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Bachelorarbeit

Thema: Design und Auslegung eines Bergungssystems für eine Experimentalrakete im Atmosphärenflug Studiengang: Mechatronik Ersteller: Johannes Lachner

Zeitraum: 09.11.2012-09.04.013 Abgabedatum: 09.04.2013

Betreuer der Hochschule Augsburg: Dipl. -Ing. Moritz Ellerbeck M.Eng Erstprüfer: Prof. Dipl.-Ing. Ulrich Thalhofer

Verfasser der Bachelorarbeit Johannes Lachner Mundingstraße 1 86159 Augsburg Telefon 0170/3339990 Johannes.lachner@hsaugsburg.de


III


Abbildung 1: Logo des HyCOMET Projektes

IV


Rechtsverbindliche Erklärung Ich versichere, dass ich die Bachelorarbeit selbstständig verfasst, noch nicht anderweitig für Prüfungszwecke vorgelegt, keine anderen als die angegebenen Quellen oder Hilfsmittel benutzt sowie wörtliche und sinngemäße Zitate als solche gekennzeichnet habe.

………………………….

……………….

……………………………..

(Ort)

(Datum)

(Unterschrift)

V


Danksagung

Die vorliegende Bachelorarbeit wurde für das Projekt HyCOMET der Hochschule Augsburg erstellt. Insbesondere möchte ich mich hiermit bei meinem dortigen Betreuer Herrn Dipl. - Ing. Moritz Ellerbeck für seine tatkräftige Unterstützung und allumfassende Beratung bedanken. Er stand jederzeit für Fragen zur Verfügung und gab mir hilfreiche Tipps und Anregungen für mein weiteres Vorgehen. Außerdem danke ich Herrn Dipl.-Ing. arch. Thomas Dirlich für seine Ratschläge, sowie dem gesamten HyCOMET-Team für die Zusammenarbeit. Mein abschließender Dank geht an Herrn Prof. Dipl.-Ing. Ulrich Thalhofer, der meine Arbeit als Erstprüfer bewertet.

VI


Zusammenfassung

Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Design und der Auslegung eines Bergungssystems für eine Experimentalrakete. Es soll mit lösungsunterstützender Literatur gearbeitet werden und anschließend eine Auswertung der Lösungsbeispiele erfolgen, die in das Konzept für das Bergungssystem aufgenommen werden. Nach der Auswertung und Beurteilung von verschiedenen Möglichkeiten soll ein eigenes Bergungskonzept entwickelt werden. Dabei fließen Entscheidungen über Zukaufteile, die eigene Konstruktion von Bauteilen und die mathematische Berechnung für die Auslegung aller Teile mit ein. Außerdem werden alle nötigen Informationen rund um das Thema "Bergung einer Experimentalrakete" veranschaulicht, um neuen Mitgliedern im HyComet- Team einen raschen Überblick zu verschaffen und ihnen die schnelle Einarbeitung in die Thematik zu erleichtern. Einen entscheidenden Teil dieser Arbeit nimmt das Management ein. Ohne eine richtige Strategie und Herangehensweise an das Projekt wird es nicht möglich sein in der verfügbaren Zeit ein gefordertes, fehlerfreies System zu entwickeln. Im Anschluss an das Konzept folgt die Umsetzung in die Praxis. Aus Zeitgründen ist praktische Realisierung nicht mehr Teil dieser Arbeit.

Abstract The major task of this paper is to design a recovery system for a high power rocket. Therefore it is important to earn general knowledge about the examples of use. Right after the interpretation and evaluation of all possibilities, all offers with the best capability will flow in the concept. The concept consists of finding top-sellers, designing components and making a mathematical calculation for all recovery parts. Another aim of this paper is to give an overview around the topic "recovery systems" and in this way to make it possible for new team-members to work in the issue quickly. A big part of the paper is the management. Without an appropriate strategy, there is no chance to create a working system to rescue the rocket. The last part of the work will be to put the theory into practice. Unfortunately for the lack of time this task won´t be a part of this paper anymore.

VII


Inhaltsverzeichnis

Rechtsverbindliche Erklärung .................................................................................... V Danksagung................................................................................................................ VI Zusammenfassung.................................................................................................... VII Abstract ..................................................................................................................... VII Inhaltsverzeichnis .................................................................................................... VIII Abbildungsverzeichnis ............................................................................................... X Tabellenverzeichnis ................................................................................................... XI 1 Einführung ........................................................................................................... - 1 2 Management ........................................................................................................ - 2 2.1 Zielvereinbarung.............................................................................................................. - 2 2.2 Anforderungsliste ............................................................................................................ - 3 2.3 Meilensteine................................................................................................................... - 11 2.4 Zeitplan ........................................................................................................................... - 12 3 Einarbeitung in bestehende Literatur ............................................................... - 14 3.1 Lösungsunterstützende Anwendungsbeispiele und –möglichkeiten............................. - 14 3.1.1 Möglichkeiten der Bergung ......................................................................................... - 14 3.1.2 Fallschirmform/ -größe ............................................................................................... - 18 3.1.3 Auswurfsysteme .......................................................................................................... - 21 3.1.4 Telemetriesysteme ...................................................................................................... - 24 3.2 Abstrahieren der Literatur und Lösungsmöglichkeiten.................................................. - 28 4 Randbedingungen .............................................................................................. - 35 4.1 Kennwerte des Trägersystems ....................................................................................... - 35 4.2 Flugphasen ..................................................................................................................... - 35 4.3 Schnittstellen im Träger ................................................................................................. - 37 4.4 Umweltbedingungen ...................................................................................................... - 37 5 Ausarbeitung eines Konzeptes ......................................................................... - 39 5.1 Grundmerkmale und Funktionsweise des Bergungssystems......................................... - 39 5.1.1 Elektronische Komponenten ....................................................................................... - 41 5.1.2 Mechanische Komponenten ....................................................................................... - 43 5.1.3 Pyrotechnische Komponente ...................................................................................... - 57 5.2 Einschränkungen und Störfaktoren................................................................................ - 58 6 Praktische Umsetzung des Konzeptes ............................................................. - 59 7 Fazit und Empfehlung für weiteres Vorgehen .................................................. - 60 VIII


Literaturverzeichnis ................................................................................................... XI Anhang A: kompletter Aufbau ................................................................................. XIII Anhang B: Zusammenbau Auslรถsesegment .......................................................... XIV

IX


Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Logo des HyCOMET Projektes ................................................................... IV Abbildung 2: Bergung mit Hilfe eines Streamers [5] .................................................... - 15 Abbildung 3: Flugphasen bei einstufiger Bergung [7] .................................................. - 16 Abbildung 4: Flugphasen bei zweistufiger Bergung [8] ................................................ - 17 Abbildung 5: Reefing [9].............................................................................................. - 18 Abbildung 6: Kolben [11] ............................................................................................. - 21 Abbildung 7: Packung Schritt 1 [12] ............................................................................ - 22 Abbildung 8: Packung Schritt 2 [12] ............................................................................ - 22 Abbildung 9: Packung Schritt 3 [12] ............................................................................ - 23 Abbildung 10: radiale Auswurfsvariante [6] ................................................................. - 23 Abbildung 11: Teilsegmente der Rakete ..................................................................... - 40 Abbildung 12: Verdrahtung in vereinfachter Form ....................................................... - 43 Abbildung 13: Einzelteile der Aufstechvorrichtung ...................................................... - 48 Abbildung 14: Aufstechvorrichtung mit Gasflasche ..................................................... - 49 Abbildung 15: Verbindungselement mit Aufstechvorrichtung....................................... - 50 Abbildung 16: Aussparungen f端r Gewichteinsparung .................................................. - 51 Abbildung 17: Gewicht eines Verbindungselementes.................................................. - 51 Abbildung 18: Scherverbindung .................................................................................. - 53 Abbildung 19: Zugversuch .......................................................................................... - 56 Abbildung 20: Haltevorrichtung der Altimeter .............................................................. - 57 -

X


Tabellenverzeichnis Tabelle 1 Einheiten in der Anforderungsliste ................................................................. - 3 Tabelle 2 Anforderungsliste .......................................................................................... - 4 Tabelle 3: Zeitverteilung Meilensteine ......................................................................... - 13 Tabelle 4: Gantt-Diagramm ......................................................................................... - 14 Tabelle 5: Bremswirkung der verschiedenen Fallschirmformen [8].............................. - 19 Tabelle 6: Spezifikationen Zweistufen-Altimeter von Adept Rocketry .......................... - 25 Tabelle 7: Nutzwertanalyse zur Anzahl der Fallschirme .............................................. - 29 Tabelle 8: Nutzwertanalyse f端r Auswurfsystem ........................................................... - 32 Tabelle 9: Nutzwertanalyse zur axialen Ausbringung .................................................. - 33 -

XI


1 Einführung Im Rahmen eines Förderprogramms, gibt das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) Studenten die Möglichkeit, mit ihrer Hochschule eine Experimentalrakete zu entwickeln. Unter dem Namen "STERN" (Studentische Experimental-Raketen) ist es den teilnehmenden Teams möglich ihre Ideen selbstständig zu entwickeln, zu testen und tatsächlich in die Praxis bei dem Start der Rakete umzusetzen. [1] Nach der theoretischen Ausarbeitung folgt die Erstellung eines Teststandes. An diesem wird die Belastbarkeit der einzelnen Teilbereiche getestet. Nach der Auswertung und Analyse des Teststandes wird die Rakete schließlich im Jahr 2015 im Raumfahrtzentrum Esrange bei Kiruna in Schweden starten. Das gesamte Team wird dafür in verschiedene Bereiche eingeteilt. Diese bestehen aus Antrieb, Struktur, Bergungssystem und Nutzlast. Vorgabe des DLR ist es, dass sich an Bord der Rakete ein Telemetrie System befindet, mit welchem alle wichtigen Daten an eine Bodenstation gesendet werden können. Als Antrieb hat sich das Team für eine Hybridvariante

entschieden.

Die

Struktur

wird

von

den

Rohrkörpern,

Verbindungselementen, Finnen und der Nase gebildet. Für Rohrkörper und Finnen wird als

Material

Kohlenstofffaserverstärkter

Kunststoff

(CFK)

benutzt.

Die

Verbindungselemente bestehen aus Aluminium. Die Spitze ist ein Zusammenbau aus CFK- und Aluminium-Teilen. Aus Stabilitätsgründen wird das Verhältnis von Länge zu Durchmesser

mit

1/10

angepeilt.

Nimmt

man

also

einen

Rohrkörper

mit

Außendurchmesser 150 mm, so sollte die Länge der Rakete ca. 1500 mm (=1,5 m) sein. Vorgabe der DLR ist es, eine Höhe von 5 Kilometer zu erreichen. Dabei soll eine Fluggeschwindigkeit von mindestens Mach1 erreicht werden, was praktisch der Schallgeschwindigkeit entspricht. Der Inhalt dieser Arbeit befasst sich mit dem Bergungssystem der Rakete. Ziel ist es, nach einer gründlichen Einarbeitung in die bestehenden Möglichkeiten, eine geeignete Methode zur sicheren Bergung zu finden. Für diese soll ein Konzept entwickelt werden. Um die Funktionalität des Konzeptes sicherzustellen wird ein Funktionsmodel (engl. "Breadbord") erstellt. Nach Fertigung und Aufbau des Models wird der Teststand ausgewertet und analysiert.

-1-


2 Management

2.1 Zielvereinbarung Zu Beginn der Arbeit wurden die Ziele und Anforderungen an das Bergungssystem herausgestellt. Diese sind zum Teil Vorgaben des DLR, als auch Wünsche und Erwartungen des HyCOMET- Teams, bzw. dessen Betreuer. Das Hauptziel ist es, die Rakete sicher auf den Boden zurück zu bringen. Die Vermeidung von Unfallgefahren am Landeplatz hat dabei höchste Priorität. Zur anschließenden Auswertung ist es wichtig, die Nutzlast nicht zu beschädigen. Es sollen ausschließlich redundante Systeme zur Bergung eingesetzt werden. Die Bodenstation

muss

zu

jeder

Zeit

Informationen

über

die

aktuelle

Flughöhe,

Geschwindigkeit, sowie Beschleunigung und Flugbahn empfangen. Dabei besteht die Vorgabe, dass alle Daten in Echtzeit übermittelt werden, was durch die Telemetrieeinheit gewährleistet wird. Es ist sicherzustellen, dass diese zuverlässig funktioniert und auch in der maximalen Flughöhe alle Daten erfolgreich sendet. Des Weiteren ist zu prüfen, ob die Sendefrequenz am Startplatz in Kiruna im zugelassenen Frequenzband liegt. Auch die einwirkenden Beschleunigungs- und Bremskräfte dürfen die Einheit in ihrer Funktion nicht behindern. Die Telemetrieeinheit dient außerdem der Aktivierung des Bergungssystems. Zur zerstörungsfreien Bergung der Rakete sind vertretbare Fallgeschwindigkeiten wichtig, welche durch ein redundantes Fallschirm- und Auslösesystem ermöglicht werden. Die Zündung wird durch zwei eigenständige Messsysteme sichergestellt, welche parallel zu einander auslösen. Sollte System 1 ausfallen, wird die Zündung durch System 2 gewährleistet. Eine weitere Komponente des Bergungssystems ist der Fallschirm, dessen optimale Form und Bauart gefunden werden soll. Durch eine falsche Wahl könnte die Bergung unkontrolliert ablaufen und es käme zu einem nicht kalkulierten Abdriften der Rakete. Je weiter der Flugkörper vom Startplatz entfernt landet, desto schwieriger wird die anschließende Suche nach den einzelnen Bauteilen. Da sich in Schweden sehr große Waldgebiete befinden, wird sich das Auffinden ansonsten als schwierig erweisen. Darüberhinaus ist eine leuchtende Signalfarbe des Fallschirms von Vorteil. Alle an der Bergung beteiligten Komponenten müssen in jeder Flugphase zuverlässig funktionieren. Es sollen nur geprüfte und standardisierte Bauteile elektrischer, sowie mechanischer Art zum Einsatz kommen.

