pannello 2 e on analogica 2005 (foto cronologicamente di epoca precedente alla foto immediatamente sopra)
Pannello di fusoliera richiudibile, pannello di controllo e attacco interfaccia di programmazione servo (elettronica digitale)
Controller digitale Fisertek montata su telaio interno. Modifica dei circuiti elettrici di segnale e potenza.
La verniciatura fu eseguita su suggerimenti di Riccardo P. e costò uno sproposito di ore! Ma risultò essere la migliore verniciatura mai eseguita su un missile criscaso!
Ultima modifica fu quella di optare l'esclusione del segmento di fusoliera destinata al paracadute con pistone per la salvaguardia del paracadute dai gas di combustione. Recuperai il tubo originale del primo volo, piuttosto sofferente per le tante prove di deploy e per il primo volo, ma sicuramente in grado di sopportare ancora almeno UN deploy. Questa piccola modifica fece perdere al veicolo settanta grammi di peso.
Un discorso a parte per il sistema inerziale criscaso. Il dispositivo che tanto bene aveva funzionato nel primo volo era stato sostituito da uno completamente nuovo. Identico nella circuiteria, ma modificato nella meccanica. La leva del sensore era fulcrata su un microscopico cuscinetto a sfera ricavato da uno stupendo hard disk degli anni Ottanta. Un vero microgioiello, che rendeva il sensore estremamente preciso nel funzionamento su un solo asse e lo rendeva del tutto inattaccabile alle vibrazioni sugli altri assi. Un relè da soli quindici milliAmpere rendeva il dispositivo più affidabile nel tempo perchè richiedente meno corrente dalla batteria. Ciò permetteva di allungare la finestra di lancio, dato che era proprio questo sistema a dettare il periodo finale di soli cinque minuti.
Inerzsens 3.1 e 3.2. Entrambi "volati" con Casimiro.
Le modifiche terminarono a fine giugno 2005. Durante i dieci mesi di lavoro centinaia di pagine di appunti, di osservazioni e di annotazioni resero possibile credere che Casimiro fosse diventato un veicolo del tutto nuovo. Inoltre mi resi conto che un identico veicolo, realizzato con tubi in materiali compositi e migliorando ogni singolo elemento, avrebbe potuto essere costruito per pesare meno di seicentocinquanta grammi, almeno a livello teorico.
Sezione inferiore di Casimiro, il giorno 14 agosto 2005 (vigilia di lancio). Notare i cavetti esterni di segnale del sensore di controllo di posizione del motore, fissati all'esterno della fusoliera.
In luglio Casimiro non fu toccato, se non per... lustrarmi gli occhi! Intanto lavoravo alle tabelle e accumulavo ricambi e consumabili. Ma nello stesso tempo alcune soluzioni che erano state fissate nei libri degli appunti cominciavano a essere sperimentate dal vero. Un nuovo sistema di controllo digitale era stato prodotto dall'amico-collega Adriano Neway su mie precise indicazioni, un nuovo tipo di sospensione cardanica cominciava a essere sperimentata e la Gimbal 5 che era lo sviluppo di quella di Casimiro, era progettata e costruita appositamente per il motore Aerotech G12. Inoltre, ancora, la classica sospensione usata da Jim McFarland e da altri sperimentarori del settore cominciava a essere sperimentata anche da me.
In agosto fui in campagna poco dopo la prima settimana. Con me una tonnellata di materiali e di attrezzature. Il lavoro di preparazione al lancio consisteva innanzitutto nella modifica del pad di rampa Alkermes e nel controllo di ogni singolo elemento di ogni singola sezione. Inoltre per la prima volta avrei impiegato, all'interno del generatore di gas Safe Eject, lo stesso del primo volo, un accenditore fabbricato da me mediante l'impiego di una microlampadina a 12Volt. Il nuovo accenditore era da tempo provato mediante test e aveva dimostrato un'ottima prestazione elettrica, perchè richiedeva somamente quaranta milliAmpere, ma funzionava con un notevole ritardo, circa un secondo, nell'attivazione della carica di deploy. Una serie di test condotti con un tubo di acciaio a simulare il generatore di gas e poi un'ultima prova con il Safe Eject, conclusero con successo la preparazione della sezione paracadute di Casimiro. Il nuovo sistema inerziale era estremamente preciso e sensibile, tarato per mezzo g. Rimaneva il problema del ritardo, pazienza.
