Base11 Space Challenge

Die Base11 Space Challenge ist ein nordamerikanischer Wettbewerb für Studententeams, dessen Ziel es ist, Studenten für die Raumfahrt zu begeistern um den Nachwuchs in diesem Bereich zu fördern. Um den Wettbewerb zu gewinnen muss man als erstes von 33 Teams und vor Ende 2021 eine einstufige Flüssigtreibstoffrakete bauen und erfolgreich in den Weltraum, also auf mindestens 100 km Höhe, fliegen lassen. Dem Gewinnerteam winkt ein Preisgeld von $1Mio., zusätzlich gibt es für mehrere Zwischenziele ebenfalls Preisgelder.

Spaceport Toronto X Vienna

Die Teilnahme an der Base11 Space Challenge ist Teams aus den USA und aus Kanada vorbehalten. Aus diesem Grund haben wir uns mit dem University of Toronto Aerospace Team (UTAT) zusammengeschlossen und nehmen unter dem gemeinsamen Namen Spaceport Toronto X Vienna, kurz TXV, an der Challenge teil. Gemeinsam wollen wir den Wettbewerb gewinnen und den Ausgangspunkt eines studentischen, transatlantischen Netzwerkes schaffen.

Die Zusammenarbeit zwischen den Teams gestaltet sich gut, da wir uns hervorragend ergänzen. Die Schwerpunkte in der Ausbildung sind ganz unterschiedlich gesetzt, sodass die Systeme problemlos aufgeteilt werden können. Gemeinsam können wir auf ein breites Spektrum an Know-How zurückgreifen, welches definitiv benötigt wird um ein derart umfangreiches Projekt umzusetzen. Die Zusammenarbeit erfolgt großteils via Internet, wir konnten unsere kanadischen Kollegen aber bei einem Safety-Meeting in Toronto und einer Hot-Fire-Demonstration in Texas auch schon persönlich kennenlernen.

Houbolt

Jede Raumfahrtmission benötigt eine geeignete Trägerrakete. Unsere Rakete Houbolt, benannt nach NASA-Ingenieur John C. Houbolt, ist die ideale Kombination aus einfachem Design und innovativer Technologie. Wir stützen uns stark auf leichte Verbundwerkstoffe, die uns ein vergleichsweise kleines und damit sichereres Design ermöglichen. Die Anforderung an ein hoch effizientes und komplexes Raketentriebwerk soll dadurch gelockert werden. Dies führt zu Vereinfachung der benötigten Technologie und in weiterer Folge zu einer Reduzierung der Kosten und Entwicklungszeit. Mit einem Leergewicht von nur 125kg (410kg betankt) und einer Länge von 8,5m sowie einem Durchmesser von 30cm ist unser Flugkörper klein und leicht hinsichtlich des angedachten Missionsprofils. Als Treibstoffe kommen Ethanol und druckverflüssigtes Lachgas zum Einsatz, deren Verbrennung die Rakete mit einem Schub von 8,5kN antreibt.

Als erstes Zwischenziel der Base11 Space Challenge wurde bis März 2019 ein Preliminary Design Report (PDR) verfasst, der unter Anderem eine genaue Beschreibung der Rakete und deren Subsysteme enthält. Im Folgenden werden diese kurz erklärt.

 

Aufbau von Houbolt

Recovery Bay

Die Recovery Bay enthält ein zweistufiges Bergungssystem, das eine sanfte Landung ermöglicht und die Rakete vollständig wiederverwendbar macht. Das hausintern entwickelte Federring-Trennsystem verspricht einen zuverlässigen Betrieb, sowohl in der Atmosphäre, als auch im Vakuum.

Nutzlastkompartment

Das Nutzlastkompartment kann bis zu 5 kg wissenschaftlicher Nutzlast aufnehmen, und bietet Stromversorgung und Montagepunkte für Experimente bei Schwerelosigkeit.