-2-


2.2 Anforderungsliste Die geforderten Ziele sind im Folgenden zu einer Anforderungsliste zusammengefasst. Dadurch wird verhindert, dass die Rahmenbedingungen während der Ausarbeitung der Arbeit

außer

Acht

gelassen

werden.

Dabei

muss

sowohl

auf

physikalische,

mathematische, konstruktive, organisatorische sowie geographische Problemstellungen eingegangen werden, die für das Projekt relevant sind. Im Verlauf der Arbeit füllt sich die Liste mit konkreten Werten, die das Ergebnis von Berechnungen und Auslegungen sind. Die Anforderungsliste stellt daher eine Zusammenschau der Bedingungen dar, die während des gesamten Projekts beachtet und eingehalten werden müssen. Die Liste wird in verschiedene Teilbereiche und Oberbegriffe untergliedert. Jedem Element eines Oberbegriffes wird ein Zahlenwert, die jeweilige Einheit und eine festgelegte Priorität zugeteilt. Die Prioritäten untergliedern sich in Mindestanforderung (MF), Festforderung (FF) und Wunsch (W). Tabelle 1 Einheiten in der Anforderungsliste

Größenart

Einheit

Volumen

L (Liter) = dm3 (Kubikdezimeter)

Fläche

m2 (Quadratmeter)

Kraft

N (Newton)

Geschwindigkeit

m/s (Meter pro Sekunde)

Gewicht

Kg (Kilogramm)

Druck

hPa (Hektopaskal)

Temperatur

°C (Grad Celcius)

Währung

€ (Euro)

-3-


Tabelle 2 Anforderungsliste

Anforderung

Wert/Stoff

1.

Funktion

1.1

Bergung der Rakete/Nutzlast

1.2

Vermeidung

von

Verletzungen

Einheit

Priorität

FF am

FF

Landeplatz 1.3

Zwei Auslösemechanismen

W

2.

Störeffekt

2.1

Landezone: Wald

FF

2.2

Gehäuse: elektrischer Leiter

FF

3.

Geometrie

3.1

Raumbedarf

3.1.1

1. Fallschirm

ca. 50

L

FF

3.1.2

2. Fallschirm

ca. 100

L

FF

3.1.3

Gasflaschen/Befestigung/Telemetrie

ca. 50

L

FF

3.2

Befestigung

3.3

Fallschirmform

3.3.1

Rund

20

m2

MF

2

MF

3.3.2

Kreuz

2

m

4.

Kinematik

4.1

4 Bremsstöße beim Ausstoß

FF

4.1.1

Ausstoß 1.FS

FF

4.1.2

Entfalten 1.FS

FF FF

4.1.3

Ausstoß 2.FS

FF

4.1.4

Entfalten 2.FS

FF

4.2

Fallgeschwindigkeit

4.2.1

1.FS

20

m/s

MF

4.2.2

2.FS

5

m/s

MF

5.

Kräfte

5.1

Gewicht

25

Kg

FF

5.1.1

1. FS

0,7

Kg

MF

5.1.2

2. FS

1,3

Kg

MF

5.2

Widerstandskräfte

Bei > Mach 1

-4-

FF


6.

Umgebungsbedingungen

6.1

Druckänderung

p0=1013

hPa

p(5km)=540

hPa

FF

6.2

Wind

FF

6.3

Temperaturgradienten

ca. 6

°C/km

FF

6.3.1

Staudrucktemperatur

100

°C

FF

6.3.2

Umgebungstemperatur

ca. 10

°C

FF

6.4

Feuchtigkeit

FF ρ0 = 1,225

3

kg/m

6.5

Luftdichte

FF

7.

Wert/Stoff

7.1

Fallschirmstoff

Nylon

FF

7.2

Schnüre

Nylon

FF

7.3

Gasflaschen

CO2

W

7.4

Pyrowatte

W

7.5

Leichtbaumaterialien

FF

7.5.1

Segmente

CFK

FF

7.5.2

Verbindungselemente

Aluminium

FF

7.5.3

Scheerstifte

Polystyrol

W

7.5.4

Aufstechvorrichtung

Aluminium

FF

8.

Signal

8.1

Telecommand/Telemetrie

FF

8.2

Ermittlung der aktuellen

FF

Flughöhe/Geschwindigkeit/Beschleunigung

8.3

Auslösesignal der 2 Fallschirme

FF

9.

Fertigung

9.1

Fertigungsmöglichkeiten an der HSA

9.1.1

- konventionell Fräsen und Drehen

W

9.1.2

- CNC

W

10.

Kontrolle

10.1

Kontrolle über TM&TC

FF

10.2

Kontrolle über redundantes System

FF

11.

Instandhaltung

11.1

Säuberung nach Tests

FF

11.2

Austausch von Verbrauchsmaterialien

FF

-5-


12.

Sicherheit

12.1

Störung durch Nachbarsysteme vermeiden

FF

12.2

Datensicherung/Backup

FF

12.3

TC:Manuelle Auslösung des FS

W

12.4

Drahtbruchsicherheit

FF

13.

Entwicklung

13.1

Projektplanung mit Terminen

FF

13.2

Grundlagen der Berechnung

FF

13.3

Vorschriften und Normen

FF

14.

Kosten

14.1

Material und Arbeitszeit

14.1.1

Mechanik/Struktur

500

MF

14.1.2

Elektronik/TC-TM

600

MF

14.2

Elektronik für Auslösung

300

MF

14.3

Fallschirme

350

MF

15.

Schnittstellen

15.1

Triebwerk

FF

15.2

Nutzlast

FF

15.3

Struktur

FF

Die oben aufgeführte Anforderungsliste ist eine Kurzfassung der im Anhang beigefügten großen Anforderungsliste. Aus Übersichtlichkeits- und Platzgründen wurde sie nicht im vollen Umfang an dieser Stelle eingefügt. Die Liste im Anhang beinhaltet zudem noch Datum und Ort der Veränderungen, sowie den jeweiligen Verantwortlichen.

Erklärung zur Anforderungsliste 

Bergung der Rakete/ Nutzlast Die Rakete soll sich nach der Landung in einem möglichst intakten Zustand befinden.

Vermeidung von Verletzungen am Landeplatz Hauptanforderung ist es, keine umstehenden Personen bei der Landung der

-6-


Rakete zu verletzen. 

Zwei Auslösemechanismen Bereits nach kurzer Recherche wurde festgestellt, dass nur ein zweistufiges Bergungssystem die Anforderungen erfüllt.

Landezone: Wald Rund um den Startplatz in Kiruna (Schweden) befinden sich ausschließlich Waldgebiete, die die Bergung erschweren könnten.

Gehäuse: elektrischer Leiter Bei der Verdrahtung der Telemetrie oder anderer elektrischer Bauteile, ist darauf zu achten, dass es zu keinem Gehäuseschluss über die Rohrsegmente kommt.

Raumbedarf 1. Fallschirm/ 2. Fallschirm Die

Größe

der

Fallschirme

darf

nicht

das

verfügbare

Volumen

der

Fallschirmkammern überschreiten. 

Raumbedarf für Gasflaschen/ Befestigung/ Telemetrie Die Dimension der CO2-Kartuschen darf für das vorgesehene Mittelstück nicht zu groß sein. Außerdem müssen Befestigungshaken ("U-Bolts") und Telemetrie samt Halterung untergebracht werden.

Befestigung Aus Gründen der Stabilität und Gewichtsverteilung muss der geometrische Ort der Verankerungen

genau

bestimmt

werden.

Er

wurde

im

Zentrum

der

Zwischenflansche gewählt. 

Fallschirmform Rund/ Kreuz Nach umfangreicher Recherche wurden die beiden Fallschirmarten ausgewählt. Die optimale Voraussetzung liefert eine Kreuzform als Vorfallschirm und eine Rundkappenbauart für den Hauptfallschirm.

4 Bremsstöße beim Ausstoß Die Sprengung der Segmente und das Öffnen der Fallschirme erzeugt vier Bremsstöße, die bei der Struktur und Stabilität der Rakete mit einberechnet werden müssen.

Fallgeschwindigkeit 1.FS/ 2.FS Für eine erfolgreiche Bergung ist es wichtig, die Fallschirme anhand der jeweilig festgesetzten Fallgeschwindigkeit zu dimensionieren.

Gewicht 1.FS/ 2.FS Um bereits im Vorfeld eine Abschätzung über die Gesamtmasse und der damit zusammenhängenden Flughöhe der Rakete treffen zu können, muss das genaue Gewicht der beiden Fallschirme bekannt sein.

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Widerstandskräfte Durch die Bewegung der Rakete sind alle Systemkomponenten ständig wechselnden Widerstandskräften ausgesetzt. Sie wirken stets entgegengesetzt der Bewegungsrichtung.

Druckänderung Durch die angestrebte Flughöhe entsteht ein erheblicher Druckunterschied, der bei der Auslegung der Segmentverbindungen eine große Rolle spielt.

Wind Nach dem Öffnen der Fallschirme muss damit gerechnet werden, dass eine große Abdrift der Rakete durch auftretende Windböen entsteht.

Temperaturgradienten Die Temperatur hängt vom Startort der Rakete ab und ändert sich mit zunehmender Flughöhe.

Staudrucktemperatur Bei der Umströmung

des Flugkörpers entsteht ein Staupunkt an der

Raketenspitze. 

Umgebungstemperatur Bei veränderter Umgebungstemperatur kommt es zu einer Ausdehnung/ Kompression der verschiedenen Werkstoffe.

Feuchtigkeit Es dürfen keine elektrischen Bauteile durch Feuchtigkeit beschädigt werden. Es muss für eine lückenlose Abdichtung der Raketenstruktur gesorgt werden.

Fallschirmstoff Anhand der Stoffdichte kann das Gewicht und das benötigte Volumen des Fallschirms berechnet werden.

Schnüre/ Schockleinen Das Material der verwendeten Schnüre und Leinen muss eine bestimmte Reißfestigkeit aufweisen.

Gasflaschen Die Trennung der Segmente wird durch ausströmendes CO2 erzeugt, sodass es zu einem Druckanstieg in den Fallschirmkammern kommt. Ab einem bestimmten Druck werden die Scherverbindungen getrennt.

Pyrowatte Als Treibstoff der Aufstechvorrichtung für die Gaskartusche wird Cellulosenitrat [2] verwendet.

-8-


Leichtbaumaterialien Für alle Bestandteile der Rakete werden Leichtbaumaterialien verwendet. Die Segmente bestehen aus CFK, die Verbindungselemente aus Aluminium und die Scherstifte aus Polystyrol.

Aufstechvorrichtung Durch die Aufstechvorrichtung wird das in der CO2-Kartusche befindliche Gas frei gesetzt.

Telecommand/ Telemetrie Vorgabe des DLR war es, in den Flugkörper ein Telecommand - und Telemetriesystem einzubauen, welches bestimmte Flugdaten an die Bodenstation in Echtzeit sendet. Dazu gehört die Ermittlung der aktuellen Flughöhe, Geschwindigkeit und Beschleunigung.

Auslösesignal der zwei Fallschirme Die Auslösung des Bergungssystems darf nur unter bestimmten Umständen passieren. Das Auslösesignal des Vorfallschirms wird durch ein Altimeter ausgelöst, welches den Gipfelpunkt der Rakete erkennt. Ab einer bestimmten Höhe gibt ein Höhenmesser das Signal für den Hauptfallschirm.

Fertigungsmöglichkeiten an der HSA Für die die Fertigung aller einzelnen Bauteile sollen aus Kostengründen alle Möglichkeiten der Hochschule Augsburg ausgenutzt werden. Diese sind u.a. Zerspanung, Schweißtechnik und Messtechnik.

Kontrolle Ein unkontrolliertes Verhalten des Bergungssystems muss unter allen Umständen vermieden werden. Dies erfolgt durch die Telemetrie- und Telecommandsysteme. Das Versagen des Systems wird durch ein zweites redundantes Telemetriegerät verhindert.

Säuberung nach Tests Um einen fehlerfreien Ablauf zu gewährleisten, müssen alle Bestandteile des Bergungssystems gereinigt werden. Vor allem elektronische Bauteile müssen vor Verunreinigungen geschützt werden.

Austausch von Verbrauchsmaterialien Einwegprodukte wie CO2 -Kartusche, Brückenzünder und Pyrowatte müssen vor dem nächsten Start der Rakete ausgetauscht werden.

Störung durch Nachbarsysteme vermeiden Signale der Telemetrieeinheit oder mechanische Aktoren dürfen auf keine Fall von Fehlvorgängen der Nachbarsysteme behindert werden.

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Datensicherung/Backup Zur

Auswertung

der

Flugdaten für

mögliche

Verbesserungen soll

eine

Datensicherung erstellt werden, die bestimmte Flugparameter misst und speichert. 

Telecommand: Manuelle Auslösung des Fallschirms Für die Kontrolle durch die Bodenstation, ist es notwendig zur Not von Hand das Fallschirmsystem zu aktivieren.

Drahtbruchsicherheit Alle elektrischen Baugruppen müssen so verdrahtet und angeschlossen sein, dass durch einwirkende Kräfte (Bewegungskräfte) keine Verbindungen getrennt werden. Auch die pyrotechnische Aufstechung der Gasflasche darf keine Leitungen beschädigen.

Projektplanung mit Terminen Für einen erfolgreichen Ablauf der Arbeit ist eine genaue Terminplanung aufzustellen und einzuhalten.

Grundlagen der Berechnung Alle Berechnungen müssen auf wissenschaftlich fundierten Grundlagen basieren. Jede Formel zur Berechnung ist nachvollziehbar oder mit einer Quellenangabe versehen.

