The Hound 2019: Abschlussbericht

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Wie bereits berichtet, war der Start von The Hound im September 2019 erneut nicht erfolgreich. Der folgende Bericht dokumentiert die Ergebnisse der umfassenden Analyse.

Konzeptübersicht

Um der nachfolgenden Diskussion folgen zu können werden notwendige Details zu The Hound kurz erläutert.

The Hound ist eine zweistufige Experimentalrakete. Dabei wird zuerst die Unterstufe in der Startphase auf der Rampe gezündet. Nach Brennschluss trennt sich die Oberstufe ab, was von dem Boardcomputer der Oberstufe gesteuert wird. Danach gleitet die Oberstufe vorerst weiter bis der Motor der Oberstufe in der dünneren Atmosphäre gezündet wird.

Die Oberstufe wird mit einem zweistufigen Fallschirmsystem geborgen. Der Hauptcomputer (Flight Management System, FMS) erkennt dabei den Gipfelpunkt und trennt die Raketenspitze ab. Als Backup für die erste Bergungsstufe dient ein Altus Metrum EasyMega. Um bei einer etwaigen Fehlfunktion des FMS die Rakete lokalisieren zu können wird ein Featherweight Tracker unabhängig vom restlichen Avioniksystem in der Raketenspitze verbaut.

Beide Teile sind mit einem Aramidschlauch verbunden, an dem auch der Vorschirm befestigt ist. Dieser soll die Rakete beim Wiedereintritt in die Atmosphäre stabilisieren und die Rakete abbremsen bevor der Hauptfallschirm geöffnet wird. Dieser wird in der Raketenspitze zurückgehalten und erst auf einer bestimmten Höhe von einem CYPRES linecutter, ausgelöst von einem Altus Metrum EasyMini freigegeben.

Die Bergung der Unterstufe wird vom baugleichen FMS initiiert. Als Backup dient hier ein Altimax Simply von rocketronics.de.

Im Gegensatz zur Oberstufe wird hier der Hauptschirm gleichzeitig mit dem Vorschirm ausgeworfen, wobei der Hauptschirm gerafft ist, um einen raschen Sinkflug einzuleiten. Dann wird der Hauptschirm von dem Jolly Logic Chute Release auf einer bestimmten Höhe freigegeben.

Der Flugablauf 2019

Soviel zum theoretischen Konzept von The Hound. Nachdem im letzten Jahr ein Sicherungsgerät die Zündung des Oberstufenmotors verhinderte (Link zum Bericht), trat diesmal ein weitaus schwieriger zu eruierender Fehler auf.

Was wir sicher wissen, aus Beobachtung oder Analyse der aufgezeichneten Daten:

T=0s: Liftoff aus der Startrampe

T=0.75s, 80m AGL, 180m/s: Rakete wird vom Wind beeinflusst und neigt sich um ca. 4.5°

T=1.3s, 230m AGL, 330m/s: Durchbruch der Schallmauer, Druckschwankung gemessen von den Drucksensoren (bekanntes Phänomen, Barometer aller Boardcomputer zeigen gleiches Verhalten)

T=3.5s, 1700m AGL, 800m/s: Anströmwinkel der Oberstufe steigt augenblicklich auf 16°. Daraufhin bricht die Hülle der Oberstufe vom Raketenmotor ab. Dabei wird auch die Avionikeinheit beschädigt und die Stromversorgung abgetrennt. Somit ist das FMS sowie EasyMega ohne Strom, schickt keine Daten mehr bzw. zeichnen auch keine mehr auf. EasyMini in der Raketenspitze zeichnet weiterhin Daten auf.
T=8s: Die Oberstufe erreicht den Gipfelpunkt von ca. 2200m. Der Featherweight Tracker in der Spitze sendet nach wie vor aktuelle Positionsdaten.

T=27s: Die Unterstufe erreicht den Gipfelpunkt von ca. 6000m, welcher vom FMS erkannt wird und somit die Trennung initiiert. Die Unterstufe sinkt jedoch mit 120m/s, was laut Simulation einem ballistischen Flugprofil entspricht, d.h. die Trennung bzw. der Auswurf des Fallschirms war nicht erfolgreich.

