The_Hound_In_Near_Space (Background: Nasa STS-64)
The_Hound – Sustainer near Apogee (Background Source: wikipedia/Thunderstorms_over_the_Pacific_seen_from_Earth_orbit_on_STS-64.jpg)

 

Kurzfassung:

Simulation details (OpenRocket)

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, die auf maximale Höhe optimiert ist. Limitiert sind wir durch die uns zu Verfügung stehenden Materialien und Fertigungstechniken.

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

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

Weitere Herausforderungen sind:

  • Zündung des Motors der Oberstufe
  • Bestimmung der erreichten Höhe
  • Apogäumdetektion und barometrische Höhenerkennung zum Auslösen der Bergung der ersten und zweiten Stufe (2-stufiges Bergungskonzept)
  • On-Board Videoaufnahmen
  • Funkkontakt während des ganzen Fluges aufrechterhalten
  • 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 ist die einzig gangbare Option ein Start in der Black Rock Wüste, Nevada, USA im Rahmen des Events “BALLS” der amerikanischen Tripoli Rocketry Association.

Dennoch würde bisher alles über 32,3 km (aktueller Rekordhalter ist HyEnD/Stuttgart) einen neuen Höhenrekord für “von europäischen Studierendenteams gebaute Experimentalraketen” aufstellen – und das ist es, was wir erreichen wollen!

Kernkomponenten

  • Avionik-System: Inertialmessung; GPS-Daten; Start-Detektion, Zündung der Stufentrennung, des Oberstufenmotors und des Recovery-Systems; 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 eine hervorragendes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis;

Eine Präsentation des Projektleiters a. D. Christian Plasounig, welcher den Stand des Projektes im Mai 2018 präsentiert, findet sich hier.

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

Meilensteine bis 2018

  • 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 Sekunden 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, bevor die Rakete in die USA verschifft wurde.
  • Der erste Versuch den Rekord zu brechen wurde 2018 in Nevada (USA) gestartet. Aufgrund eines Fehlers im Avioniksystem wurde die Oberstufe jedoch nicht gezündet und somit lediglich eine Höhe von ca. 13km erreicht. Mehr dazu in dem Blogbeitrag (Link).

Aktueller Status 2019

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. Wesentlich dabei ist, dass die Reise nach Nevada mit zwei Raketen angetreten wird: “The Hound 2018” mit nur minimalen Änderungen sowie einem Update von “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

Mit den beiden Raketen erhöht sich nun die Erfolgschance um unser Ziel zu erreichen: to boldly go where no student has gone before. (Update: Im Frühjahr 2019 wurde mit einer Rakete eines amerikanischen Studierendenteams die von Kármán – Linie überschritten und somit ein neuer Weltrekord von Universitätsteams aufgestellt wurde. Der aktuelle europäische Rekord liegt nach wie vor bei 32,3 km.)

Simulationsergebnisse

Zur Simulation des Fluges wurden die bewährten Programme OpenRocket und RASAero verwendet. Die Ergebnisse, basierend auf den aktuellen Parametern von “The Hound 2”, wollen wir hier präsentieren:

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

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
  • Alexander Hartl
  • Michael Hauser
  • Thomas Hirschbüchler
  • Patrick Kappl
  • Peter Kremsner
  • Ulrich Meisl
  • Simon Neumüller
  • Moritz Novak
  • Reinhard Rath
  • Stefan Schaffer
  • Stefan Schindler
  • Manuel Schleiffelder
  • Benedikt Stingl