Vorschriften und Normen Um die Starterlaubnis im Sommer 2015 nicht zu gefährden müssen strengstens Vorschriften und Normen eingehalten werden.

Kosten Für die verschiedenen Bereiche wurde jeweils ein Budget festgelegt, welches bei der Planung und Erstellung den Rahmen der Möglichkeiten vorgibt.

Triebwerk Für den Antrieb der Rakete hat sich das HyCOMET-Team für ein HybridRaketentriebwerk entschieden.

Nutzlast Die Nutzlast der Rakete besteht aus der oben erwähnten Telemetrie- und Telecommand-Einheit und einer Kamera, mit welche später das Flugverhalten der Rakete analysiert werden kann.

Struktur Bestandteile

der

Struktur

sind

Rohrkörper,

Nasenkonus

und

Verbindungselemente. Es werden ausschließlich Leichtbaumaterialien verwendet.

- 10 -


2.3 Meilensteine Der folgende Punkt soll die chronologische Reihenfolge des Vorgehens während des Projektes erläutern. Zu Beginn wurde nach bereits vorhandenen Bergungssystemen recherchiert. Dies war wichtig

um

einen

genauen

Überblick

zu

erhalten

wie

die

Bergung

einer

Experimentalrakete funktioniert und welche Möglichkeiten sich bewährt haben. Da der Modellraketenbau gerade in den Vereinigten Staaten und Australien sehr vertreten ist, konnten die meisten Bergungsmöglichkeiten auf englischsprachigen Seiten gefunden werden. Dafür war es wichtig sich ein umfangreiches Vokabular anzueignen. Die oft unstrukturierten Internetauftritte waren bei Suche

häufig hinderlich, weil man ihnen

wenige nützliche Informationen entnehmen konnte. Nach ausgiebiger Recherche konnte der Entschluss gefasste werden, die Bergung zweistufig zu realisieren. Diese Abwägung ist genauer im Gliederungspunkt 3.2 erläutert. Im nächsten Schritt wurden die verschiedenen Fallschirmformen betrachtet. Im Internet waren unzählige verschiedene Arten zu finden. Es musste eine Abwägung getroffen werden, welche Bauform die richtigen (thermo-) physikalischen Eigenschaften aufweist. Betrachtet man Auftrieb und Schwingneigung der verschiedenen Formen, so stellt man schnell fest, dass sich diese extrem unterscheiden. Nähere Erläuterungen hierzu sind unter Punkt 3.2.Die meisten im Internet erhältlichen Fallschirme haben bereits eine auffällig

leuchtende

Farbe,

was

der

Anforderung

entspricht.

Um

vertretbare

Fallgeschwindigkeiten für Vor- und Hauptfallschirm zu erreichen, wurden Berechnungen für die jeweilige Bauform und Größe gemacht. Diese sind ebenfalls unter Punkt 3.2 zu finden. Nach der Entscheidung, welche Bauform und Größe nötig ist, musste abgewägt werden, ob der Fallschirm selbst gefertigt oder gekauft wird. Die vollständige Ausführung ist unter Punkt 3.2 erklärt . Damit Daten während des Fluges an die Bodenstation geschickt werden, muss eine Telemetrieeinheit als Nutzlast eingebaut werden. Diese übernimmt zusätzlich die Aufgabe das Zündsignal für die Zweistufenbergung zu senden. Da dieses Bauteil für den Eigenbau zu aufwendig ist, wurde nach bereits bestehenden Systemen gesucht, diese gegenüber gestellt und eine Empfehlung für die Auswahl gemacht (siehe dazu Punkt 3.2). Es ist zu beachten, dass die verpflichtende Vorgabe des DLR besteht, ein redundantes System als Sicherheit einzubauen. Als nächster Schritt wird der Unterbringungsort der beiden Fallschirme und der Zündeinheit bestimmt. Dabei bleibt im Prinzip nur der Bereich zwischen Triebwerk und

- 11 -


Nase übrig. Die Einteilung der Segmente und deren Positionierung ist unter Punkt 3.2 genauer erläutert. Wichtig für diese Einteilung war es, eine Entscheidung über den Auslösemechanismus zu treffen. Das Konzept wurde Anhand von vielversprechenden vorhandenen Systemen entworfen. Es werden alle Baugruppen, die für den späteren Breadbordaufbau notwendig sind selbst per CAD (Solide Edge) konstruiert. Genaueres kann unter Gliederungspunkt 3.2 nachgelesen werden. Nach der Durchführung eines Space Systems Concept Center (SSCC) wurden die endgültigen Ausmaße der einzelnen Funktionsgruppen bestimmt. Nach intensiven Überlegungen und Einschätzungen wurde den einzelnen Teams eine verbindliche Richtlinie vorgegeben. Dadurch konnte eine eindeutige Zwischenbilanz gezogen werden, inwieweit die Ziele des HyCOMET Projekts zum aktuellen Stand erfüllt sind. Aufgrund der gemeinsamen Besprechung wurde Größe und Aufteilung der einzelnen Segmente der Rakete festgelegt. Da in dem Bereich des Auslösesegmentes nur ein begrenzter Raum zur Verfügung steht, muss noch berechnet werden, ob das unterbringbare Flaschenvolumen der CO2 Kartuschen für die Trennung der Segmente ausreicht. Näheres ist unter Punkt 5 erläutert. Damit steht das ausgearbeitete Konzept fest, welches anschließend anhand eines Testaufbaus ausgewertet wird. Dafür wurde eine Versuchsvorrichtung konstruiert, mit welcher die Scherung der Polystyrolstifte simuliert wird und die benötigte Kraft der Berechnung unter Punkt 3.2 abgeglichen werden kann. Da bei allen Teilschritten Notizen erstellt wurden und sämtliche Unterlagen und Erkenntnisse gesammelt und protokolliert sind, bleibt als letzter Schritt die schriftliche Festhaltung der Arbeit. Diese muss strukturiert, verständlich und nachvollziehbar sein, damit sie als Grundlage für weitere Arbeiten des HyCOMET Teams nützlich ist.

2.4 Zeitplan Für die im Punkt 2.3 formulierten Meilensteine wurde ein Gantt-Diagramm erstellt. Tabelle 3 zeigt den groben Bearbeitungszeitraum. Erkenntlich wird, dass sich viele Teilschritte der Arbeit überschneiden. Der komplette Bearbeitungszeitraum wurde so eingeteilt, dass die Zeitvorgabe der Hochschule eingehalten wird.

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Tabelle 3: Zeitverteilung Meilensteine

Start

Ende

Dauer

Nr.

Vorgang

[Tage]

1

Einarbeitung in Literatur

10.11.2012

23.12.2012 43

2

Fallschirmform: Auswahl und Entscheidung

07.01.2013

15.01.2013 8

3

Fallschirmgröße: Auswahl und Entscheidung

07.01.2013

15.01.2013 8

4

Weihnachstferien

24.12.2012

06.01.2013 12

5

Abwägung: Fertigung oder Kauf

16.01.2013

18.01.2013 2

6

Telemetrieeinheit: Auswahl und Entscheidung

19.01.2013

26.02.2013 37

7

Einteilung und Anordnung der Segmente

01.02.2013

07.02.2013 6

8

Prüfungszeit und - vorbereitung

15.01.2013

31.01.2013 16

9

Space Systems Concept Center

08.02.2013

1

10

Auslösemechanismus

01.02.2013

07.02.2013 6

11

Konstruktion mit CAD

08.02.2013

15.02.2013 7

12

Auslegung der benötigten Gasmenge

21.02.2013

28.02.2013 7

13

Urlaub

04.03.2013

20.03.2013 16

14

Scherversuche

21.03.2013

28.03.2013 7

15

Fertigung, Aufbau und Auswertung des Breadboards

21.03.2013

05.04.2013 14

16

Schriftliche Anfertigung der Arbeit

01.02.2013

08.04.2013 67

Zeitvorgabe für die Bachelorarbeit:

2 Mannmonate (MM) ≙ 40 Tage

Das Diagramm in Tabelle 4 zeigt die zeitliche Auflistung der verschiedenen Themengebiete. Der Zeitraum erstreckt sich von der Ausgabe des Projektes, bis hin zur Abgabe der Arbeit.

- 13 -


Tabelle 4: Gantt-Diagramm

Nov. 12

Dez. 12

Jan. 13

Feb. 13

Mrz. 13

Apr. 13

Einarbeitung in Literatur Fallschirmform: Auswahl und Entscheidung Fallschirmgröße: Auswahl und Entscheidung Weihnachstferien Abwägung: Fertigung oder Kauf Telemetrieeinheit: Auswahl und Entscheidung Einteilung und Anordnung der Segmente Prüfungszeit und - vorbereitung Space Systems Concept Center Auslösemechanismus Konstruktion mit CAD Auslegung der benötigten Gasmenge Urlaub Scherversuche Fertigung, Aufbau und Auswertung des Breadboards Schriftliche Anfertigung der Arbeit

3 Einarbeitung in bestehende Literatur

3.1 Lösungsunterstützende Anwendungsbeispiele und –möglichkeiten

3.1.1 Möglichkeiten der Bergung Die üblichen Bergungsvarianten begrenzen sich auf Rotationsbergung, Gleitbergung und Bergung mit Hilfe eines Strömers oder Fallschirms. [3] Als Erstes wird die Bergung mit Hilfe eines Strömers untersucht, der prinzipiell genauso wie ein Fallschirm funktioniert. Durch den Luftwiderstand bremst der Strömer die Fallgeschwindigkeit der Rakete ab. Diese Bergungsart kommt für unser Modell aber nicht in Frage, da sie nur für leichte Flugkörper (bis zu 30 Gramm) vertretbare Fallgeschwindigkeiten erzeugt. [4] Deshalb wurde auf diese Thematik nicht tiefer eingegangen. In Abbildung 3 ist die Form eines Strömers (englisch "Streamer") zu erkennen. - 14 -


Abbildung 2: Bergung mit Hilfe eines Streamers [5]

Bei der Rotationsbergung hingegen werden zu einem festgesetzten Zeitpunkt Flügel ausgefahren, die durch den Luftwiderstand ins Rotieren gelangen. Sie sind an der Außenschale der Rakete angebracht. Da diese Möglichkeit einen zu hohen konstruktiven Aufwand zur Folge hat wird sie nicht näher betrachtet. Des Weiteren bedeuten die am Außenrohr angebrachten Flügel einen zusätzlichen Luftwiderstand, der durch einen größeren Motor kompensiert werden müsste. Zudem gibt für eine Experimentalrakete unseres Ausmaßes keine Erfahrungsberichte und Unterlagen. Diese Möglichkeit ist üblicher bei Spielzeugraketen, bei denen Luftwiderstand, so wie einwandfreie Funktionalität, keinen großen Stellenwert besitzen. Es kann also nicht sichergestellt werden, dass diese Bergungsvariante überhaupt zu sinnvollen Resultaten führen würde.[6] Die Gleitbergung funktioniert ähnlich wie die Bergung mit einem Fallschirm. Wie im Namen schon zu erkennen ist, bringt ein Gleitschirm die Rakete zu Boden. Da diese Möglichkeit

bei

Experimentalraketen

unüblich

ist

und

zu

keinen

vertretbaren

Fallgeschwindigkeiten führt, wird sie ebenfalls verworfen. Die letzte und einzig sinnvolle Art ist die übliche Bergungsmethode mit Hilfe eines Fallschirms. Es sind genügend erfolgsversprechende Konzepte darüber zu finden. Werden diese an die Anforderungen unserer Rakete angepasst, wird der Flugkörper sicher und unbeschadet zum Boden zurückkehren. Auch vorhergehende Untersuchungen wie die Semesterarbeit von D. Sener und T. Mayer, haben die Verwendung der

- 15 -


Fallschirmbergung empfohlen. Dabei ist zwischen drei Methoden zu unterscheiden, der einstufigen - und zweistufigen Bergung, sowie dem "Reefing". Bei der einstufigen Bergung befindet sich ein einzelner Fallschirm im Raketenkörper. Am bzw. in der Nähe des Gipfelpunktes wird dieser ausgeworfen und bremst die Rakete auf die gewollte Sinkgeschwindigkeit ab. Ein Flugablauf nach diesem Prinzip ist in Abbildung 4 dargestellt.

Abbildung 3: Flugphasen bei einstufiger Bergung [7]

Bei der zweistufigen Bergung dagegen besitzt die Rakete zwei Fallschirme. Der erste ist ein kleinerer Fallschirm, welcher am Gipfelpunkt ausgestoßen wird. Dieser Vorfallschirm bremst die Rakete auf eine erste Sinkgeschwindigkeit ab. Ist eine bestimmte Höhe erreicht, wird ein zweiter Fallschirm ausgelöst. Mit Hilfe dieses deutlich größeren Schirms wird die Rakete auf die endgültige Sinkgeschwindigkeit abgebremst.

- 16 -


Der Flugablauf einer zweistufigen Bergung wird in Abbildung 5 gezeigt.

Abbildung 4: Flugphasen bei zweistufiger Bergung [8]

Die dritte Möglichkeit ist das sogenannte "Reefing". Mit dieser Methode ist es möglich mehrere verschiedene Fallschirmgrößen mit nur einem Fallschirm zu erzeugen. Dabei werden an bestimmten Stellen die Fallschirmleinen mit einem Band oder Ring zusammengefasst, so dass sich der Fallschirm nicht vollständig entfalten kann. Ab einer

- 17 -


bestimmten Höhe oder Zeit wird dieses Band durch pyrotechnische Ladungen getrennt und der Fallschirm kann sich weiter öffnen. [9] In Abbildung 6 ist zu sehen, wie die Leinen an der markierten Stelle durch das Band zusammengehalten werden.