Secondo volo, 15 agosto 2005
In quell'agosto il tempo era pazzerello... tutti i giorni un temporale. Il tredici agosto arrivarono Barbara e Mario e io cominciai le operazioni di ricarica di tutti gli accumulatori, anche di quello della centralina di lancio. Avevo già deciso dove lanciare, dato che un campetto diverso da quello dell'anno precedente, a solo un chilometro da casa, era di proprietà di un amico di vecchia data di mio papà. Il permesso all'esperimento fu ottenuto una sera davanti a una bottiglia di lambrusco e a spesse fette di salame.
Casimiro fu rimontato, con il generatore di gas ricaricato e sigillato e con le batterie cariche, la sera del 14 agosto. In caso estremo di necessità era disponibile una presa elettrica di ricarica degli accumulatori, aggiunta poco prima del trasferimento da Milano. Voglio far notare che durante il lungo tempo servito per le modifiche, molte erano anche le idee per innovazioni e per "utilities" che finirono nelle pagine degli appunti, e che solamente alcune finirono sul veicolo; ma moltissime di esse sono realmente pronte per la sperimentazione si altri veicoli. Insomma, fissare le idee può servire anche a distanza di molto tempo e serve soprattutto ad avere rimedi agli inevitabili imprevisti.
La mattina del quindici agosto decidemmo che la giornata era buona e che nel tardo pomeriggio avremmo provato a lanciare. Dopo pranzo andai a riposare mentre Barbara e Mario giocavano a carte e si divertivano al computer... o viceversa. Fatto sta che alle quindici Barbara corse a chiamarmi perchè notava l'addensarsi di nuvoloni. Posai le cuffie ed il minidisc che suonava Waylon e corsi dabbasso a preparare la missione.
Fulminei, con le bici e le macchine già cariche, partimmo. Arrivammo al campetto proprio a ridosso dell'argine Po e montammo la rampa. Diedi a Mario un registratorino Mp3 che doveva realizzare la pianosequenza dell'intera spedizione e io azionai un altro registratore. Barbara fotografa documentava le operazioni, pur cogliendo anche aspetti del paesaggio e flora e fauna locale.
Pochi minuti prima del lancio, per ricordo, 15 agosto 2005. Che ci fanno i miei capelli tutti da una parte?
Casimiro decollò lentamente su una colonna di fumo nero e serpeggiò nel cielo. Il veicolo correggeva vistosamente la sua rotta almeno su un asse, mentre su un altro, dopo un tratto iniziale di circa due metri del tutto stabile, piegava di circa dieci gradi per poi mantenere l'assetto. Casimiro raggiunse circa quarantacinque metri di quota e udimmo il botto della carica di deploy, che apparentemente avvenne poco prima dell'apogeo, ma a circa mezzo secondo di distanza dal burnout stimato a orecchio. Ciò significa che il veicolo stava proseguendo, dopo il burnout, e non aveva ancora del tutto esaurito la sua velocità. Insomma, si poteva salire ancora un pochino, ma sono sempre stato piuttosto conservativo nei deploy: Il sensore aveva comandato il deploy con un ritardo inferiore, almeno in apparenza, a quanto faceva nelle prove. Tuttavia in questo potrebbero avere influito anche condizioni di vibrazioni, di rotazione e di distanza dai nostri punti di osservazione.
Volo del 15 agosto 2005 come da ripresa video di Barbara
Casimiro prese terra, appeso regolarmente al paracadute, a diciotto metri di distanza dalla rampa di lancio.