Upper Engineering Bay

Die “Upper Engineering Bay” enthält die Stickstoff-Drucktanks für die Oxidatorbedruckung sowie Avionik. Ein Cold-Gas-Thruster-System, zur Kontrolle der Rollrate, wird ebenfalls aus den Composite-Drucktanks gespeist und befindet sich auch in diesem Abschnitt.Treibstofftanks

Treibstofftanks

Die Nutzung von Typ IV Kohlefaser-Kunststoff-Verbund Tanks ermöglicht eine sehr leichte Konstruktion. Darüber hinaus ist die Kohlenstofffaser-Kunststoff-Struktur der Tanks in der Lage, eine zusätzliche Außenhülle vollständig zu ersetzen. Die Tanks sind in einer Tandemanordnung angeordnet.

Lower Engineering Bay

Die “Lower Engineering Bay” enthält Drucktanks für die Brennstoffbedruckung, Hauptventile, Anschlüsse für Befüllung und das Triebwerks-Gimbal sowie Avionik.

Subsysteme von Houbolt

Recovery

Der Hauptfallschirm ist ein Rundkappenfallschirm mit Loch im Mittelpunkt. Diese Form hat einen hohen Drag-Koeffizient, welcher uns erlaubt einen möglichst kleinen Fallschirm zu verwenden. Sowohl Hauptfallschirm als auch Bremsschirm sind beide in der Spitze verstaut. Zum Auswurf dieser wird die Spitze vom Hauptkörper der Rakete getrennt. Diese Trennung übernimmt ein eigens entwickelter Mechanismus, dem wir den Namen “Slingshot” gegeben haben. Eine Spannleine geht vom unteren Kuppler bis ganz oben in die Spitze. Der oberste Teil der Spitze kann abgeschraubt werden, womit man dann Zugang zu einer Schraube hat. Durch das Drehen dieser Schraube wird eine mit der Spannleine verbundene Scheibe nach oben gezogen, welches zum Anspannen der Leine führt. Dadurch ist die Spitze fest mit dem Hauptkörper verbunden. Wenn die Rakete den Gipfelpunkt ihres Flugs erreicht wird die Spannleine mit zwei redundanten pyrotechnischen Line Cuttern durchgeschnitten. Durch die Federn, die im Kuppler angebracht sind, wird die Spitze dann vom Hauptkörper getrennt, welches zum Auswurf des Fallschirms führt.

Avionik

Das Avionik-Subsystem beinhaltet alle elektronischen Komponenten der Rakete. Es steuert alle Funktionen, zeichnet Messdaten auf und kommuniziert mit dem Equipment am Boden. Das Subsystem ist modular aufgebaut und alle sicherheitskritischen Komponenten sind soweit wie möglich redundant (teilweise sogar unabhängig vom restlichen System funktional) ausgeführt. Für hohe Flexibilität und niedrigen Verkabelungsaufwand kommunizieren die einzelnen Module über zwei redundante Datenbusse und werden von zwei redundanten Versorgungsbussen versorgt. Die Integration von neuen und das Ausbauen von nicht mehr benötigten Modulen ist dadurch problemlos möglich.

Zu den Aufgaben der Avionik gehört unter anderem die Steuerung des Flugablaufes, die Steuerung des Triebwerks, die Regelung der Flugbahn, das Auslösen des Bergungssystems sowie die Überwachung aller Sensordaten, um den Flug gegebenenfalls sicher abbrechen zu können.

Die Avionik kommuniziert per Funk mit der Bodenstation (vor dem Start auch per Kabelverbindung), um die Steuerung der Flugvorbereitung (Betankung, Systemchecks), die Überwachung der Sensordaten und einen manuellen Abbruch des Fluges zu ermöglichen. Die Funkverbindung zu mehreren Bodenstationen wird im Flug genutzt um die Position der Rakete zu bestimmen.