Abbildung 5: Reefing [9]

3.1.2 Fallschirmform/ -größe Waren in den Anfängen der Experimentalraketen fast ausschließlich Kappenfallschirme erhältlich, so gibt es heut zu Tage alle möglichen Formen. Am meisten sind im Raketen-Modellbau die "circular flat" -, die "X-Form" - und die "konische" Form vertreten. Im Internet sind auch weitere ausgefallene Formen zu finden. Sollten diese für einen Kauf in Frage kommen, so muss auf die Angaben des Herstellers vertraut werden. Denn für solche Formen sind keine Werte wie Widerstandsbeiwert, Schwingwinkel oder Öffnungsverhalten vorhanden. Eine genaue Berechnung würde sich dadurch als ziemlich schwierig gestalten. Jede Fallschirmform benötigt für eine vorgegebene Fallgeschwindigkeit eine bestimmte Mindestgröße, da jede einzelne Form verschiedene Auftriebs- und Widerstandskräfte besitzt. Zur Berechnung der Größe kann die Tabelle 5 herangezogen werden. - 18 -


Der Wert cw0 beschreibt den Widerstandsbeiwert. Da er in unserem Fall nur die Umströmung

der

Luft

von

Bedeutung

ist,

wird

der

Index

c wo

auch

Strömungswiderstandskoeffizient genannt. [10] Durch

ihn

kann

die

Bremswirkung

des

Fallschirmes,

die

resultierende

Sinkgeschwindigkeit der Rakete und die effektiv benötigte Fläche des Fallschirms für jede Form berechnet werden.

Im Moment der Öffnung des Fallschirmes entstehen

Spitzenkräfte, die auf Struktur und Fallschirmleinen wirken. Die mit cw errechnete Bremswirkung wird also übertroffen. Dazu muss man die errechnete Kraft mit dem "opening force" Koeffizient cx multiplizieren. Eine weitere Angabe ist der "durchschnittliche Schwingwinkel", welcher eine wichtige Information über das Schwingungsverhalten der verschiedenen Formen gibt. Tabelle 5: Bremswirkung der verschiedenen Fallschirmformen [8]

- 19 -


Folgende Formeln können zur Berechnung hinzugezogen werden: [8]

(1) Bremswirkung:

(2) Gewichtskraft der Rakete [N]:

(3) Sinkgeschwindigkeit der Rakete:

(4) Fallschirmfläche

(5) Fallschirmdurchmesser Kappenfallschirm

(6) Schockkraft im Moment der Öffnung

- 20 -


3.1.3 Auswurfsysteme Im Prinzip unterteilen sich alle Auswurfsysteme in zwei Bereiche, dem kontrollierten - und unkontrollierten Ausstoß. Bei dem unkontrollierten Ausstoß ist nicht bekannt, wie genau sich der Fallschirm öffnen wird. Es ist also dem Zufall überlassen, wann er zur vollständigen Entfaltung kommt. Im Unterschied dazu gibt es den kontrollierten Auswurf des Fallschirms. Dabei wird sichergestellt, dass die Schock- und Fallschirmleinen bei der Entfaltung des Fallschirms bereits vollkommen gestreckt sind. So werden zu große Schockkräfte verhindert, die die Aufhängung der Schnüre am Raketensegment und die Leinen zerstören könnten. Der kontrollierte Ausstoß ist vor allem bei größeren Fallschirmen wichtig, weil die wirkenden Kräfte dem entsprechend um ein Vielfaches größer sind. [8] Es gibt prinzipiell zwei Möglichkeiten für den kontrollierten Ausstoß. Die erste ist die Verwendung

eines Kolbens (englisch "Piston"), der den Fallschirm

aus dem

Raketengehäuse herauszieht und garantiert, dass dessen Leinen gestreckt sind, bevor er sich öffnet. Da der Kolben unterhalb des Fallschirms sitzt, bietet er Schutz vor Zündexplosionen, welche bei der Verwendung von Schwarzpulver entstehen. Ein deutlicher Nachteil ist die Gewichtszunahme der Rakete und die Gefahr, dass der Kolben steckenbleibt, falls Schmutzpartikel zwischen ihn und dem Gehäuserohr kommen.

Abbildung 6: Kolben [11]

- 21 -


Die andere Möglichkeit zur "Lines first" (deutsch "Schnüre zuerst") - Methode ist die Verwendung eines "Deployment Bags" (deutsch "Entfaltungssack"). Der Vorteil ist, dass der Fallschirm sehr kompakt verstaut werden kann. Dies ist vor allem bei großen Fallschirmen von Vorteil, da dadurch Platz eingespart werden kann. [8] Anbei wird die Vorgehensweise beim Packen eines "Deployment Bags" erklärt.

Abbildung 7: Packung Schritt 1 [12]

Im ersten Schritt (Abbildung 8) wird der Fallschirm mit der Spitze voran in die Tasche eingeführt.

Abbildung 8: Packung Schritt 2 [12]

Danach werden die Fallschirmleinen in einer Schlangenlinie zusammengelegt und mit hinein gepackt.

- 22 -


Abbildung 9: Packung Schritt 3 [12]

Anschließend wird der Deckel des Säckchen geschlossen. Die untere Schlaufe der Fallschirmschnüre soll aus dem Deckel des Deploymentbags herausschauen, denn dort wird die Schockleine angebunden. Die komplette Tasche wird im dafür vorgesehenen Teil des Trägersystems verstaut. Zieht das abgesprengte Segment an den Fallschirmleinen, so werden diese erst gestreckt bevor der Fallschirm als Ganzes herausgezogen wird. Als nächstes wird die Auswurfrichtung des Fallschirms betrachtet. Prinzipiell unterscheidet man eine radiale - und axiale Auswurfsrichtung. [6] Bei kleineren Raketen wird häufig eine Klappe angebracht, welche sich am Außenkörper der Rakete befindet. Zu einem bestimmten Zeitpunkt wird diese geöffnet und der Fallschirm mit Hilfe einer mechanischen Vorrichtung radial heraus geschleudert.

Abbildung 10: radiale Auswurfsvariante [6]

Bei der Größe unseres Fallschirms würde sich dies jedoch als sehr kompliziert darstellen, da die Klappe sehr groß sein müsste, um den Schirm ohne Verheddern komplett heraus - 23 -


zu bekommen. Außerdem bringt eine aufwendige mechanische Auswurfsvorrichtung eine deutliche Gewichtszunahme der Rakete mit sich. Meist werden zur Öffnung Servomotoren mit pyrotechnischen Halterungsmechanismen verwendet, die viel Platz beanspruchen und fehleranfällig sind. [6] Bei einem axialen Auswurf wird die Struktur der Rakete in verschiedene Segmente unterteilt, welche durch verschiedenste Auslösearten getrennt werden können. Dabei gibt es die Möglichkeit die einzelnen Raketenteile durch motorische Verriegelungen festzuhalten, was sehr professionell erscheint. Die Konstruktion, Fertigung und der Zusammenbau sind aufwendig und deswegen eher für ein einstufiges Bergungssystem zu empfehlen. Des Weiteren ist es vor allem in den Vereinigten Staaten sowie Canada üblich, die Segmente von Experimentalraketen durch die Zündung von pyrotechnischen Ladungen zu trennen. Der Gebrauch von Schwarzpulver ist jedoch bedenklich wegen der großen Verletzungsgefahr. Zudem ist der Funktionsablauf eher unkontrolliert. Hier zu Lande ist es außerdem nur begrenzt möglich Schwarzpulver zu beziehen. Im Vordergrund dieser Möglichkeit steht sicherlich der Show-Aspekt, da allein durch die Explosionen eine gewisse Begeisterung entsteht. Die letzte Möglichkeit zum axialen Auswurf des Fallschirms und zur Trennung der Segmente ist die Verwendung von Gasflaschen. Hierbei werden meistens handelsübliche Gaskartuschen verwendet, welche günstig und überall erhältlich sind. Vor allem in Rettungswesten sowie bei Gasdruckpistolen werden CO2-Kartuschen verwendet. Das Gas liegt im flüssigen Zustand in der Patrone und wechselt beim Austritt in einen gasförmigen Zustand. Der Vorteil dieser Variante ist die reduzierte Unfallgefahr im Vergleich zum Benutzen von Schwarzpulver. Die Schwierigkeit besteht darin, eine optimale Methode zu finden, durch die das Gas freigesetzt wird und das austretende Gas die Trennung der Segmente bewirkt.

3.1.4 Telemetriesysteme Die Telemetrie- bzw. Telecommandsysteme sollen sowohl das Auslösen des Fallschirmes ermöglichen, als auch Echtzeitdaten an die Bodenstation senden. Diese Aufgabe wurde bereits in der Anforderungsliste formuliert. Alle Datenblätter samt Produktabbildungen, der im Folgenden vorgestellten elektronischen Komponenten befinden sich im Anhang.

- 24 -


Adept Rocketry

"Adept Rocketry" ist eine amerikanische Firma, welche vor allem im Hobby- und AmateurRaketenbau sehr beliebt ist. Die Firma besteht seit 23 Jahren und besitzt dadurch ausreichende Erfahrung, um den Anforderungen ihrer Kunden gerecht zu werden. [13] Bei der Recherche in verschiedenen Foren konnte dies verifiziert werden. Die Firma bietet mehrere Altimeter an, die für eine Zweistufenbergung ausgelegt sind. Sie messen und speichern den höchsten Wert der Rakete und zünden dann am Gipfelpunkt ihre erste Sprengladung. Die zweite Sprengung erfolgt nach einstellbaren Parametern. Es gibt drei verfügbare Altimeter des Herstellers, welche sowohl beide Fallschirme zünden können, als auch die maximale Flughöhe speichern. Tabelle 6: Spezifikationen Zweistufen-Altimeter von Adept Rocketry

Größe (Länge[cm] x Breite[cm] x Höhe[cm]): Gewicht [Gramm]: Batteriespannung [V] , Lebensdauer [h]: Zündausgang #1:

ALTS20

ALTS25

ALTS2

11,3 X 2,56 x 1,90 28 12 , 2 am Gipfelpunkt

7,62 x 3,6 x 1,5 28 12 , 6 am Gipfelpunkt einstellbare Höhen: 549m, 366m, 279m, 183m, 91m; oder 6 Sekunden nach Gipfelpunkt oder 2 Sekunden nach Ausgang #1 gibt aktuellen Status an, speichert Höhe, Gibt PiepSignal zum wiederfinden 30 91 7620 99 (mit Kabel und Batterie)

10,16 x 2,29 x 1,70 24 12 , 10 am Gipfelpunkt

Zündausgang #2:

einstellbare Höhen: 366m, 183m, 91m

"Piezo-Beeper":

gibt aktuellen Status an, speichert Höhe, Gibt Piep-Signal zum wiederfinden

Auflösung [cm]: Mindesthöhe [m]: Maximalhöhe [m]: Preis[$]:

30 91 7620 147 (ohne Kabel und Batterie)

einstellbare Höhen: 366m, 183m, 91m oder 2 Sekunden nach Ausgang #1

gibt aktuellen Status an, speichert Höhe 30 46 4572 89 (mit Kabel und Batterie)

Der "Piezo-Beeper" gibt anhand von Tönen den aktuellen Status an und zeigt dadurch welche Zündungen bereits erfolgt sind. Außerdem kann nach dem Flug die gemessene Maximalhöhe ausgelesen werden. Ist die Rakete gelandet, ertönt ein andauerndes PiepSignal, was beim Wiederfinden der Rakete helfen soll. - 25 -


Für die geplante Flughöhe kommen nur "ALTS20" und "ALTS25" in Frage. Für den ALTS25 empfiehlt der Hersteller die Verwendung eines redundanten zweiten Systems. Es ist der "Controller DDCS25". Dieser kann auch als redundantes System für den "ALTS20" verwendet werden. Es soll aber auf die Empfehlung des Herstellers geachtet werden. Der "DDCS25" besitzt die exakt gleichen Spezifikationen wie der "ALTS25". Der einzige Unterschied besteht in der möglichen Maximalhöhe, welche bei ihm bei 18288 Meter liegt. Außerdem besitzt er keine Reportfunktion, welche die maximal geflogene Höhe nach dem Flug berichtet. Die eben vorgestellten Systeme senden jedoch keinerlei Echtzeitdaten an die Bodenstation und können so nur in Verbindung mit einem anderen System verwendet werden. Telemetrum

Altus Metrum Produkte werden ebenfalls in den USA entworfen und gefertigt. Das "TeleMetrum" wird bereits im Auszug aus dem Antrag für das DLR empfohlen. Dieses Produkt ist ebenfalls ein Altimeter, welches zwei Zündungen abgeben kann. Es besitzt eine Länge von 7 cm , eine Breite von 2,54 cm und eine Höhe von 1,6 cm. Das Altimeter hat ein Gewicht von 20,1 Gramm. Die Stromversorgung und nötige Zündspannung erflogt durch eine "LiPo-Batterie", welche auch für beide Zündungen in zwei einzelne Batterien aufgeteilt werden kann. Der Vorteil ist, dass dieses Produkt während des Fluges Echtzeitdaten an die Bodenstation schickt und gleichzeitig diese auf einem Datenträger speichert. Die GPSDaten können mit der kostenlosen Software "AltosUI" gezeigt werden. Die Bodenstation hat diese Daten nicht nur bildlich vor sich, sondern kann sich die "Schlüsseldaten" auch von einer Stimme im Programm ansagen lassen, um freies Blickfeld auf die Rakete zu behalten. Die Software ist mit allen bekannten Betriebssystemen kompatibel. Das Gerät besitzt dafür eine Sende- bzw. Empfangseinheit mit einer Frequenz von 1 GHz. Gespeicherte Werte können mit einer USB-Schnittstelle ausgelesen werden und die genaue Flugbahn am Monitor über "Google-Earth" nachverfolgt werden. Es müsste zusätzlich ein redundantes System gefunden werden, welches bei Fehlzündungen die Fallschirmauslösung garantiert.

