Background Source/wikipedia, Mission Patch by Maximilian Trenkmann)

Kurzfassung

Simulation details (OpenRocket)

The Hound, eine zweistufige Rakete mit kommerziellen Motoren

  • Unterstufe: Cesaroni Pro 98 N5800
  • Oberstufe: Cesaroni Pro 75 M2245
  • Max. Höhe: >100km (Oberstufe)
  • Max. Geschwindigkeit: >Mach 5 (Oberstufe)

 

Das Projekt

the_hound
CAD Model Rendering of “The Hound”

Unser Ziel ist es, eine zweistufige Rakete mit kommerziell verfügbaren Motoren zu bauen, welche auf maximale Flughöhe optimiert ist. Alles über 32,3 km (aktueller Rekordhalter ist HyEnD/Stuttgart) würde einen neuen Höhenrekord für “von europäischen Studierendenteams gebaute Experimentalraketen” aufstellen – und das ist es, was wir erreichen wollen! Im Frühjahr 2019 wurde mit einer Rakete eines amerikanischen Studierendenteams die Kármán-Linie überschritten und somit ein neuer Weltrekord unter Universitätsteams aufgestellt.

Die ausgewählten Motoren haben einen Gesamtimpuls von ca. 30000 Ns. Zum Vergleich: Mit diesem Impuls könnte man ein Motorrad auf 400 km/h beschleunigen. Weil jedoch unsere Rakete wesentlich leichter ist, beschleunigt diese auf 5500 km/h. Bei dieser Geschwindigkeit würde man die Länge eines Marathons in unter 30 Sekunden zurücklegen. Unsere Simulationen legen nahe, dass – in Abhängigkeit von den tatsächlichen aerodynamischen Parametern – eine Höhe von mehr als 100 km über dem Boden erreicht werden kann.

Diese Zahlen stellen in mehrfacher Hinsicht eine Herausforderung dar. Einerseits müssen wir die Rakete so leicht und klein wie möglich bauen, um diese Geschwindigkeit und Höhe überhaupt erreichen zu können. Andererseits erhöhen diese Werte den Bedarf an Festigkeit und Hitzebeständigkeit, die spezielle Materialien und Fertigungstechniken erfordern. Alles in allem ist dies ein schwieriges Optimierungsproblem mit mehreren Variablen.

Weitere Herausforderungen sind:

  • Zündung des Motors der Oberstufe bei verringertem Umgebungsdruck
  • Bestimmung der erreichten Höhe
  • Apogäumsdetektion und barometrische Höhenerkennung zum Auslösen der Bergung der ersten und zweiten Bergungsstufe (2-stufiges Bergungskonzept)
  • On-Board-Videoaufnahmen
  • Aufrechterhalten des Funkkontakts zur Bodenstation während des ganzen Fluges
  • Übermitteln von Sensordaten und, vor allem, der Landekoordinaten

Die größte Herausforderung für uns, als europäisches Team, besteht jedoch darin, einen Startplatz mit einer geeigneten Höhenfreigabe und passendem Sicherheitsradius zu finden. Bisher gibt es für uns zwei gangbare Optionen:

  • Ein Start in der Black Rock Wüste, Nevada, USA im Rahmen des Events “BALLS” der amerikanischen Tripoli Rocketry Association.
  • Ein Start in der Mojave Wüste, Kalifornien, USA, am Gelände der Friends of Amateur Rocketry.

Kernkomponenten

  • Avionik-System: Inertialmessung; GPS-Daten; Startdetektion, Zündung der Stufentrennung, des Oberstufenmotors und des Bergungssystems; Telemetrie
  • Zentrale Bodenstation:stellt die Verbindung zur Rakete her; visualisiert alle flugrelevanten Parameter der Rakete in einer grafischen Oberfläche in Echtzeit
  • Autonome Bodenstationen: mehrere über das Gebiet verteilte RF-Repeater erweitern den Empfangsbereich der zentralen Bodenstation; speichern zusätzlich die empfangenen Datenpakete lokal unabhängig von der zentralen Bodenstation
  • Mechanische Struktur: Spitze aus hochtemperaturbeständigem Glasfaserverbundwerkstoff; Motorrohre sind tragende Teile der mechanischen Struktur
  • Stufenkupplung: im Design des Hecks der Oberstufe integriert: leicht, steif und kompakt
  • Bergungssystem: zweistufiges Design mit hitzefestem Aramid-Vorschirm sowie einem Nylon-Hauptschirm
  • Aerodynamisches Leitwerk: leichtes Design aus Metall, welches per Direct-Metal-Laser-Sintering (DLMS) hergestellt wird; sorgt für eine ausreichende Wärmeableitung, um eine hohe Festigkeit bei höheren Geschwindigkeiten zu erreichen; eine hybride Isogrid-Holm-Struktur im Innenraum sorgt für ein hervorragendes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis

Präsentation des Projekts “42km – The Hound”

Weitere Details über das Projekt und die Rakete sind in folgenden Videos zu sehen:

Die Präsentation des Projekts durch den Projektleiter Christoph Fröhlich im Rahmen des Space Events 2019:

Chronologie und Meilensteine

  • Im August 2016 nahm das Space Team an einem Raketenflugtag in Manching, Deutschland, teil, wo der erste zweistufige Testflug des Space Teams stattfand. Es wurde absichtlich ein Motor mit geringem Schub gewählt, um den Ablauf des zweistufigen Fluges vom Boden aus beobachten zu können. Dieser Flug demonstrierte erfolgreich den geplanten Flugablauf.
  • Nicht lange danach fand der erste Überschallflug des Teams statt. Mit einer maximalen Beschleunigung des 30-fachen der Erdbeschleunigung wurde die Rakete innerhalb von 1,4 s auf 390 m/s (Mach 1,14) beschleunigt. Trotz der aerodynamischen Störeffekte beim Passieren des transsonischen Bereichs, funktionierte die Gipfelpunkt-Erkennung der Bordcomputer reibungslos.
  • Nach langer Entwicklungszeit nahm “The Hound” endlich seine endgültige Form an. Im Mai 2017 absolvierte die Oberstufe von “The Hound” in Roitzschjora (Deutschland) ihren Jungfernflug. Das Ziel dieses Tests bestand darin, das neue Bergungssystem, die automatische Gipfelpunkt-Erkennung, die Lageschätzung und die Funkmodule zu testen. Dies sollte in einer Konfigurationen stattfinden die nahezu identisch jener ist, welche für den europäischen Rekordversuch verwendet werden soll.
  • Anfang 2018 wurden die letzten Tests in Roitzschjora (Deutschland) durchgeführt, und The Hound in einer zweistufigen Konfiguration erfolgreich gestartet bevor die Rakete in die USA verschifft wurde.
  • Der erste Versuch den Rekord zu brechen wurde 2018 in Nevada (USA) unternommen. Aufgrund eines Fehlers im Avioniksystem wurde die Oberstufe jedoch nicht gezündet und somit lediglich eine Höhe von ca. 13 km erreicht. Mehr dazu in dem Blogbeitrag (Link).

Da der Startversuch im Herbst 2018 nicht erfolgreich verlief, beschloss das TU Wien Space Team das Projekt zu verlängern und 2019 einen neuen Versuch zu starten: “The Hound 2”, welches das Konzept basierend auf den Erfahrungen des letzten Starts in mehreren Punkten adaptiert:

  • Verbesserte Integration des Telemetriesystems inklusive neuem Antennendesign
  • Iridium-Satellitenkommunikationsmodul als redundante Funkstrecke
  • Neues Konzept zur Zündung der Oberstufe
  • Neue Onboard-Videokameras

Im September 2019 wurde ein erneuter Rekordversuch unternommen. The Hound 2 startete trotz mehreren Verzögerungen, der Flug dauerte jedoch nicht lange: Die Oberstufe zerbrach kurz nach Brennschluss. Leider desintegrierte auch die Avionikeinheit dabei und die Datenaufzeichnung wurde gestoppt. Auch alle vier On-Board-Kameras konnten nicht mehr gefunden werden. Darüber hinaus brach die Funkverbindung zur Unterstufe während des Fluges ab und diese konnte nicht mehr geborgen werden. Ein detaillierter Abschlussbericht ist unter Abschlussbericht 2019 nachzulesen.

Im Laufe des Jahres 2020 wurde an einem erneuten Update gearbeitet: “The Hound 3”. Die wichtigsten Änderungen sind:

  • Integration einer Avionikeinheit im Kuppler zwischen den beiden Stufen, auf der eine Kamera, ein eigenständiger GPS-Tracker und ein GPS-unabhängiges Verfolgungsgerät („Vogelfinder“) sitzen.
  • Neues Backup-Device in der Unterstufe
  • Die Spitze der Oberstufe wird aus Titan gefertigt, statt wie bisher aus Aluminium.
  • Die elektrische Verbindung der Headend-Ignition wird robuster gestaltet. Vor dem Start von The Hound 2 kam es zu einem Kabelbruch an dieser Stelle, der in kürzester Zeit auf der Startrampe repariert werden musste.
  • Änderung in der Startprozedur um unabhängiger von der Qualität der Funkverbindung in Bodennähe zu sein.
  • Mehr Tests und Testflüge sollen die Plattform “The Hound” zuverlässiger machen, etwaige Tücken beseitigen und dem Team die Möglichkeit geben, die Startprozedur weiter zu perfektionieren.

Im Herbst 2020 sollte ein neuerlicher Versuch unternommen werden um den Europarekord zu brechen. Leider hatte uns das Coronavirus einen Strich durch die Rechnung gemacht: Balls 2020 wurde – wie so viele andere Events auch – abgesagt. Wir hatten aber trotzdem alle geplanten Updates und Verbesserungen umsetzen können. Dank Portugal Space erhielten wir auch eine großartige Möglichkeit diese auf europäischem Boden zu testen: EuRoC 2020. Nach dem Start erreichte der Sustainer eine max. Flughöhe von ca. 9 km was zu dem Zeitpunkt den höchsten Flug unseres Teams in Europa markierte. Die überarbeitete und teilweise neue Elektronik funktionierte einwandfrei und bescherte uns zum ersten mal fünf Onboard-Videos (2x Booster, 2x Sustainer, 1x Interstage).

Auch 2021 wurde uns ein erneuter Rekordversuch in den USA aufgrund von Reisebeschränkungen verwehrt. Wir nutzten die Zeit für Testflüge in Europa, da es trotz des erfolgreichen Fluges in Portugal 2020 noch immer Details zu verbessern gab. Im Juni und November 2021 wurden erfolgreiche zweistufige Testflüge in Polen durchgeführt, und der teaminterne Höhenrekord auf europäischem Boden auf 11800 m gehoben.

Plan für 2022

Nachdem die Reisebeschränkungen mittlerweile aufgehoben wurden, planen wir heuer einen erneuten Start in den USA. Genauer gesagt Ende September in Nevada, hier gehts zum Live Ticker.

Nach dem Motto „alle guten Dinge sind drei“ ist das Hound-Team guter Dinge, dass der dritte Rekordversuch von The Hound im Jahr 2022 ein voller Erfolg sein wird.

Simulationsergebnisse

Zur Simulation des Fluges wurden die bewährten Programme OpenRocket und RASAero verwendet. Die Ergebnisse, basierend auf den Parametern von “The Hound 2” bei einem Start in der Black Rock Desert, wollen wir hier präsentieren:

Projektteam

Beteiligt an dem Projekt waren bzw. sind (alphabetisch sortiert)

  • Christian Plasounig (Projektleiter bis 2018)
  • Christoph Fröhlich (Projektleiter ab 2019)
  • Andreas Bauernfeind
  • Tobias Bauernfeind
  • David Birschitzky
  • Florian Guggi
  • Alexander Hartl
  • Michael Hauser
  • Thomas Hirschbüchler
  • Patrick Kappl
  • Peter Kremsner
  • Benjamin Luxbacher
  • Ulrich Meisl
  • Simon Neumüller
  • Moritz Novak
  • Julian Präsent
  • Reinhard Rath
  • Stefan Schaffer
  • Stefan Schindler
  • Manuel Schleiffelder
  • Benedikt Stingl
  • Silvia Tirler