Il volo aveva risposto perfettamente alle richieste iniiziali di progetto. Tutti i sistemi avevano funzionato bene e il veicolo fu recuperato in perfette condizioni. L'atterraggio sulle foglie di barbabietola ha grandemente contribuito a minimizzare i danni al sistema di paraurti, che si risolsero in una leggerissima piegatura di un elemento di alluminio e nella perdita di un gommino. Il veicolo rispondeva alle sollecitazioni manuali e poteva essere immediatamente rifornito di motore, batterie e polvere per il deploy ed essere nuovamente in condizioni di volare. Fummo tentati di farlo e cominciai a lavorare sul motore, ma alle ore sedici le nuvole cominciavano a farsi minacciose. Sgombrammo il campo e rientrammo alla base. Alle diciassette e trenta un breve acquazzone rinfrescò la giornata non particolarmente calda. Un'enorme quantità di foto e dati era la raccolta ricavata dal secondo volo. Una notevolissima quantità di informazioni poteva certamente essere ricavata dall'esame di foto, filmati e del veicolo.
Nei giorni seguenti Casimiro fu smontato parzialmente e non rilevai nessun danno interno, soprattutto nel vano paracadute che peraltro era già stato protagonista di test di deploy ed era leggermente deformato di suo. La sospensione cardanica non riportava nessun problema meccanico nè alcun impuntamento e i servomotori, che avevano lavorato complessivamente davvero pochi minuti in tutto (comprendendo i test a terra) erano assolutamente in ottimo stato. Analizzando i filmati notammo che Casimiro aveva serpeggiato maggiormente su un piano della sua traiettoria, mentre sull'altro aveva evidenziato una specie di "piega" di una decina di gradi verso Sud (lato opposto alla camera di Barbara) e poi nient'altro; il veicolo era decollato lentamente e per i primi quattro metri era rimasto stabilissimo su entrambi i piani. Dato che nel primo secondo e mezzo di volo il veicolo è davvero lentissimo, bisogna rimarcare come non sia facile ricavare dati dalle sole immagini a bassissima risoluzione prese da lontano. E' evidente, quindi, come a un certo punto del volo le correzioni siano diventate via via sempre più evidenti, ed è lecito supporre che fossero presenti già dal momento immediatamente successivo al decollo. Ciò è indice proprio di oscillazione indotta dal sistema di controllo, o per meglio dire, di autooscillazione; e questo era proprio un aspetto che mi aspettato di ottenere a causa del fatto che avevo regolato gli azionamenti dei servomotori per un'ampiezza molto grande, dato che non avevo mezzi per misurare a priori l'entità dei segnali di errore forniti dai giroscopi e non volevo che il motore fosse ruotato insufficientemente. Insomma, avevo scelto di ottenere una certa sovracorrezione piuttosto che la sua carenza. In forza di questa preziosa informazione, che potevo ottenere solamente con il volo rischioso e senza un minimo di telemetria, cosa che sarebbe opportuno implementare in simili progetti. Quindi, anche in considerazione del diverso comportamento del sistema di controllo per i due piani della traiettoria, compresi che potevo ridurre i rapporti di trasmissione tra i servo e la meccanica. Considerando che l'elettronica di controllo era tarata in laboratorio per dare un identico segnale, mi accorsi che in realtà avrei dovuto considerare la seppur piccola differenza di "braccio" che i due assi della sospensione cardanica possiedono. Ma questo è un particolare peculiare solamente della mia Gimbal 4 e comunque il sistema servo-piano di rotazione va considerato sempre nel suo insieme. Valido, a mio avviso, fu comunque il decidere la taratura del segnale in laboratorio per un valore molto prossimo al medio. In future meccaniche che non dovessero prevedere la sospensione ad anelli concentrici, questi problemi NON si presenteranno neppure; ma è buona norma fissarli sui documenti e sugli appunti.