- 26 -


AED-Electronics und G-Wiz

Eine weitere bekannte Kombination von Telemetriesystemen sind die Produkte "R-DAS" und "LCX". Das "R-DAS" würde dabei als primäres Zündelement fungieren. Es misst und speichert Daten während des Fluges und ermöglicht gleichzeitig die Zündung beider Fallschirme. Für die Telemetrie-Daten müssen externe "Boards" angeschlossen werden. Verfügbar sind Sensoren für Höhe, Beschleunigung und GPS-Position. Außerdem kann eine Kamera angeschlossen werden. Das komplette System wird mit einer 9V-Batterie versorgt. Es ist außerdem ein "Pieper" verbaut, welcher den Status des Systems angibt.

Als redundantes System würde "G-Wiz Flight Computers" in Frage kommen. Es ist ein System mit drei Pyro-Ausgängen, wobei nur zwei für das Bergungssystem in Frage kommen. Der erste Ausgang zündet am Gipfelpunkt der Flugkurve. Der zweite kann nach einer einstellbaren Zeit zünden. Beide werden über Messungen des barometrischen Luftdrucks aktiviert. Es ist ebenfalls ein "Pieper" verbaut, der den momentanen Status anzeigt. Die komplette Platine hat ein Gewicht von 50 Gramm. Die Stromversorgung erfolgt durch zwei 9 Volt Batterien. Das "LCX" ist 10 cm lang und 1,8 cm breit. Eagle Tree

Das "Seagull High Powered Rocketry Package" ist ein Telemetriesystem, welches in Echtzeit Daten an die Bodenstation sendet und diese gleichzeitig speichert. Es besitzt jedoch keine Zündladungen für die Fallschirme. Die gesendeten Daten sind aktuelle Position, Geschwindigkeit und Höhe. Es wird ein Display mitgeliefert, mit welchem man unter den gerade genannten Größen hin und her schalten kann. Gleichzeitig kann man mit einer kostenlosen Software diese Daten per USB-Schnittstelle auch am Computer betrachten. Das System speichert die letzte bekannte Stelle der Rakete. Dies ist hilfreich, um die Rakete nach der Landung wieder zu finden. Der eingebaute Transmitter besitzt eine Frequenz von 900 MHz und eine Sendeleistung von 200mW. Das System arbeitet mit einer Spannung von 4,5 V- 6 V. Altimax

Das "AltiMAX G2 SD" von Rocketronics ist ein Altimeter mit drei Zündausgängen, drei Timer und zwei Servoausgängen. Die Ausmaße der Platine sind 65 mm x 25 mm, mit einem Gewicht von 25 Gramm. Das Altimeter benötigt eine Spannung ab 7,2 Volt, welche durch LiPo-Batterien bereit gestellt wird. Die Zündaugenblicke können beliebig eingestellt - 27 -


werden. Es werden 6 FlĂźge gespeichert und auf einer đ?œ‡SD-Karte gespeichert. Die maximale FlughĂśhe beträgt 31 Kilometer. Das AuslĂśsen der ZĂźndvorrichtung funktioniert ebenfalls durch einen temperaturkompensierten Drucksensor. Das Gerät wird inklusive einer Speicherkarte, eines SD-Adapters und Steckverbinder mit Kabel geliefert. Es empfiehlt sich ein transportables Bedienterminal zu kaufen, mit dem die aktuelle FlughĂśhe, BetriebshĂśhe, Luftdruck und der Status der ZĂźndausgänge angezeigt werden. Die letzte FlughĂśhe wird durch dieses Gerät gespeichert und kann anschlieĂ&#x;end ausgelesen werden.

3.2 Abstrahieren der Literatur und LĂśsungsmĂśglichkeiten Der Vergleich und die Auswertung der vorgestellten LĂśsungsmĂśglichkeiten ist wichtig fĂźr die Transparenz und Nachvollziehbarkeit der Entscheidungsfindung. [14] FĂźr jeden Gliederungspunkt soll die bestgeeignetste Variante ermittelt werden. Die LĂśsungsansätze werden dafĂźr gegenĂźber gestellt und es wird eine Entscheidung darĂźber getroffen, welche MĂśglichkeit in das Konzept des Bergungssystems mit einflieĂ&#x;t. HierfĂźr wird zum Teil eine veränderte Form des Analyseverfahrens von Zangemeister und Beckmann verwendet, welche mit ihrem Nutzwertverfahren eine MĂśglichkeit entwickelt haben verschiedene Auswahlelemente gegenĂźber zu stellen und zu beurteilen. [14] Zuvor schon verworfene MĂśglichkeiten werden nicht in die Analyse mit aufgenommen. Es ist jedoch festzuhalten, dass die folgende Bewertung sicherlich von persĂśnlichen Einschätzungen abhängig ist.. FĂźr die Beurteilung werden fĂźr jede Anforderung Punkte von 1 bis 6 vergeben. Anders als bei Schulnoten, ist die Reihenfolge hier genau umgekehrt.

Note 1: "ungenĂźgend" Note 2: "mangelhaft" Note 3: "ausreichend" Note 4: "befriedigend" Note 5: "gut" Note 6: "sehr gut"

Hinzu

kommt

eine

Gewichtung,

die

ermĂśglicht,

dass

sich

die

einzelnen

Bewertungsaspekte von einander abheben. Je wichtiger ein Aspekt ist, desto mehr Gewichtungspunkte erhält er.

- 28 -


1 Gewichtpunkt: Anforderung weniger wichtig 2 Gewichtpunkte: Anforderung genau so wichtig wie mindestens eine andere Anforderung 3 Gewichtpunkte: Anforderung wichtiger als eine andere Anforderung

Sind alle Punkte vergeben, werden die Punkte bzw. Noten mit der Gewichtung multipliziert. Die Punkte der einzelnen Anforderungen werden für jede Lösungsmöglichkeit zusammen gezählt. Die einzelnen Summen werden dann gegenüber gestellt. Die Variante mit der höchsten Punktzahl geht in die Ausarbeitung des Konzeptes mit ein. Zur besseren Übersicht sind bei jeder Matrix Hilfsfarben vergeben. Farben:

Gut

Neutral

Schlecht

Punkt 1: Möglichkeiten der Bergung

Wie oben bereits festgestellt (unter Punkt 3.1.1), kommt nur die Bergungsmethode in Verbindung mit einem oder mehreren Fallschirmen in Frage. Es entfällt also das Erstellen einer Nutzwertanalyse zu diesem Punkt. Die folgende Analyse soll die einstufige Bergung, das "Reefing" und die zweistufigen Bergung gegenüber stellen.

Tabelle 7: Nutzwertanalyse zur Anzahl der Fallschirme

Lösungsmöglichkeit

einstufige Bergung Reefing zweistufige Bergung Gewichtung

Anforderung 1. Raumbedarf

5

5

2

2

2. Komplexität

2

5

6

1

1

5

6

2

2

1

5

3

2

2

6

2

6. Realisierbarkeit

5

2

5

2

Summe

34

36

59

3. Umgebungsbedingung: Abdrift durch Wind 4. Sicherheit 5.

Vorhandensein

Systeme

bewährter

Im Punkt "Raumbedarf" waren die einstufige Bergung und das Reefing klar im Vorteil, da bei beiden Varianten nur ein Fallschirm verwendet werden muss. Die Verwendung von - 29 -


zwei Fallschirmen beansprucht demgegenüber mehr Platz. Ob genügend Raum für zwei Fallschirme vorhanden ist, wurde im Laufe des Projektes abgeschätzt. Eine gewisse "Komplexität" war für diese Arbeit natürlich gewünscht. Deshalb ist die Benotung auch so zu verstehen, dass ein gewisser Schwierigkeitsgrad eine bessere Bewertung erhält als eine zu einfache Lösung. Die zweistufige Bergung ist in der Ausführung sicherlich sehr komplex, da dafür gesorgt werden muss, dass zwei Fallschirme zum richtigen Zeitpunkt zuverlässig auslösen. Eine weitere Anforderung gleich zu Beginn des Projektes war es, dass die Rakete möglichst nahe am Abschussort landen soll, um diese leichter wieder aufzufinden. Eine einstufige Bergung würde bedeuten, dass gleich am Gipfelpunkt der Flugbahn ein großer Fallschirm ausgestoßen wird. Die Winde, die in einer Höhe von fünf Kilometern vorkommen, hätten folglich eine große Angriffsfläche, wodurch eine zu große Abdrift der Rakete entsteht. Beim Reefing treten diese Probleme nicht auf. Jedoch sollten möglichst wenige Bänder beim Zusammenfassen des Fallschirms benutzt werden. Denn ansonsten besteht die Gefahr, dass sich Bänder nicht lösen könnten und der Fallschirm dadurch geschlossen bleibt. Ein klarer Vorteil der zweistufigen Bergung ist, dass der größere Fallschirm erst ab einer bestimmten Höhe geöffnet wird. Ab dieser Höhe ist die Windgeschwindigkeit vertretbar groß und die Abdrift der Rakete ist kleiner. Der Punkt "Sicherheit" hat die größte Gewichtung bekommen. Dies ist das oberste Ziel unseres Projektes, da die Verletzung von Personen unter allen Umständen verhindert werden muss. Hier liegt die zweistufige Bergung auch klar im Vorteil. Sollte im Extremfall die Zündung des Fallschirms versagen, würde die Rakete ungebremst auf dem Boden aufschlagen. Bei der zweistufigen Bergung würde im schlechtesten Fall nur ein Fallschirm auslösen, welcher die Rakete aber wenigstens auf eine gewisse Fallgeschwindigkeit abbremsen würde. Die Zweistufenbergung ist sicherlich die meist verwendete Bergungsvariante. Besonders in Nordamerika wird sie nahezu ausschließlich benutzt. Dies ermöglicht es, sich an vorhandenen Projekten zu orientieren und dadurch ein sinnvolles Konzept auf die Beine zu stellen. Beachtet man die "Realisierbarkeit" der vorgestellten Möglichkeiten, so muss man feststellen,

dass

das

Reefing

wegfällt.

Das

Lösen

der

Ringe,

welche

die

Fallschirmschnüre zusammen halten, wird durch Sprengladungen realisiert. Es kann nicht garantiert werden, dass es zu keinen Fehlerfällen kommt. Eine Abschätzung wäre erst durch zahlreiche Tests machbar. Deshalb wird im Weiteren von einer zweistufigen Bergung ausgegangen.

- 30 -


Punkt 2: Fallschirmform/ -größe

Da unter Punkt 1 eine zweistufige Bergung gewählt wurde, muss jetzt Form und Größe der beiden Fallschirme festgelegt werden. Ausschlaggebend für die Entscheidung der Form für den Vorfallschirm ist die Schwingneigung. In Tabelle 5 ist zu sehen, dass die Kreuzform einen Schwingwinkel von nur 0 bis +/- 3° besitzt. Dieser Wert ist deutlich niedriger als bei allen anderen in Tabelle 5 aufgeführten Formen. Somit entsteht ein deutlich ruhigerer Flug. Da ein Aufschwingen verhindert werden soll, ist die Kreuzform am besten für den Vorfallschirm geeignet. Auch die Abdrift minimiert sich demnach. Des Weiteren besitzt diese Form ein gutes Öffnungsverhalten, was von großer Bedeutung für den 1. Fallschirm am Gipfelpunkt der Flugbahn ist. [8] Für die Entscheidung über die Form des Hauptfallschirms stehen im Prinzip nur die Kreuzform und Kappenform zur Auswahl. Die meisten im Internet gängigen Formen sind der Kappenform sehr ähnlich. Alle anderen ausgefalleneren Formen werden aufgrund der fehlenden Verifizierbarkeit der angegebenen Sinkgeschwindigkeit nicht beachtet. Betrachtet man den Widerstandsbeiwert cw, so sieht man, dass die Kreuzform einen wesentlich kleineren Wert als die (konische) Kappenform besitzt. Somit bräuchte man eine größere Fläche beim Kreuzschirm, um die gleiche Sinkgeschwindigkeit wie bei der konischen Form zu erreichen. Der Hauptgrund, der für die Entscheidung einer Kappenform bzw. kappen-ähnlichen Form spricht, ist das vielfältige Angebot im Internet. Bei den Auslegungsberechnungen wird zur Vereinfachung immer von einer konischen Form ausgegangen. Somit können die Herstellerangaben per Rechnung überprüft werden.