Treibstofftanks

Die Tanks erfüllen neben der Aufgabe der Treibstoffspeicherung auch einen strukturellen Zweck. In Kombination mit den gewählten Leichtbaumaterialien ermöglicht dies eine sehr leichte Rakete. Beide Treibstofftanks werden als Typ IV Tank ausgeführt, hierbei handelt es sich um ein Kohlefaser-Kunststoff-Verbund in welchem sich ein dünner Kunststoffliner befindet. Der Lachgas-Tank wird oberhalb des Ethanol-Tank angeordnet, wodurch der Schwerpunkt etwas höher liegt. Da es sich bei den Tanks um strukturelle Bauteile, welche sich über den gesamten Querschnitt der Rakete erstrecken handelt, ist es nicht möglich, ohne weiteres Kabel und Leitungen außerhalb der Tanks ohne ordnungsgemäße Verkleidungen zu verlegen. Somit ist es erforderlich systemkritische externe Elektronik- und Treibstoffleitungen zu vermeiden, da die genauen aerodynamischen Bedingungen (insbesondere der Wärmeeintrag) unbekannt sind. Dies bedeutet, dass es erforderlich ist, alle notwendigen Leitungen durch die Tanks zu führen.

Beide Tanks verfügen über mehrere Sicherheitsmechanismen um einen kritischen Überdruck zu vermeiden.

Avionik-Kabelkanal

Es ist erforderlich, die obere und die untere Avionik zu verbinden. Aus diesem Grund wird ein Kabelkanal mit 6-7 mm Innendurchmesser installiert. Diese Leitung wird durch beide Treibstofftanks geführt. Um zu verhindern, dass sich statische Ladung in Bezug auf die Tankwände am Kanal ansammelt, besteht der Kanal aus (leicht) leitfähigem Material wie Kohlefaser oder Metall und ist elektrisch mit dem Tank verbunden.

Treibstoff-Förderung

Um die Komplexität möglichst gering zu halten, werden die Treibstoffe mittels Stickstoffbedruckung von den Tanks ins Triebwerk gedrückt. Dazu befinden sich in der Upper- bzw. Lower Engineering Bay Hochdruck-Stickstofftanks. Über Regelventile wird der Druck minimiert und in die Treibstofftanks geleitet. Als Alternative dazu werden elektrische Pumpen evaluiert. Diese sind zwar komplexer als die reine Druckförderung, würden aber die Masse der Rakete deutlich senken und die Stickstofftanks kleiner sowie die Betankung einfacher machen.

Triebwerk

Das Triebwerk von Houbolt wird in enger Zusammenarbeit zwischen UTAT und TUST entwickelt und vereint das Wissen beider Teams. Dieses, um einen eigens entwickelten Injektor herum gebaut, wird einen durchschnittlichen Schub von 8,5 kN liefern, und so Houbolt innerhalb von 58 Sekunden auf Mach 4,5 beschleunigen. Erste Erfahrungen mit einem kleinen Triebwerk werden bereits gesammelt, welche später ins Base11-Projekt einfließen werden.

Als Innovation in dem Projekt soll eine Brennkammer und Schubdüse aus “DragonScale” zum Einsatz kommen. Dies ist ein hitzebeständiger Kohlefaser-Metall-Verbundwerkstoff, der vom TU Wien Space Team gemeinsam mit dem Institut für Chemische Technologien und Analytik entwickelt wird. Kohlefasern behalten ihre außergewöhnlich hohe Festigkeit bei weit über 2000°C bei, sofern sie vor Oxidation geschützt sind. Diese Funktion übernimmt eine Matrix aus hochschmelzendem Metall, in die die Fasern eingebettet sind. Eine geeignete Kombination aus beiden Komponenten bringt ein Material hervor, das die hervorragenden Eigenschaften von Kohlefasern mit denen der metallischen Werkstoffe kombiniert. Zur Herstellung wird ein vorbehandeltes Kohlefasergewebe in die gewünschte Form gebracht und auf einem 3D-gedruckten Dorn fixiert. Über einen mehrstufigen Prozess wird das gewünschte Metall nun in einem galvanischen Bad zwischen die Fasern eingelagert, und ein stabiles Werkstück erzeugt. Mit dem Entfernen des Kerns und anschließender Nachbehandlung, ist die Herstellung der Komponente abgeschlossen. Einige Prototypen auf Nickelbasis wurden bereits im Labor hergestellt. Erste Tests zeigen vielversprechende Ergebnisse bezüglich der gewünschten Materialeigenschaften. Ziel ist ein Hochtemperaturwerkstoff, der unter anderem für Brennkammern und Düsen von Raketentriebwerken benutzt werden kann.