T=75s: Die Unterstufe schlägt am Boden der Wüste auf. Aufgrund eines Defekts in der Avionik werden jedoch seit T=13s keine aktualisierten Positionsdaten mehr gesendet.

T=80s: Die Avionikeinheit inkl. der Raketenspitze der Oberstufe schlägt am Boden der Wüste auf. Der Featherweight Tracker schickte kurz davor noch aktuelle Positionsdaten.

Flugprofil, beobachtet von der Bodenstation

 

Die Avionikeinheit inklusive der Raketenspitze wurde sofort nach der Landung geborgen. Auf dem folgenden Bild ist ein markanter Abdruck im Sand zu erkennen. Entweder war die Raketenspitze nahe zum zylindrischen Teil der Avionikeinheit, wobei der Fallschirm nicht ausgeworfen wurde. Wahrscheinlicher ist allerdings, dass die Raketenspitze erst bei der Landung vom Rest getrennt wurde. Aufgrund der abgerissenen Stromversorgung war jedoch keine Trennung am Gipfelpunkt möglich. Hätte die Oberstufe bei T=3.5s im Überschallfug bereits getrennt, wäre die Verbindung (der Aramidschlauch) mit Sicherheit beschädigt gewesen und die beiden Teile getrennt gelandet.

The interstage coupler with the torn parachute chord

 

Groundtrack der Suche

Weiters fehlt der Aluminium-Schraubverbinder zum Motorrohr, welcher in das Glasfaserrohr geklebt wurde. Die Beschädigung am Rohr weist eindeutig auf einen Bruch durch Biegung des Glasfaserrohres vom Motorrohr hin (unbeschädigtes Rohr im Vergleich links im Bild).

Teil des Airframes: Sparemodel vs. Flightmodel

Nach intensiver 2-tägiger Suche wurde darüber hinaus lediglich der Stufenkuppler der Unterstufe gefunden. Dieser landete 4km entfernt von der Raketenspitze der Oberstufe. Der Aramidschlauch wurde im Flug durchtrennt, der Fallschirm blieb ebenso verschwunden.

Messdaten

Altitude of both stages
Altitude of both stages: Detail of the first four seconds
Tilt-Angle of the sustainer
Acceleration measured by the sustainer electronics
Calculated airspeed

Weitere Bemerkungen

  • Das FMS buffert die Messdaten bevor diese auf den Flash-Speicher geschrieben werden. Dies ermöglicht, dass auch Daten vor dem erkannten Start aufgezeichnet werden können ohne den Schreibvorgang manuell starten zu müssen. Dies hat zur Folge, dass durch den Ausfall der Stromversorgung ca. 1s an Daten fehlen. Der EasyMega hat 1.5s länger aufgezeichnet, was auf einen unterschiedlichen Zeitpunkt des Abbruchs der Stromversorgung hinweist, eventuell bedingt durch längere Bufferung der Versorgung am EasyMega.
  • Die nichtmonotone Kurve der barometrisch bestimmten Höhe der Unterstufe im Steigflug weist auf eine Beeinflussung des Fluges der Unterstufe selbst hin. Darüber hinaus war der gemessene Gipfelpunkt von 6000mAGL deutlich unter jenem vom nominellen Flug der Unterstufe im Vorjahr, wo dieser bei 8000mAGL lag.
  • Im gefundenen Stufenkuppler waren Reste der gezündeten Trennladung zu finden. Der Kuppler war somit bei einer Zündung solch einer Ladung noch mit der Unterstufe verbunden. Darüber hinaus weist der Kuppler keine Beschädigung auf, die auf eine mechanische Beanspruchung (zB. Biegemoment) hinweist.
  • Die empfangenen Funkdaten des FMS der Unterstufe legen nahe, dass diese den Flugablauf korrekt durchgeführt hat. Die Trennladungen wurden jedenfalls erst am Gipfelpunkt gezündet.
  • Da die Unterstufe nicht geborgen wurde sind keine Messdaten wie Drehraten oder Beschleunigung der Unterstufe vorhanden. Somit kann nicht festgestellt werden, ob die Unterstufe beim Zerbrechen der Oberstufe noch verbunden war.
  • Da ein Plausibilitätscheck aufgrund der Höhe der Black Rock Wüste (1100hm) fehlschlägt, startet der Altimeter Altimax Simply mit der Serienfirmware nicht. 2018 wurde somit ohne Backup in der Unterstufe gestartet. 2019 wurde mit einer eigens angepassten Firmware des Altimax gestartet. Dieser war dabei so konfiguriert, dass bei Apogäum+2s die Trennung durchgeführt werden sollte. Auffallend ist, dass der Anstellwinkel der Oberstufe in etwa 2 Sekunden nach dem Überschallartefakt im gemessenen Druck markant steigt. Dies könnte auf eine fehlerhafte Erkennung des Gipfelpunkts bei diesem Artefakt und somit eine Auslösung der Trennung durch den Altimax hinweisen.
  • Das Auseindanderbrechen der Oberstufe passierte ca. zum Zeitpunkt des Brennschlusses der Unterstufe.