Punkt 3: Auswurfsysteme

Wie im Punkt 3.1 deutlich gemacht wurde, ist es unbedingt notwendig einen großen Fallschirm kontrolliert auszustoßen. Bei der Fallschirmgröße unserer Rakete ist es wichtig ein reibungsfreies Öffnungsverhalten zu garantieren und die Struktur nicht zu beschädigen. Bei dem Vorfallschirm muss entschieden werden, ob ein kontrolliertes Auswurfsystem überhaupt nötig ist. Betrachtet man die überschaubare Größe des Vorfallschirms und das sehr gute Öffnungsverhalten, das die ausgewählte Kreuzform besitzt, könnte man unter Umständen auf "Piston" bzw. "Deployment-Bag" verzichten. Die auf die Struktur wirkenden Kräfte bei der Entfaltung des Vorfallschirms sind ebenfalls überschaubar (siehe Gliederungspunkt 5.1.2/Entfaltung des Vorfallschirms). Auch wenn ein kontrollierter Ausstoß beim Vorfallschirm zusätzliches Gewicht bedeutet, so hilft ein Auswurfsgewicht bzw. "Deployment-Bag" trotzdem bei der sauberen Entfaltung des - 31 -


Fallschirms. Die Fallschirmschnüre befinden sich vor der Entfaltung bereits im Freien und ein Steckenbleiben des Schirmes wird verhindert. Wägt man die Vor - und Nachteile ab und vertraut Erfahrungsberichten von erfolgreichen Bergungsvarianten, so kommt man zum Schluss, dass der kontrollierte Ausstoß für beide Fallschirme notwendig ist. Vor allem der Sicherheitsaspekt spielt hierbei eine übergeordnete Rolle. Die Abwägung, ob ein Auswurfgewicht oder "Deployment-Package" verwendet wird, erfolgt durch eine Nutzwertanalyse. Tabelle 8: Nutzwertanalyse für Auswurfsystem

Lösungsmöglichkeit

Piston

"Deployment-Package"

Gewichtung

1. Gewicht

2

5

3

2. Platzbedarf

2

4

3

3. fehlerfreie Funktion

2

5

2

3

5

1

5. Realisierbarkeit

5

5

1

6. Komplexität

5

2

1

Summe

29

49

Anforderung

4. Vorhandensein bewährter Systeme

Bei der Anforderung "Gewicht" fällt auf, dass das Piston deutlich schwerer als das "Deployment-Bags" ist. Der benötigte Platzbedarf ist bei beiden Systeme nicht optimal. Das

Deployment-Package

schneidet

aber

Aufgrund

seiner

kompakten

Verstauungsmöglichkeit trotzdem besser ab. Wie bereits erwähnt, kann es bei der Verwendung eines Pistons zum Steckenbleiben des Gewichtes kommen, wodurch eine fehlerfreie Funktion nicht mehr garantiert ist. Informiert man sich im Internet über häufig verwendete Systeme, so stellt man fest, dass die Verwendung von Auswurfgewichten eine eher veraltete Variante ist. Hingegen benutzen die meisten "Highpower-Rockets" beim Auswurf ein "Deployment-Package". Beide Systeme sind aber realisierbar. Obwohl der Entwurf eines Auswurfssystems für den Kolben eine konstruktive Herausforderung wäre, wird trotzdem die Verwendung eines "Deployment-Bags" bevorzugt.

- 32 -


Punkt 4: Auswurfrichtung

Darüberhinaus muss die Ausbringrichtung bestimmt werden. Wie oben bereits erwähnt, ist die radiale Auswurfsrichtung eine weniger elegante Methode. Sie ist zudem mehr bei kleineren

Hobby-Raketen

im

Einsatz.

Die

Konstruktion

einer

mechanischen

Auswurfsvorrichtung gibt sicherlich einen Anreiz, jedoch steht der konstruktive Aufwand und die deutliche Gewichtzunahme durch Motoren und Verriegelungen nicht im Verhältnis zu dessen Nutzen. Da die radialen Auswurfmöglichkeiten nicht überzeugen, werden im Folgenden nur noch die axialen Varianten betrachtet. Dies geschieht durch eine Nutzwertanalyse. Tabelle 9: Nutzwertanalyse zur axialen Ausbringung

Lösungsmög-

motor. Verriege- pyrotechnische

Trennung durch Gasfrei- Gewich-

lichkeit

lung

Trennung

setzung

tung

1. Gewicht

2

5

3

3

2. Platzbedarf

3

5

3

3

5

2

5

2

sein bewährter 1

5

4

1

5

1

5

3

2

4

5

1

7. Komplexität

6

3

5

1

Summe

49

48

57

Anforderung

3.

fehlerfreie

Funktion 4.

Vorhanden-

Systeme 5. Sicherheit bei Tests 6. Realisierbarkeit

Betrachtet man das entstehende Gewicht, so ist die Verwendung von Schwarzpulver deutlich von Vorteil, da bereits eine geringe Menge zur Sprengung der Segmente reichen würde. Außerdem würde es wenig Platz in Anspruch nehmen, da kleine Portionspakete an die geplanten Trennstellen angebracht werden. Jedoch ist es nicht sicher ob Fehlzündungen entstehen, welche erfahrungsgemäß verkommen können. Die beiden anderen Systeme sind in diesem Punkt deutlich zuverlässiger. Die meist verwendete - 33 -


Variante ist dennoch die Sprengung durch Schwarzpulver. Vor allem in Nordamerika, wo am meisten Experimentalraketen gestartet werden, ist dieses Verfahren sehr verbreitet. Die Variante, die das "Warr-Projekt" (siehe Quellen) verwendet hat, ist ein weiteres bewährtes System, das einen fehlerfreien Ablauf ermöglicht. Die Sicherheit aller Beteiligter bei vorrausgehenden Testszenarien ist von größter Bedeutung. Hier stellt die Zündung von Schwarzpulver ein deutliches Risiko dar. Die beiden anderen Varianten hingegen sind als sicherer anzusehen. Die geforderte Komplexität hat bei der motorischen Verriegelung und der Gasfreisetzung am besten abgeschnitten. Vor allem das Konstruieren einer mechanischen Verriegelung wäre sehr anspruchsvoll und interessant. Bei den meisten bekannten Systemen, bei denen mit Sprengladungen die Rakete in einzelne Segmente geteilt wird, werden lediglich kleinere Pakete mit Schwarzpulver an Sollbruchstellen angebracht. Dies ist sicherlich eine sehr einfache Variante und bedarf keiner ausgefallenen Konstruktion. Abschließend hat also die Trennung mit Hilfe von Gasfreisetzung die größte Punktzahl erreicht und soll als beste Lösung betrachtet werden.

Punkt 5: Telemetriesysteme

Es ist festzuhalten, dass sich die vorgestellten Systeme in vielen Eigenschaften gleichen. Auch preislich gibt es keine allzu großen Unterschiede. In der Recherche wurde kein Anbieter gefunden, der sowohl Echtzeitdaten aufnimmt, an die Bodenstation weiterleitet, zwei Zündausgänge besitzt und gleichzeitig ein redundantes System besitzt, das nur für die Notzündung zuständig ist. Betrachtet man die Altimeter für die zweistufige Zündung, so beeindruckt am meisten der Hersteller "Adept Rocketry". Die Systeme sind sehr gut beschrieben und man erhält ausreichend Informationen und Herstellerangaben. Auch in Raketenbau-Foren besitzt "Adept Rocketry" einen sehr guten Ruf. Der Hersteller empfiehlt Kombinationen aus redundanten Systemen, die sich durch jahrelange Erfahrung bewährt haben. Bei der Datenverwertung schneidet das "Eagle Tree" System am besten ab. Es gibt ein vorgeformtes Paket, mit dem alle gewünschten Daten ermittelt werden können. Die Echtzeitdaten können sowohl sehr bequem am Laptop, als auch über das mobile Gerät erfasst werden. Die Flugparameter werden gleichzeitig aufgenommen und es kann sofort nach Beendigung des Fluges mit der Auswertung der Daten begonnen werden.

- 34 -


4 Randbedingungen

4.1 Kennwerte des Trägersystems Um die Kennwerte des Trägersystems zu definieren, ist es sinnvoll sich über die Aufgaben eines Trägersystems im Klaren zu werden. Aufgabe ist es, alle Komponenten der Rakete zu transportieren und in Sachen Gewichtsverteilung und Aerodynamik optimal unterzubringen. Zur mechanischen Fracht des Trägersystems gehören Triebwerk, Fallschirme und Gasflaschen. Außerdem müssen alle elektrischen Bauelemente an den Träger montiert werden. Diese sind die Telemetrie-, Telecommandeinheit und elektrische Nutzlast, wie z.B. Kamera. Das Trägersystem muss so ausgelegt werden, dass an ihm die Finnen montiert und die Nasenspitze angebracht werden kann. Zwei verschiedene Elemente ergeben das Trägersystem, zum einen der Rohrkörper selbst und zum anderen seine Verbindungselemente zwischen den einzelnen Segmenten. Der Rohrkörper soll aus CFK hergestellt werden. Dabei ist zu beachten, dass faserverstärkte Kunstoffe elektrisch leitend sind. Deshalb müssen alle elektrischen Leitungen isoliert werden, damit keine Kurz- und Körperschlüsse entstehen. Diese Eigenschaft kann aber auch positiv für die Unterbringung der Antenne an der Außenhülle sein. Die Außenhülle muss möglichst leicht gebaut werden, aber auch so steif sein, dass die auf ihr wirkenden Kräfte keine Beschädigungen hervorrufen. Sie ist ein tragendes Element. Die Herstellung der Rohrkörper ist mit hohen Kosten verbunden. Bei der Testphase des Bergungssystems soll daher als Material Pappe benutzt werden. Die anderen Komponenten des Trägersystems sind die Verbindungsstücke. Sie verbinden jeweils die verschiedenen Kammern und sorgen für zusätzliche Stabilität. Der Rohrkörper soll radial mit ihnen verschraubt oder verklebt werden. Als Werkstoff wird Aluminium verwendet. Dieser ist ebenfalls, wenn auch schwach, elektrisch leitend. Die äußere Fläche der Verbindungsstücke muss möglichst glatt sein. Daher ist zu überlegen ob die beim Drehen der Stücke entstehende Oberfläche genügt, oder ob durch Schleifen ein besserer Rauheitswert erzeugt werden muss. Die Zwischenstücke sind konstruktiv so zu entwerfen, dass sie möglichst steif und stabil sind, jedoch nur wenig Gewicht haben.

4.2 Flugphasen Der gesamte Flugablauf lässt sich in einzelne Phasen einteilen. In jeder Phase müssen bestimmte Anforderungen erfüllt werden. Vor der ersten Flugphase steht der Transport der Rakete zum Startplatz. Es muss darauf geachtet werden, dass alle Instrumente und - 35 -


Bauteile so montiert sind, dass sie sich während des Transportes nicht lösen. Die Segmente werden einzeln an den Startplatz transportiert und dann miteinander verschraubt. Ist die Rakete auf der Abschussrampe aufgestellt, wird ein Signal zum Start gegeben. Alle elektrischen Bauelemente müssen so ausgelegt sein, dass dieses Signal keine anderen Reaktionen, wie Beispielsweise das Zünden des Fallschirms hervorruft. Dabei

muss

auf

die

Funkfrequenz

geachtet

werden,

die

in

einem

anderen

Frequenzbereich liegen sollte als die manuelle Zündung des Fallschirms. Die erste Flugphase ist die Beschleunigung der Rakete. Alle Komponenten müssen den dadurch entstehenden Kräften standhalten. Auch die Startlage muss beachtet werden. Ist der Antriebsmotor abgebrannt, kommt der Flugkörper in die zweite Phase. Dabei bremst der Luftwiderstand die Rakete ab und die Geschwindigkeit wird geringer. Ist diese am Nullpunkt ist der erste entscheidende Moment für die Bergung. Am Scheitelpunkt, bei dem die Geschwindigkeit und Beschleunigung gleich Null ist, soll die Telemetrieeinheit reagieren und den ersten Fallschirm, den Vorfallschirm, zünden. Es ist durchaus üblich, dass das erste Zündsignal etwas verzögert auftreten kann und die Rakete nach Passieren des Scheitelpunktes wieder an Fahrt gewinnt. Die momentane Geschwindigkeit bei der Entfaltung des Fallschirmes sorgt für eine Bremskraft, welche auf die Struktur, sowie Fallschirmleinen einwirkt. Der Fallschirm muss komplett geöffnet werden, um die gewünschte Fallgeschwindigkeit zu erreichen. Die dritte Flugphase ist der "Fall" der Rakete mit einer kontrollierten Geschwindigkeit von 20 m/s. Der gewählte Fallschirm soll die Rakete möglichst auf eine konstante Geschwindigkeit halten, damit diese nicht erneut beschleunigt. Die nächste Phase tritt in 300 Metern über dem Meeresspiegel ein. Diese vierte Flugphase wird mit dem Zünden des zweiten Fallschirms eingeleitet. Sie ist gemeinsam mit dem Ende der zweiten Phase ein signifikanter Punkt für die Auslegung des Bergungssystems. Bei der Öffnung des Hauptfallschirms entstehen ebenfalls Brems- und Schockkräfte, die auf Struktur und Schnüre einwirken. Es muss also vorher rechnerisch nachgewiesen werden, dass diese Kräfte zu keinen bleibenden Schäden führen. Das Öffnen des großen Fallschirms muss ebenfalls planmäßig ablaufen, um die gewünschte Fallgeschwindigkeit in der fünften und letzten Flugphase zu erreichen. In dieser nähert sich die Rakete mit einer Sinkgeschwindigkeit von 5 m/s der Erde. Mit dieser Geschwindigkeit wird sie danach auf den Boden "einschlagen". Wiederum müssen alle Bauteile so montiert sein, dass sie die Landung unbeschadet überstehen. Wichtig ist dies auch für einen erneuten Start der Rakete. Ist die Rakete sicher geborgen, werden alle aufgezeichneten Daten ausgewertet. Dadurch können mögliche Fehlerquellen verbessert werden.

- 36 -


4.3 Schnittstellen im Träger Durch die Einteilung in verschiedene Teilsysteme entstehen mehrere Schnittstellen in der Trägerstruktur der Rakete. Die verschiedenen Systeme teilen sich in Nutzlast, Telemetrie, erstes Fallschirmsegment, Segment der Antriebskartuschen, zweites Fallschirmsegment, Oxidator und Brennkammer auf. Nachbarsysteme zum Bergungssystem sind also zum einen

der

Oxidator

Telemetrie/Telecommand

unterhalb Zelle

der

zweiten

oberhalb

der

Fallschirmkammer, ersten

und

die

Fallschirmkammer.