Volevo preparare Casimiro per un terzo volo da effettuare in settembre. Così spostai i rapporti di trasmissione dei dischi dei servo e feci in modo che diminuissero del venti per cento sul piano di imbardata mentre lasciai stare quello del piano di beccheggio. Deformando leggermente le teste degli Uniball sulla meccanica di questo piano aumentai leggerissimamente il rapporto. Un esame del cannoncino di deploy portò a considerarlo del tutto in ordine, mentre era chiaro, riascoltando la registrazione audio del volo, che l'accensione della carica di deploy era avvenuta con il motore ancora acceso. Valutando la curva di spinta del motore F12 e considerando il peso del veicolo possiamo supporre che negli ultimi tre-quattro decimi di secondo di propulsione la spinta fosse addirittura minore della massa da muovere, causando così una diminuzione dell'accelerazione. In quegli istanti il veicolo era stabile sul piano di imbardata ma oscillava su quello di beccheggio e posso immaginare che la leva del sensore abbia avvertito come superata la soglia di attivazione. Un volo maggiormente controllato avrebbe probabilmente portato a sfruttare maggiormente il motore. In questo particolare caso, però, Casimiro era ormai piegato di circa trenta gradi verso Sud. Anche questo particolare mi faceva supporre che la sospensione cardanica, sul piano di beccheggio, fosse poco azionata dal servo soprattutto a causa della lunghezza della leva.
Poi le cose rallentarono e comunque non potei disporre di Barbara e Mario in settembre. Casimiro era nuovamente pronto a volare ma non ci riunimmo a Cape Correggioli e passò del tempo, tanto che ormai ero già dedicato ad Archimede. Casimiro, pesante all'apoca 815 grammi, poteva anche essere alleggerito dell'intero sistema di visualizzazione della posizione di zero della sospensione cardanica e guadagnare circa trenta grammi. Aveva volato con questo sistema che effettivamente nemmeno era entrato in funzione, dato che i segnali forniti dal PIC Fisertek erano rocciosi e stabilissimi e non ebbi mai un segnale di allarme nè durante le prove nè durante i preparativi su rampa. Ma siccome era ormai da considerarsi un veicolo "storico" decisi di lasciarlo completo come da secondo volo.
Le lezioni imparate con Casimiro sono tante, davvero innumerevoli e molte sono evidenti in questo lungo rapporto, anche se lo sto rieditando dopo tanto tempo. Innanzitutto la lezione più grande è quella di come sia possibile realizzare qualcosa di nuovo, di originale e di... difficile, se appena appena si ha motivazioni e testardaggine. In secondo luogo, è MEGLIO non affidarsi a persone sedicenti esperte perchè sono proprio quelle che forniscono l'indirizzo sbagliato: nei campi della sperimentazione è bene invece procedere per piccoli passi elementari, e scomporre un grande problema in diversi sotto-programmi, che possono essere talvolta portati avanti sequenzialmente. Si noterà come a un certo punto molti altri programmi possono o devono essere influenzati da un altro e come qualche volta si debba rifare daccapo un componente o modificare una soluzione tecnica. In questo caso, nel campo dei razzi amatoriali, la tecnologia modulare smontabile porta incredibili vantaggi perchè ciò che non è incollato può essere staccato, riparato o modificato, e riapplicato.
Ancora, si nota come diventi importantissimo avere un po' di competenze meccaniche. Nessun sistema elettronico, per quanto professionale e preciso potrà mai fare tutto da solo. E molti problemi richiedono l'invenzione di dispositivi e di sistemi e solamente chi è in grado di mettere le mani sia sulla meccanica che sull'elettronica può pensare di ottenere almeno qualche risultato.
Infine, un'altra lezione che dovrebbe essere evidente da tutto questo è che quello che ho realizzato anni fa con Casimiro potrebbe essere sviluppato molto più a fondo se in forma di gruppo diverse persone dotate di diverse competenze si unissero per affrontare i diversi sistemi e svilupparli come si dovrebbe fare. La mia piccola esperienza dimostra come sarebbe davvero realizzabile un vettore a razzo sperimentale della classe HPR con sistemi di stabilizzazione attiva. I sistemi di Casimiro rappresentano solamente un primo gradino di quanto ci sarebbe da sperimentare. Dico peraltro che io stesso, proseguendo negli studi, ho ideato altri gradini da salire... e anche che ho altri due veicoli in stato di lento sviluppo. Archimede è lo studio di un veicolo dotato di sospensione cardanica a tre punti, mentre Gimbal 7 è il prototipo di un veicolo con quattro piccoli motori vernieri orientabili a fianco di un motore centrale fisso. Gimbal 8 è lo studio di sospensione cardanica a due anelli pensata per il motore RMS 120. Le idee sono tante e sono fissate nei miei tanti volumi di appunti. In questo periodo storico molti di noi sono fermi per via del brutto clima che regna in questo hobby, ma non si sa mai che un giorno le cose non possano cambiare in meglio; certamente ci saranno giovani che non sanno e che non hanno visto ciò che si faceva qualche tempo fa e solamente per questo motivo credo che sia opportuno ricordare e fissare le proprie esperienze. E' un peccato lasciare cadere nel dimenticatoio alcune cose belle ed è ancora più brutto sapere che c'è gente che le cancella apposta.
Gli sperimentatori non dimenticano e non rinnegano.
Le soddisfazioni dello sperimentatore.
Casimiro è un piccolo razzo sperimentale, apparentemente rozzo ed insignificante, brutto a vedersi e poco appariscente. Ma ha ricevuto cenni ammirati da moltissime persone nel mondo, dato che all'epoca sono stato molto attivo nel contattare altre persone appassionate di razzi. Come avete letto all'inizio di questa pagina, alcune persone mi hanno onorato dei loro complimenti. Un grosso grazie va a Jim McFarland (UKRocketman), che mi ha ispirato con il suo Gyroc e che dopo qualche tempo mi ha anche citato sul suo sito; Andrew Greenberg di PSAS (Oregon), che rimase impressionato da Casimiro e mi scrisse una email davvero entusiasta; David Wyatt, che si è laureato a Cambridge nel 2007 con un piccolo veicolo a razzo (Kestrel) dotato di stabilizzazione attiva a getti di gas (Rcs) e mi cita perfino nella sua tesi; gli amici di Armadillo Aerospace che mi fecero gli auguri per il mio secondo volo e che oggi sono davvero andati molto in alto... e riescono anche ad atterrare a motori!; e il club australiano che non riesco più a contattare sul web, che avevano costruito qualcosa di simile al mio ma mooolto più grosso; e il dentista dell'Ohio che era arrivato a chiedermi quanti dollari volessi per vendergli Casimiro! e mi aveva risposto scrivendomi in un italiano simpaticissimo ancorchè stentato; naturalmente la rivista Sport Rocketry, che ha pubblicato nel 2007 il mio articolo che avevo scritto l'anno prima quando ormai nemmeno ci speravo più; penso che tutto questo sia davvero essere riuscito a lasciare un piccolo "segnino" del mio nome nel campo dei piccoli razzi sperimentali! E naturalmente anche un grosso grazie agli amici Riccardo, Alessio, Sergio F, di Roma, Adriano di Palermo che, davvero amici e soprattutto colleghi in questo campo, hanno dato un piccolo contributo, magari in termini di incoraggiamento, magari in termini di Pic programmati!
La faccenda non è ancora finita. C'è molto ancora da scrivere, anche se lo farò con caaalma, senza fretta. Tanto abbiamo visto (e dimostrato) che con il mio sistema si può arrivare davvero. Basta fare esattamente il contrario di quanto viene detto nei forum italiani! Naturalmente, lo sperimentatore è qui che non attende altro che di stringere il coll... ehm, la mano a qualcheduno dei vecchi ex-amici, così, tanto per ricominciare. Tra persone intelligenti ci si intende sempre perchè, come diceva il buon Guareschi, spesso nelle persone più cattive le idee non sono balzane, è che sono mal riposte e perciò alle volte bisogna "sbatacchiarle" un momento prima di poterci ragionare.
Cristiano, aprile 2012
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"criscaso", Cristiano C. - Born Milan, Italy, 1964. Typewriters & Office repairing; Hobby Rocketeer since 1978.
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