Analyse: Mögliche Ursachen

Die Anomalien während des Flugablaufes können unterschiedliche und nicht zusammenhängende Ursachen haben. Die Analyse legt jedoch die folgenden beiden Fehlerfälle nahe, die den kompletten Ablauf plausibel erklären können:

  1. Durch die fehlerhafte Erkennung des Gipfelpunktes durch den Backupcomputer Altimax (s.o.) wird bei ca T=3.5s die Unterstufe an der Trennstelle der Bergung getrennt. Der Stufenkuppler ist zu dem Zeitpunkt noch mit der Oberstufe verbunden. Aufgrund der hohen Geschwindigkeit (Mach 2.4) wird der Fallschirm nicht ausgeworfen, sondern der Aramidschlauch, welcher die Unterstufe mit dem Kuppler verbindet, sofort abgerissen. Dabei erfährt die Oberstufe eine radiale Kraft und somit nennenswertes Drehmoment, was zu einer Lageänderung bzw. Erhöhung des Anstellwinkels führt. Schlussendlich bricht die mechanische Struktur aufgrund des hohen Biegemomentes. Da der Stufenkuppler im Steigflug der Unterstufe bereits fehlte, verringerte sich die Höhe des Gipfelpunktes der Unterstufe aufgrund des erhöhten Luftwiderstandes.
  2. Es kommt aufgrund von aerodynamischer Belastung (z.B. Scherwinde) zu einem erhöhten Anstellwinkel der Rakete. Die Avionikeinheit der Oberstufe bricht am oberen Ende des Motorrohres ab, die Avionikeinheit wird sofort abgebremst und setzt den Sinkflug unabhängig vom Rest fort. Das Motorrohr der Oberstufe ist noch mit dem Stufenkuppler verbunden. Dieser Verbund wird aerodynamisch wieder stabilisiert und setzt den Steigflug fort. Aufgrund des kurzzeitig erhöhten Anstellwinkels wird die Fluggeschwindigkeit drastisch reduziert, was den niedrigeren Gipfelpunkt der Unterstufe im Vergleich zum Vorjahr erklärt. Bei der Auslösung der Trennung der Unterstufe am Gipfelpunkt – das Motorrohr der Oberstufe ist nach wie vor verbunden – reißt das Gewicht der Oberstufe den Kuppler von der Unterstufe ab. Der Fallschirm wird ebenfalls dabei beschädigt und die Unterstufe sinkt ballistisch bis zum Aufschlag am Boden.

Ausblick

Das Team hat die Lehren aus der diesjährigen Launchkampagne gezogen: verspätete Lieferung der Motoren, mangelhafte mechanische Integration der beiden Raketenstufen, Funkprobleme aufgrund des nassen salzhaltigen Bodens und letztlich der nicht erfolgreiche Flug in letzter Minute.

Mit diesen Erfahrungen wird aktuell das Konzept überdacht und Anpassungen vorgenommen, um die Chancen auf einen erfolgreichen Start im Jahr 2020 zu erhöhen.

Danksagung

An dieser Stelle möchte sich das Team bei seinen Partnern und Sponsoren bedanken, welche das Projekt überhaupt erst ermöglicht haben.

The team