Die

Telemetrie/Telecommand-Zelle fällt bei dem vorgeschlagenen Konzept weg und wird in dem Bereich der Gaskartuschen eingefügt. Es muss überprüft werden ob dies durch die entstehende Gewichtsverlagerung möglich ist. Lediglich in der vorherigen Planung wurde mit diesen Teilsystemen gerechnet. Folglich ist das neu entstehende Nachbarsystem zur ersten Fallschirmzelle die Nutzlast. Dies ist die Spitze der Rakete. Jedes einzelne Segment muss so ausgelegt sein, dass es das benachbarte in keinster Weise stört bzw. in seiner Funktion behindert. Der Oxidator und die zweite Fallschirmzelle sollten komplett voneinander abgeschottet sein. Dies ist bei der Konstruktion eines Zwischensegmentes zu beachten. Die Nutzlast und erste Fallschirmkammer müssen nicht voneinander getrennt sein. Es ist denkbar dass die Stromversorgung für die Nutzlast im Inneren des Körperohres verlegt wird und sich Leitungen über die kompletten Segmente erstrecken. Die Auslösung des Fallschirms, in diesem Fall der Hauptfallschirm, darf aber auf keinen Fall die Nutzlast beschädigen. Wie in der Abschlussarbeit von D. Sener und T. Mayer erarbeitet, wird das Körperrohr aus CFK hergestellt. Dieses soll so dünnwandig produziert werden, dass im Inneren des Rohres ein möglichst großer Stauraum entsteht. Bei der Auslegung des Bergungssystems wird mit einer Wanddicke des Rohres von 2 mm gerechnet. Die Verbindungselemente der Segmente sind Aluminiumringe. Diese sollen so konstruiert und gefertigt werden, dass sie eine möglichst kleine Masse besitzen. Dabei werden an allen möglichen Stellen Taschen ausgefräst, um Gewicht einzusparen. Der Rohrkörper und die Zwischenstücke können wiederrum verschraubt oder verklebt werden. [3]

4.4 Umweltbedingungen Beim kompletten Flugablauf muss auf eine Reihe von Umwelteinflüssen geachtet werden. Diese wurden bereits in der Anforderungsliste festgehalten. Die gewünschte Flughöhe soll mindestens 5000 Meter betragen. In dieser Höhe kommt es zu einer Reihe von Veränderungen der physikalischen Größen, d.h. die Struktur und Technik der Rakete

- 37 -


muss für diese Einflüsse ausgelegt sein. Der Druck p0 an der Erdoberfläche beträgt ca. 1013 hPa. Aufgrund der Luftmassen, die aufeinander liegen, ist er an der Erdoberfläche am Größten. Je größer die Höhe, desto kleiner wird der Druck. Bei 5000 Meter beträgt er nur noch etwa 540 hPa. Diese Druckänderung wirkt sich auch auf die Kammern der Rakete aus, deshalb muss geklärt werden, inwieweit Druckausgleichsbohrungen eingefügt werden müssen. Die zwei Fallschirmkammern des Bergungssystem stellen ein isoliertes System dar. Bei ihnen werden keine Ausgleichsbohrungen vorgesehen. Der veränderte Druck in der Flughöhe muss bei zukünftigen Tests vor dem Start der Rakete beachtet werden. Betrachtet man das Temperaturverhalten der Troposphäre, in der sich unser System ausschließlich befindet, so kann man in der Regel von einer Temperaturveränderung von -6°C pro km im Mittel ausgehen. [15] Da die Rakete im Zeitraum von Juni bis August starten wird, kann von einer mittleren Bodentemperatur von 10°C ausgegangen werden. [16] Dies führt zu einer Temperatur von etwa - 20°C in einer Höhe von fünf Kilometern. Diese Annahme ist nur eine Näherung, denn die genaue Tagestemperatur könnte durch Wettereinflüsse wie Hoch- und Tiefdruckgebiete am Starttag zu deutlich anderen Zahlen führen. Mit Veränderung der Temperatur, ändert sich auch die Dichte der Luft. Sie beträgt in Bodennähe ca. 1,225 kg/m3. In 1000m Höhe minimiert sie sich schon auf 1,121 kg/m³. In fünf Kilometer Höhe beträgt die Dichte ca. 0,74 kg/m³. Dieser Wert wurde in Kapitel 5.1.2 errechnet. Es ist wichtig, dass innerhalb des Bergungssystems keinerlei Austausch der Luft zur Umgebung stattfindet, da das ausströmende Gas zur Sprengung der einzelnen Segmente führen soll. Etwaige Ausgleichsbohrungen würden das Gas nach außen leiten und den gewünschten Druckanstieg innerhalb der Kammern verhindern. Es ist aber vorstellbar, dass

in

der

Aufbewahrungskammer

der

Gaskartuschen,

sowie

Telemetrie,

Ausgleichsbohrungen vorgesehen werden. Für die empfindlichen elektronischen Geräte in der Nähe der Nase des Flugkörpers ist der entstehende Staudruck während des Fluges zu beachten. Die umströmende Luft bildet einen Staupunkt an der Spitze, dies erhöht den dort vorherrschenden Druck und verändert die Temperatur. Das muss bei der Auswahl der Nutzlast beachtet werden. Des Weiteren wirken von außen noch andere Naturkräfte auf den Flugkörper ein. Es ist durchaus möglich, dass es in solchen Höhen zu Windböen kommen kann. Diese führen nicht nur zum Abdriften der Rakete, sondern können auch zu einem "Aufschaukeln" führen. Dabei muss beachtet werden, dass es möglicherweise zum Verheddern der Schnüre kommen kann, welches die Bergung gefährden könnte. In der Regel herrscht in dem geplanten Startzeitraum ausschließlich Sonnenschein. Es muss trotzdem im schlechtesten Fall mit Regen gerechnet werden. Das Durchfliegen von Regenwolken - 38 -


könnte ebenfalls zur Kondensation des Wassers führen. Die Struktur muss daher an allen Stellen der Rakete so dicht gebaut werden, dass jegliche Feuchtigkeit die innenliegenden Bauteile nicht beschädigt. Ist die Rakete am Boden angekommen, so muss sie von der Bodencrew gesucht und geborgen werden. Man muss davon ausgehen, dass sich die Suche durch das riesige Waldvorkommen in der Nähe des Startplatzes erschwert. Daher wird zur Verwendung eines Peilsenders geraten, mit dem die Rakete genau lokalisiert werden kann.

5 Ausarbeitung eines Konzeptes Nach Abstrahieren der Lösungsmöglichkeiten und der daraufhin erfolgten Entscheidung für die geeignetsten Systeme, wird ein eigenes Konzept verfasst. In diesem werden die Möglichkeiten mit dem jeweils größten Potential zusammengestellt. Alle

Baugruppen und Komponenten sind nach ihrer Art (elektrisch, mechanisch und

pyrotechnisch) gegliedert und genau beschrieben. Für jeden Teil werden, sofern erforderlich, Berechnungen gemacht.

5.1 Grundmerkmale und Funktionsweise des Bergungssystems Grundsätzlich besteht das entwickelte Bergungssystem aus drei Segmenten (siehe Abb. 11, Nummer 3, 4 und 5). Im Segment 3

befindet sich der erste Fallschirm, der am

Gipfelpunkt der Flugbahn ausgestoßen wird. Es handelt sich um einen Kreuzfallschirm. Die Fallschirmleinen des Vorfallschirms sind mit einem Schockband verbunden. Dieses federt die Schockkräfte ab, welche beim Öffnen des Fallschirms entstehen und verhindert zu große Kräfte auf die Struktur. Das Schockband des Vorfallschirms wird am anderen Ende mit dem Verbindungselement a) verbunden, welches oberhalb des Triebwerkes sitzt. Das Deployment-Package, in dem der erste Fallschirm liegt, ist mit seiner Lasche an Verbindungselement b) befestigt. Die beiden Verbindungselemente a) und b) sind ebenfalls über eine lange Schnur aus "Tubular Nylon" miteinander verbunden. An den Enden der Nylonschnur werden kurze Stücke von Schockbändern angenäht. Diese Schockbänderstücke werden dann an den Verankerungen der beiden Elemente befestigt. Im vierten Segment befinden sich die CO2 - Flaschen und die Halterung, an der die zwei redundanten

Altimetern

Druckausgleichsbohrungen

montiert vorgesehen,

sind. damit

In

diesem

Segment

das

Altimeter

die

werden

Messung

des

barometrischen Luftdrucks vollziehen kann. Die CO2-Kartuschen werden aufgestochen und erzeugen durch ihr ausströmendes Gas genügend Druck in den Kammern 3 und 5, - 39 -


um die Scherstifte an beiden Seiten des vierten Segmentes zu trennen. Im fünften Segment, unterhalb der Raketenspitze, befindet sich das Deployment-Package des Hauptfallschirms. Das "Package" ist an Verbindungselement c) befestigt. Das Schockband der Hauptfallschirmleinen ist mit Verbindungselement d) verbunden. Es gibt ein erneutes Geflecht aus Schockbändern und "Tubular Nylon", dass die Segmente 4 und 5+6 festhält. Eine konkrete Skizze über alle Schnurverbindungen ist unter Punkt 5.1.2 (Verbindungsseile) zu finden.

Verbindungselemente a) b) c) d)

1

2

3

4

5

6

Abbildung 11: Teilsegmente der Rakete

 Düse  Brennkammer mit Oxidator (Triebwerk)  Fallschirmkammer des Kreuzfallschirms  Zündaltimeter und Gaskartuschen  Fallschirmkammer des Kappenfallschirms  Nutzlast und Telemetrie Der Auslösemechanismus läuft in folgender Reihenfolge ab. Am Gipfelpunkt erkennt das Altimeter einen Umschwung von positiver zu negativer Beschleunigung und löst den Vorfallschirm in Kammer 3 aus. Dieser wird aus seinem Deployment-Package herausgezogen, um sicher zu gehen, dass die Leinen des Fallschirms bei der Entfaltung vollständig gespannt sind. Die Rakete schwebt nun mit 20 m/s dem Erdboden entgegen. In einer Höhe von 300 Metern wird der zweite Fallschirm in Kammer 5 aus seinem "Bag" gezogen. Danach bewegt sich die Rakete mit einer Sinkgeschwindigkeit von 5 m/s. Beide Auslösemechanismen funktionieren nach dem selben Prinzip. In Kammer 4 sind zwei baugleiche Gaskartuschen montiert. Sie sind in die Verbindungselemente b) und c) geschraubt. Es wurden Aufstechvorrichtungen konstruiert, welche die CO2-Patronen - 40 -


öffnen. Zuerst wird die Aufstechvorrichtung in das Verbindungselement b) bzw. c) geschraubt. In diese wird die Gasflasche von der gegenüberliegenden Seite des jeweiligen Verbindungselementes eingeschraubt. Die Aufstechvorrichtung befindet sich also zum einen auf der linken Seite von b), zum anderen auf der rechten Seite von c).Wird nun das Stromimpuls von dem Altimeter gegeben, entzündet der Brückenzünder die in der Aufstechvorrichtung befindliche Pyrowatte. Die so entstehende kleine Explosion treibt einen Dorn nach vorne und dessen Spitze durchsticht die CO2 - Kartusche. Nun strömt schlagartig Gas aus der Flasche aus. Dieses strömt am Gipfelpunkt in Kammer 3. Wird der Hauptfallschirm gezündet strömt das Gas bei der zweiten Zündung in Kammer 5. Das Rohrstück von Kammer 3 und Kammer 5 sind jeweils mit Scherstiften an die jeweiligen Verbindungselemente b) und c) montiert. Steigt der Druck in den Kammern auf eine bestimmte Größe an, werden die Scherstifte abgetrennt und die beiden Segmente werden getrennt. Die Scherstifte fungieren folglich als vorgesehene Sollbruchstellen. Zur Übersichtlichkeit ist der kompletter Aufbau samst aller einzelnen Bauteile im Anhang zu finden.

5.1.1 Elektronische Komponenten Telemetriesystem/Altimeter

Das Aktivieren des Auswurfsystems soll durch zwei redundante Altimeter geschehen, das "ALTS25" und "DDCS25" von Adept Rocketry. Beide Platinen werden im Segment der Gas-Kartuschen untergebracht. Die vorgeschlagenen Bauteile sind Baugleich, was wiederum einen konstruktiven Vorteil hätte. Sie könnten so angebracht werden, dass kein Ungleichgewicht entsteht, was die Flugbahn der Rakete beeinflusst. Altimeter sind elektronische Geräte, welche durch die Messung des barometrischen Luftdrucks die Höhe bestimmten. Beide Höhenmesser erkennen den höchsten Punkt der Raketenflugbahn und geben darauf hin einen Stromimpuls ab. Durch dieses elektrische Signal wird ein Brückenzünder aktiviert. Daraufhin wird der kleine Fallschirm ausgeworfen. Ist eine einstellbare Höhe erreicht kommt es zum zweiten Zündimpuls, wodurch sich der große Fallschirm öffnet. Das baugleiche zweite System dient als Backup zum primären Zündgerät.

Die Telemetrie ist allein für die Übermittlung und dem Speichern von Daten verantwortlich. Es wurde das "Eagle Tree"- System gewählt. Es soll in der Nutzlastkammer an der Spitze der Rakete untergebracht werden. Somit wären beide Systeme voneinander unabhängig und die Montage würde sich erleichtern. - 41 -


Brückenzünder

Ein Brückenzünder besteht aus elektrischen und pyrotechnischen Bauteilen. Wird eine gewisse Spannung angelegt, fließt Strom über seine beiden Anschlussleitungen. Dieser Stromfluss erhitzt einen Draht, welcher das Gas in der Zündpille entflammt. Dadurch entsteht eine kleine Explosion. Der Brückenzünder wird zum Entflammen pyrotechnischer Stoffe verwendet. [17] Prinzipiell stehen zwei Arten von Brückenzündern "SN0" zur Verfügung, Typ U und Typ A. Der Typ U ist für die Zündung von Motoren geeignet, da ein sehr hoher Zündstrom fließt. Der Typ A wird für das Zünden von Ausstoßladungen benutzt. Die üblichen Varianten besitzen eine Zuleitung von 20 cm. Die Leitungen des Brückenzünders werden durch den Deckel in die Aufstechhülse eingeführt, dadurch gelangt die Zündpille in die Mitte der Pyrowatte. Danach wird die Öffnung am Deckel der Aufstechvorrichtung luftdicht abgeschlossen. Anschließend werden die Leitungen durch das Verbindungselement zur Zündplatine/Altimeter geführt. Für die Durchführung durch das Zwischensegment muss noch eine optimale Lösung gefunden werden. Eine Idee wäre eine Tasche in das Verbindungselement zu fräsen und dort Keramik-Klemmen einzukleben. Auf beiden Seiten des Verbindungselementes werden dann die Leitungen des Zünders angeklemmt oder

angelötet.