Lageregelung

Die Lageregelung wird durch das Zusammenwirken von zwei unterschiedlichen Systemen gewährleistet.

Das Gimbal sorgt für Kontrolle und Stabilität der Flugbahn. Basierend auf dem Prinzip der kardanischen Ring-Aufhängung, werden zwei eigens gefertigte elektrische Aktuatoren derart angeordnet, dass sie entkoppelt die zwei Ringe ansteuern. So kann das Triebwerk in alle Richtungen geschwenkt werden wodurch Pitch und Yaw unabhängig voneinander gesteuert werden.

Zur Kontrolle der Rollrate braucht man noch ein weiteres System, die “Cold-Gas Thruster”. Dieses System setzt sich aus 4 kleinen Düsen zusammen, welche Stickstoff ausstoßen um ein Drehmoment auf die Rakete auszuüben. Da die Bedruckung der Treibstofftanks ebenfalls mit Stickstoff erfolgt, muss hierfür kein extra Tank mitgeführt werden.

Entwicklung von Houbolt

ATV

Das TU Wien Space Team legt immer großen Wert darauf alle Komponenten ausführlich zu testen, sowohl um Konzepte grundsätzlich zu prüfen, als auch um sichergehen zu können, dass selbige bei einem Raketenstart funktionieren. Das Avionics Test Vehicle, kurz ATV, ist ein Werkzeug, welches uns in dieser Sache hilft. Es ermöglicht das Testen verschiedener Komponenten im Flug. Beim Design wurde besonders auf einen günstigen, leichten Airframe geachtet, damit die Rakete bei Abstürzen mit Leichtigkeit repariert werden kann. Angetrieben wird es mit herkömmlichen Modellflugzeugpropellern. Durch den Einsatz von Propellern können wir jederzeit, ohne die Kosten und den Aufwand der Genehmigung, die mit einem normalen Raketenstart einhergehen, auf eine Höhe von bis zu 150 m fliegen und Komponenten, wie zum Beispiel den Fallschirm-Auswurfmechanismus, testen. Ein weiterer Mechanismus, der mit der Rakete getestet wird, ist das Gimbal. Das ATV ist somit die erste Rakete des TU Wien Space Team, welche aktiv stabilisiert wird. Aktive Stabilisierung spielt für unsere Base11 Space Challenge Rakete eine große Rolle. Das ATV ermöglicht uns daher erste Erfahrungen zu sammeln, die in die Konstruktion des finalen Gimbals einfließen werden.

Großer Teststand

Jede Rakete braucht ein Triebwerk und für unsere Mission auf 100 km, brauchen wir ein großes – das größte, das jemals in Österreich entworfen und gebaut wurde, um genau zu sein. Das Design eines solchen Triebwerks benötigt eine besonders sichere und zuverlässige Testumgebung. Aus diesem Grund arbeiten wir derzeit an der Entwicklung einer großen Testanlage. Dabei stellt Sicherheit einen entscheidenden Faktor im Design dar. Um sich schnell an neue Testszenarien anpassen zu können, haben wir einen mobilen Teststand entworfen, welcher uns ermöglicht immer den besten Standort für einen Test zu wählen. So können außerdem größere Vorbereitungen direkt in unserer Werkstatt, statt am Testgelände, vorgenommen werden. Die Plattform kann außerdem für eine Vielzahl unterschiedlicher Testszenarien, für sowohl Cold-Flow- als auch Hot-Fire-Tests, mit verschiedenen Antriebskonzepten, von Flüssigtreibstofftriebwerken zu Hybriden und selbst Feststoffantrieben, genutzt werden. Weiters können durch die Bereitstellung einer Testanlage weitere Luft- und Raumfahrtprojekte realisiert werden, wodurch besonders der Bildungssektor profitiert. Dies wird den europäischen Space Effort stärken, und die Entwicklung und das Testen größerer österreichischer Raketentriebwerke ermöglichen.

Video Aufzeichnung

Ein Video der Präsentation des Projektes beim Space Event 2019 findet sich hier: