µHoubolt

µHoubolt ist die erste Rakete, die mit unserem eigens entwickelten Flüssigtriebwerk geflogen ist. Das Triebwerk verwendet Ethanol als Brennstoff und Lachgas (N2O) als Oxidator, die Treibstoffe werden mit Stickstoff druckgefördert. µHoubolt agierte als Einstieg in die Welt der Flüssigraketen – die Entwicklung hat sich darauf fokussiert, alle möglichen Hindernisse, die bei Bau und Betrieb von Flüssigtriebwerken auftreten können, im kleinen Maßstab zu testen. Diese Vorgehensweise erlaubte uns schnell und günstig eine Vielzahl an Design Iterationen auszutesten.

Missionsziel und Anforderungen

Das Missionsziel lautet, eine möglichst einfache Flüssigrakete zu bauen, starten und erfolgreich zu bergen. Wir haben beschlossen an der EuRoC 2022 teilzunehmen, da diese nicht nur eine exzellente Startmöglichkeit bietet, sondern auch den Austausch mit anderen Studierendenteams. So wurden die Anforderungen an die EuRoC Regeln angepasst die wie folgt lauten:

1. 3 km Flughöhe
2. 1 kg Nutzlast
3. Redundantes zweistufiges Bergungssystem

Eckdaten zur µHoubolt-Mission

Airframe

Der Airframe wurde auf Simplizität und möglichst geringes Gewicht optimiert. Deshalb besteht der gesamte Airframe im Grunde aus nur fünf Hauptbauteilen: Die Nosecone, das Körperrohr, der obere Trennmechanismus (genauer beschrieben im Abschnitt Bergungssystem), ein unteres Verbindungselement und die Fincan.

Die Nosecone wurde positiv auf einen 3D gedruckten Kern nass laminiert. Um das Gewicht der Nosecone zu minimieren, wurde der Kern aus ASA 3D gedruckt und nach dem Laminieren mit Aceton herausgelöst. Als Material wurde GFK gewählt, damit die Spitze für die darunterliegende Telemetrie funkdurchlässig ist.

Das CFK Körperrohr wurde extern angefertigt und hat einen Außendurchmesser von 123 mm und diverse Aussparungen für Betankungsanschlüsse und andere Verbindungen zum Bodenequipment.

Die Fincan wurde komplett in-house aus CFK gefertigt. Dazu wurde eine positive Form 3D gedruckt, davon wurde dann ein negativer Abdruck angefertigt, welcher wiederum als Form für die finale Fincan gedient hat. Die Fincan wurde aus vier Lagen Prepreg CFK gefertigt, mit einem Kern aus Rohacell.

Bergungssystem

Das Bergungssystem von µHoubolt wird von einem Clampband gebildet. Acht Klemmen, die an einem Federstahlband befestigt sind, verbinden die beiden Kuppler-Enden in Nosecone und Körperrohr. Die Enden des Clampbands werden mit einem Stück Aramid Schnur zusammengebunden und gegenüber mit einer Schraube tangential gespannt. Am Gipfelpunkt schneidet einer der beiden redundanten CYPRES Linecutter die Schnur – der Federstahl entspannt sich und löst die Klemmen. Nach der Separation beschleunigen vier Steinschleudergummies die Nosecone weg vom Rohr, der Drogue-Schirm entfaltet sich und bremst µHoubolt auf etwa 20 m/s. 250 m über dem Boden gibt ein weiterer Linecutter aus dem zweiten Set an redundanten Linecuttern den Hauptschirm frei, welcher vom Drogue aus dem Körperrohr gezogen wird, sich entfaltet und die Rakete auf etwa 6 m/s abbremst.

Treibstofftanks

Die Rakete hat zwei separate Treibstofftanks, einen für den Oxidator (Lachgas) und einen für den Brennstoff (Ethanol). Die Auslegung der Tanks wurde in Form einer Bachelorarbeit durchgeführt. Als Material wurde die Aluminiumlegierung EN AW 6082 T6 gewählt, da dieses Material gegenüber Lachgas chemisch resistent ist, über eine hohe spezifische Festigkeit verfügt und leicht schweißbar ist.

Anhand von Zugversuchen und FEM-Analysen wurde bestimmt, ob die Tankwände und Schweißnähte die Betriebsdrücke mit ausreichenden Sicherheiten aushalten.

Die Analyse kam zu dem Entschluss, dass die Schweißnähte die kritischen 

Stellen sind. Diese halten aber nicht nur dem Betriebsdruck von 50 bar stand, sondern auch dem Prüfdruck von 90 bar, mit einem Sicherheitsfaktor von 1,4.

Der Lachgastank hat ein Volumen von 2300 ml bei einem Arbeitsdruck von 50 bar und einem Leergewicht von 1170 g. Das Ethanol wird in einem Tank mit einem Volumen von 860 ml, einem Arbeitsdruck von 40 bar und einem Leergewicht von 680 g gelagert. 

Druckfördersystem

Die Treibstoffe werden durch Stickstoffbedruckung von den Tanks in die Brennkammer befördert. Der Stickstoff wird in Hochdrucktanks gespeichert und mithilfe von mechanischen Druckminderern auf den nötigen Arbeitsdruck reguliert. Diese Methode ist um einiges simpler als andere Fördermethoden. Gerade in kleinen Raketen wie µHoubolt hat diese Vorgehensweise zusätzlich den Vorteil – obwohl robustere Treibstofftanks nötig sind – Gewicht zu sparen, da auf Komponenten wie Pumpen, Generatoren, Elektromotoren und dergleichen verzichtet werden kann.

Für µHoubolt werden Druckkomponenten aus dem Paintballbereich verwendet. Die benötigten Bauteile wie Tanks, Druckminderer sind in großer Auswahl kommerziell erhältlich, was einerseits Designzeit und Kosten reduziert, sowie ein gewisses Level an Sicherheit gewährleistet. Da diese Teile allerdings nicht für den Einsatz in Raketen gedacht sind, haben sie keine detaillierten Datenblätter. Deshalb musste erst evaluiert werden, ob die Komponenten den gewünschten Druck bei dem benötigten Massenstrom liefern können. Die Tests waren erfolgreich, was zeigt dass diese massenproduzierten Komponenten für unsere Zwecke verwendbar sind.

Triebwerk

Das Herzstück der Rakete ist unser eigens entwickeltes und gefertigtes Flüssigtriebwerk “Amalia”, welches einen Schub von ungefähr 600 N liefert. Da es das erste Triebwerk seiner Art ist, welches vom TU Wien Space Team verwendet wird, ist viel Aufwand ins Testen und Verifizieren geflossen, um einen reibungslosen Betrieb beim tatsächlichen Flug der Rakete zu gewährleisten. Um das zu ermöglichen, wurde der Teststand TS02 vom Team entwickelt.

Injektor & Ventile

Der Oxidator strömt durch Düsen von oben in die Mitte des Triebwerks. Die Düsen regulieren den Massenstrom und entkoppeln den Brennkammerdruck vom Druck in den Tanks. Der Brennstoff strömt seitlich durch ein kavitierendes Venturi, welches demselben Zweck dient. Die Treibstoffe werden durch einen Unlike-Doublet Impingement Injektor in die Brennkammer eingeführt. Die Strahle von Oxidator und Brennstoff prallen aufeinander, zerstäuben und durchmischen sich, um eine gleichmäßige Verbrennung zu erreichen.

Der Treibstofffluss wird durch zwei Kugelventile kontrolliert, die von elektrischen Servomotoren aktuiert werden – so kann die Startsequenz präzise in Software konfiguriert werden. Das Triebwerk enthält außerdem zwei redundante interne pyrotechnische Zündladungen. Dadurch ist es nicht nötig, einen Zünder von außen in die Brennkammer zu verlegen.

Brennkammer

Um zu verhindern, dass die Brennkammerwand durch die extreme Hitze der Verbrennung überhitzt und zerfällt, muss sie gekühlt werden. Dazu können viele verschiedene Kühlmethoden wie, Kapazitiv-, Film- und Ablativkühlung.

Die einfachste Kühlmethode ist die kapazitive Kühlung und funktioniert indem genügend thermische Masse um die Brennkammer platziert wird, sodass bei einer kurzen Brenndauer die Temperatur nicht oberhalb des Schmelzpunktes ansteigen kann. Diese Methode ist gut und einfach für erste Tests am Teststand, allerdings nicht geeignet für den Flug, da das Triebwerk ansonsten um einiges zu schwer für die Rakete wäre.

Für die ersten Tests war eine kapazitive Brennkammer sehr hilfreich, da sie relativ einfach gefertigt werden kann und beliebig oft wiederverwendet werden kann. Mit Hilfe dieser Brennkammer konnten wir sowohl das Injektor Design als auch das Zünder Konzept validieren.

Für die flugfähige Version der Rakete wurde die Methode der ablative Kühlung gewählt. Dazu wurde ein Liner aus Phenolharz getränkter Baumwolle, in Kombination mit einem Aluminium Casing. Ablative Kühlung funktioniert durch Beschichtung der Innenwände mit einem hitzeabsorbierenden Material, welches beim Brennen verdampft. So wird die Hitze weg von den Wänden transportiert und eine Schutzschicht erzeugt. Der ablative Brennkammer-Liner ist ein Verschleißteil, welches für eine einmalige Nutzung gedacht ist. 

Avionik

Die Avionik von µHoubolt dient der Regulierung und Überwachung der Rakete. An vielen Stellen werden Daten durch eine Vielzahl an Sensoren gesammelt und für eine spätere Analyse gespeichert. “Avionik” ist ein Überbegriff des Systems, welches in unserem Fall in drei eigens entwickelte Submodule unterteilt ist:

1. ECU (Engine Control Unit) – Beinhaltet verschiedene Sensoren, um das Flugprofil und die Triebwerkscharakteristik zu überprüfen. Sie ist dafür verantwortlich, die Ventile zu betätigen, die Zündung zu aktivieren und Temperaturen sowie Drücke zu überwachen.
2. PMU (Power Management Unit) – Dient zur Stromversorgung der meisten Subsysteme und beinhaltet außerdem den “Safety Pin” welcher – bis er entfernt wird – das Triebwerk davor schützt, unbeabsichtigt gezündet zu werden.
3. RCU (Radio Control Unit) – Ermöglicht die Kommunikation zwischen der Rakete und der Bodenstation während des Fluges. Zusätzlich ist ein GNSS-Empfänger verbaut, um die Position der Rakete festzustellen. Die Sensordaten von den anderen beiden Modulen, sowie die GNSS Daten werden zur Bodenstation gesendet, um sicherzustellen, dass die Rakete gefunden werden kann und im Fall eines nicht nominalen Flugverlaufes die Ursache herausgefunden werden kann.

Bodensysteme

Um eine Flüssigrakete zu starten, braucht es neben einer Startrampe noch viele weitere Systeme, wie etwa die Betankung. Um so flexibel wie möglich zu bleiben, befinden sich alle diese Systeme auf einem fahrbereiten Anhänger. Die Bodensysteme beinhalten die Startrampe, das Betankungssystem, ein eigenes Steuersystem, sowie die Verbindungen zur Rakete (Stromversorgung, Datenverbindung und Betankungsschläuche), welche automatisch getrennt und zurückgezogen werden können. Um die Sicherheit zu erhöhen, läuft die Oxidator- und Stickstoffbetankung komplett ferngesteuert. So wird die Gefährdung von Personen, die andernfalls vor Ort mit den Geräten interagieren müssten, reduziert. In die Startrampe ist außerdem eine Rückhaltevorrichtung integriert. Diese gibt die Rakete nur dann frei, wenn die Triebwerksleistung nach der Zündung ausreichend für einen sicheren Start ist.

Start in Straubing

Am 25.Juni erfolgte der Erstflug von µHoubolt in Straubing, Deutschland. Nach der relativ langen Anreise wurden die Startvorbereitungen gegen 14 Uhr begonnen. Die Vorbereitungen der Rakete und Bodensystem verliefen überwiegend problemlos. Innerhalb weniger Stunden war die gesamte Start-Infrastruktur (Startrampe, Betankungsanlage, Mission Control) aufgebaut und einsatzbereit. Da dort die maximale Flughöhe beschränkt ist, verringerten wir die Brenndauer auf 4s, um eine maximale Flughöhe von 1 km zu erreichen. Nach dem erfolgreichen Betanken der Rakete mit sowohl Brennstoff als auch Oxidator war die Rakete bereit ihren Erstflug anzutreten.
Das Zünden des Triebwerks funktionierte einwandfrei. Der Hold Down Mechanismus wurde ausgelöst und µHoubolt zog in den Himmel. Aufgrund des relativ starken Windes und der niedrigen Startgeschwindigkeit drehte sich die Rakete in den Wind. Dies führte zu einer hohen Horizontalgeschwindigkeit beim Apogäum, wodurch die Leine zum Vorschirm leider gerissen ist. 250m über dem Boden wurde der Hauptfallschirm ausgeworfen, dieser riss aufgrund der hohen Fallgeschwindigkeit ebenfalls. µHoubolt schlug in den guten bayerischen Boden ein. Trotz der Bruchlandung war der Start ein Erfolg, da das gesamte Antriebssystem vollständig funktioniert hat und nur der Fallschirm Schock stärker war als erwartet. Nichts desto trotz konnten wir aus diesem Fehler lernen und die gewonnenen Informationen für die nächste Iteration von µHoubolt nutzen.

EuRoC 2022

Nach der harten Landung in Straubing standen wir erstmal mit einer bei weitem nicht flugfähigen Rakete da. Unser Ziel an der EuRoC (European Rocketry Challenge) teilzunehmen wollten wir aber immer noch erreichen, also machten wir uns an die Arbeit und fertigten eine neue Rakete. Diesmal mit einigen Verbesserungen, die uns einen erfolgreichen Flug bescheren sollten. Nur wenige Bauteile konnten wiederverwendet und in der zweiten Version verbaut werden, dennoch hatten wir wenige Monate später erneut eine funktionstüchtige Rakete. Bevor wir allerdings tatsächlich teilnehmen konnten, mussten wir einen erfolgreichen Hotfire Test vorweisen. Diesen konnten wir am 30. September durchführen und waren somit startklar für die EuRoC 2022, welche in der Zeit vom 11. bis 18. Oktober stattfand. Einige Teammitglieder machten sich schon drei Tage vor Beginn der Veranstaltung mit dem Auto auf den Weg nach Portugal, um die Launchrail, die Bodensysteme und die Rakete nach Ponte de Sor zu transportieren. Der Rest des Teams reiste am 10. Oktober mit dem Flugzeug an und begann schon kurz nach der Ankunft mit den Vorbereitungen an der Rakete.

Am Tag darauf bauten wir unseren Messestand im Paddock auf. Hier war µHoubolt das Highlight der Ausstellung, da es die einzige Flüssigtreibstoffrakete war.

Den zweiten offiziellen EuRoC-Tag nutzten wir, um die Rakete so herzurichten, dass wir das FRR (Flight-Readiness-Review), welches am nächsten Tag stattfinden sollte, abhalten konnten. 

Am 13. Oktober stand das FRR an, bei dem zwei Mitglieder der EuRoC Jury die Rakete genau unter die Lupe nahmen und entschieden, ob die Rakete die Vorgaben erfüllte, um an der Challenge teilzunehmen. Die Jury war beeindruckt von µHoubolt, bat uns aber bis zum Folgetag noch ein paar Dokumente nachzureichen.

Diese reichten wir am Tag darauf nach und konnten somit am nächsten Tag zur Launch Site fahren.

Am 15. Oktober machten wir uns sehr früh auf den Weg zur Launchsite, einer Basis des portugiesischen Militärs. Allerdings hatten wir einige kleinere technische Probleme, die uns leider dazu zwangen, den Start auf den darauf folgenden Tag zu verschieben.

Wir begannen erneut schon sehr früh mit den Vorbereitungen, um gleich im ersten Startfenster zu starten, allerdings spielte das Wetter nicht mit, es fing an zu regnen. Uns blieb nichts anderes übrig, als zu hoffen, dass sich das Wetter bis zum nächsten Startfenster bessert. Kurz vor 14 Uhr erhielten wir die Nachricht, dass wir im nächsten Zeitfenster starten können und begannen nun mit dem Betanken und den finalen Vorbereitungen. 

Um 14:11 war es dann soweit, wir bekamen die Freigabe zu starten, koppelten unsere Betankung ab und starteten unseren Countdown. Die Rakete zündete nominal und begann ihren Aufstieg in den Wolken bedeckten Himmel auf ungefähr 2,2 Kilometer Höhe. Hinter der Wolkendecke, am Apogäum, löste der Flugcomputer das Bergungssystem aus und warf den Drogue Fallschirm aus. In einer Flughöhe von 250 Metern wurde der Hauptfallschirm ausgeworfen und die Rakete landete sanft auf einem kleinen Hügel in etwa 1,6 Kilometern Entfernung. Die Rakete sendete uns bis kurz vor der Landung durchgängig ihre GPS-Position, doch die Bergung wurde uns weiter erleichtert, da einer der vielen im Gebiet positionierten Feuerwehrmänner unsere Rakete beim Sinken beobachten konnte und genau sah, wo sie landete. Wir wurden von einem LKW des portugiesischen Militär abgeholt und konnten die Rakete in nur 20 Minuten zurück zur Launchsite bringen. Die Rakete war praktisch unversehrt, was uns auch die volle Punktzahl für das Recovery Scoring der Challenge brachte.

Mit unserer Teilnahme an der diesjährigen European Rocketry Challenge konnten wir den ersten erfolgreichen europäischen Flüssigraketen-Start eines Studierendenteams mit vollkommen gelungener Bergung durchführen. Dieser Erfolg wurde von Seiten der EuRoC mit dem Flight Award der Flüssigantrieb-3km-Klasse ausgezeichnet.

Sowohl alle anderen Teams, als auch Vertreter der Luft- und Raumfahrtindustrie zeigten großes Interesse, da wir nicht nur durch das deutlich komplexere Antriebssystem herausgestochen sind, sondern gleichzeitig auch zu den kleinsten Raketen gezählt haben.

Abschließend ist zu sagen, dass wir sehr Stolz auf diesen Erfolg sind und das Missionsziel für µHoubolt zur Gänze erfüllt haben.

 

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Sieh dir ein paar Videos von unserem Propulsion Team bei der Arbeit am Triebwerksteststand an:

 

 

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