In

beiden

Aufstechvorrichtungen

befinden

sich

jeweils

zwei

Brückenzünder. Einer wird an die Hauptplatine und der andere an das redundante Zündsystem angeschlossen.

Elektrische Verdrahtung

In Abbildung 12 ist vereinfacht die Verdrahtung der Brückenzünder mit den beiden Altimetern, sowie der Anschluss an die Batterien zu sehen. Statt eines 12 V Anschlusses wie in der Abbildung, soll jede Zündplatine eine eigene Batterie erhalten.

- 42 -


Abbildung 12: Verdrahtung in vereinfachter Form

Die Verdrahtung der Telemetrie in dem Nutzlast Segment der Rakete wird einzeln verdrahtet bzw. benötigt eine eigene Batterie.

5.1.2 Mechanische Komponenten Die mechanischen Komponenten nehmen den größten Teil dieser Arbeit ein. Im Folgenden werden alle Komponenten zunächst durch Berechnungen ausgelegt. Die Berechnung der Größe des Haupt- und Vorfallschirms kann durch die Verwendung der kostenlosen Software "Chutool" (siehe Anhang auf CD) verifiziert werden.

Hauptfallschirm

Als Hauptfallschirm wird ein Kappenfallschirm verwendet. Für diesen muss nach den Formeln unter 3.1.2 die Mindestgröße ermittelt werden. Für die Berechnung wird Formel (4) und Tabelle 5 angewendet. 

Gegebene Größen:

mRakete = 25kg; g = 9,81 m/s²; vSink = 5 m/s; - 43 -


Ď (300m) = ca. 1,2 kg/mÂł; cW = 0,82 (Mittelwert); Es gilt:

9,81đ?‘š ∗2 đ?‘ 2 => đ??´đ?‘šđ?‘–đ?‘› = = 19,94 đ?‘šÂ˛; 1,2đ?‘˜đ?‘” 5đ?‘š Â˛âˆ— ∗ 0,82 đ?‘  đ?‘š3 25đ?‘˜đ?‘” ∗



FĂźr den Durchmesser nach Formel (5) gilt:

=> đ??ˇđ?‘šđ?‘–đ?‘›

=

8∗25đ?‘˜đ?‘” ∗9,81đ?‘š /đ?‘ Â˛ 5đ?‘š 2 1,2đ?‘˜đ?‘” ∗ 3 ∗0,82∗3,1415 đ?‘  đ?‘š

= 5,04 đ?‘š ≈ 16 đ?‘“đ?‘’đ?‘’đ?‘Ą;

Geht man bei dem ßblichen Flächengewicht von ca. 51g/m² [18] aus, so kommt der Hauptfallschirm auf ein Gewicht von ca. 1017 Gramm. Weil es sich bei den gekauften Fallschirmstoffen um Nylongewebe handelt, wird zur Vereinfachung fßr die Dichte des Materials, der Wert von Nylon (bzw. Polyamid) �

verwendet. đ?œŒ = 1,14 đ?‘?đ?‘š 3 ; [24] => đ?‘‰ đ??ťđ?‘Žđ?‘˘đ?‘?đ?‘Ąđ?‘“đ?‘Žđ?‘™đ?‘™đ?‘ đ?‘?đ?‘•đ?‘–đ?‘&#x;đ?‘š =

đ?‘š đ?œŒ

=

1017 đ?‘” 1,14 đ?‘”/đ?‘?đ?‘š Âł

= 892,11 đ?‘?đ?‘šÂł ≈ 0,89 đ?‘‘đ?‘šÂł ≈ 0,9 đ??żđ?‘–đ?‘Ąđ?‘’đ?‘&#x;;

Den Fallschirmstoff kĂśnnte man folglich im Idealfall zu einem Volumen von ca. einem Liter zusammenfalten. Sicherlich ist diese GrĂśĂ&#x;e in der Praxis zu klein. Der Volumenwert wird aber

zur

Bestimmung

des

Luftvolumens

in

der

Kammer

benĂśtigt

(siehe

Scherstiftverbindungen). Die vorhandene GrĂśĂ&#x;e des Segmentes fĂźr den Hauptfallschirm ist ca. 9,8 dmÂł. Der Fallschirm samt Aufstechvorrichtung, Deployment Package, Verankerungen und Leinen, finden in dieser Kammer Platz.

- 44 -


Vorfallschirm

Fßr die Berechnung des kleineren Fallschirms werden erneut die Formeln (4), (5) und die Tabelle 5 herangezogen. Lediglich der Widerstandsbeiwert und die Sinkgeschwindigkeit variieren im Vergleich zur Berechnung des Hauptfallschirms. Da es sich um keinen runden Fallschirm handelt, wird zur Dimensionierung die Kantenlänge a errechnet. 

Gegebene GrĂśĂ&#x;en:

mRakete = 25kg; g = 9,81 m/s²; vSink = 20 m/s; cW = 0,73 (Mittelwert); 

Dichtebestimmung der (als ideal angenommenen) Luft in 5000 m HĂśhe:

; [19]

p(5000m) = 540 hPa = 54000 Pa; Rs = 287,085 J/(kg*K); T(5000m) = -20°C = 253 K (Wert kann variieren!);

=> đ?œŒ 

=

đ?‘? đ?‘…đ?‘ âˆ—đ?‘‡

=

54000 đ?‘ƒđ?‘Ž 287 ,085 đ??˝ ∗253đ??ž đ?‘˜đ?‘” ∗đ??ž

≈ 0,74

đ?‘˜đ?‘” đ?‘š3

;

Daraus ergibt sich die Fläche:

9,81đ?‘š ∗2 đ?‘ 2 đ??´= ≈ 2,26 đ?‘šÂ˛; 20đ?‘š 2 0,74đ?‘˜đ?‘” ∗ ∗ 0,73 đ?‘  đ?‘š3 25đ?‘˜đ?‘” ∗

Aus Sicherheitsgrßnden muss davon ausgegangen werden, dass nicht die komplette Fläche fßr den Auftrieb nutzbar ist. Daher wird der errechneten Fläche 40% hinzu gegeben. Man kommt also auf eine resultierende Fläche von 3,16 m². 

Berechnung der Kantenlänge

đ??´ = 5 ∗ đ?‘ŽÂ˛ => đ?‘Ž =

đ??´ = 0,79 m; 5 - 45 -


Weil die GrĂśĂ&#x;e des Fallschirms Ăźberschaubar bleibt, soll die MĂśglichkeit in Erwägung gezogen werden, ihn selbst zu fertigen. Eine Anleitung zur Erstellung eines Kreuzfallschirms ist im Anhang zu finden. 

gepacktes Volumen vom Vorfallschirm

Gegeben: Flächengewicht = 51g/m²; (siehe Hauptfallschirm) m = 51g/m² * 3,16 m² = 161,16 g; đ?œŒ = 1,14

đ?‘” ; đ?‘?đ?‘š 3

(27) (siehe Hauptfallschirm)

đ?‘‰ đ?‘‰đ?‘œđ?‘&#x;đ?‘“đ?‘Žđ?‘™đ?‘™đ?‘ đ?‘?đ?‘•đ?‘–đ?‘&#x;đ?‘š =

đ?‘š 161,16 đ?‘” = = 141,37 đ?‘?đ?‘šÂł ≈ 0,14 đ?‘‘đ?‘šÂł ≈ 0,14 đ??żđ?‘–đ?‘Ąđ?‘’đ?‘&#x;; đ?œŒ 1,14 đ?‘”/đ?‘?đ?‘šÂł

Dieser Wert ist wiederum eine vereinfachte Annahme und wird in der Praxis grĂśĂ&#x;er ausfallen.

Deployment Package

Aus den eben berechneten GrĂśĂ&#x;en und dem Volumina der beiden Fallschirme, ergeben sich die benĂśtigten GrĂśĂ&#x;en der Deployment-Packages. Der Stoff eines "DeploymentBags" ist Nomex, ein gewebtes Geflecht aus Aramidfasern. Dieser Stoff zeichnet sich durch seine groĂ&#x;e ReiĂ&#x;festigkeit und Hitzebeständigkeit aus. [20] Die Angaben vom Hersteller bezĂźglich der FĂźllmenge eines Deployment Packages sind mangelhaft, deswegen wird zu einer vorkonfektionierten GrĂśĂ&#x;e geraten. Es ist mĂśglich, ein genau passendes "Bag" fĂźr einen Fallschirm von 16 feet Durchmesser zu bestellen. Eine Auswahl von "Deployment-Packages" befindet sich im Anhang. Die Vorgehensweise beim Packen des Schirmes ist unter Punkt 3.1.3 erklärt.

Schockbänder, Nylonseile und Verankerungen

Alle im Folgenden beschriebenen Bauteile sind in einer Gesamtbauskizze im Anhang A wieder zu finden. Aufgabe der Schockbänder ist es, den BremsstoĂ&#x; im Moment der FallschirmĂśffnung zu dämpfen, damit nicht die komplette Kraft auf die SchnĂźre und die Struktur der Rakete, samt Verankerungen, wirkt. Das Schockband ist einerseits mit den SchnĂźren des Fallschirms verbunden und am anderen Ende an der Verankerung des Segmentes befestigt (siehe Skizze , Nummer 1 und 3). Es ist wichtig, dass die Länge des - 46 -


Schockbandes länger ist als das Segment, in dem der Fallschirm vorher verstaut war. Dessen SchnĂźre mĂźssen sich zur sauberen Entfaltung unter allen Umständen auĂ&#x;erhalb des RohrkĂśrpers befinden. An

den

Enden

der

Nylonschnur

werden

kurze

SchockbandstĂźcke

zur

Elastizitätssteigerung genäht (siehe Skizze, Nummer 3 und 4). Die Schnur bestehend aus "Tubular Nylon" muss deutlich länger als das Schockband mit den Fallschirmleinen sein. Ist die Nylonschnur schon vor der Fallschirmentfaltung gespannt, wird das Öffnen des Schirmes verhindert. Die Verankerungen werden in die Verbindungselemente eingeschraubt (siehe Skizze, Nummer 1). An ihnen werden die Schockbänder, Nylonseile und Laschen des Deployment-Packages fest gemacht. Obwohl nicht alle Verankerungen der Öffnungskraft des Kappenfallschirms ausgesetzt sind, wäre es aus Sicherheitsgrßnden sinnvoll alle fßr den Extremfall zu dimensionieren.

Alle gerade beschriebenen Bauteile mĂźssen der maximalen Kraft im Moment der FallschirmĂśffnung standhalten kĂśnnen. Diese Kraft wird im Weiteren berechnet.

Gegeben: cw = 0,82 (Mittelwert); A = 19,94 m²; Ď (300m) = ca. 1,2 kg/mÂł; vSink = 20 m/s; cx = 1,8; 

Nach Formel (6) gilt:

=> đ??š(đ?‘†đ?‘?đ?‘•đ?‘œđ?‘?đ?‘˜)

= 0,82 ∗ 19,94đ?‘šÂ˛ ∗

1,2đ?‘˜đ?‘” đ?‘š3

1

∗ ∗ 2

20đ?‘š 2 đ?‘ 

∗ 1,8 ≈ 7063,55 đ?‘ ;

Im Anhang auf CD befinden sich Bestellvorschläge fßr jede Komponente. Diese sind fßr die errechnete Kraft ausgelegt.

- 47 -


Aufstechvorrichtung

Die Aufstechvorrichtung besteht aus mehreren einzelnen Bauteilen. Im Folgenden wird die Funktion und der Aufbau aller Einzelteile mit Hilfe der Abbildung 13 beschrieben.

6 8

7 4 3 1

2 5

Abbildung 13: Einzelteile der Aufstechvorrichtung

 Einschraubhülse  Rückhaltefeder  Aufstechhülse  Deckel  Bohrung für die Brückenzünder-Einführung  Öffnung für ausströmendes Gas  Zapfen der Einschraubhülse  Gewinde für Deckel Die Einschraubhülse besitzt am linken Ende im Bild ein Außengewinde, mit dem sie in das Verbindungselement eingeschraubt wird. Zudem ist an diesem Zapfen (Abb. 13, Nummer 7) innenliegend eine Bohrung mit Gewinde vorgesehen, in welches die Gaskartusche von der gegenüberliegenden Seite eingeschraubt wird. Unter Nummer 6 im Bild sieht man eine der Öffnungen, die für das ausströmende Gas vorgesehen ist, nachdem die Flasche aufgestochen wurde. Damit die Flasche nicht schon vor dem geplanten Zeitpunkt durch den Dorn aufgestochen wird, ist eine Feder (Abb. 13, Nummer 2) eingefügt. Sie wird auf der Spitze des Dornes angebracht und muss den einwirkenden Kräften beim Transport, Start und während des Fluges gewachsen sein. Der Dorn ist Teil der Aufstechhülse (Abb. 13, Nummer 3). Sie ist innen außgedreht. Dies ist der Unterbringungsort für die Pyrowatte. Ist die Aufstechhülse samt Rückhaltefeder in die Hülse eingeführt, wird der Deckel (Abb. 13, Nummer 4) auf die Hülse geschraubt. Dafür - 48 -


ist am Außendurchmesser der Einschraubhülse ein Gewinde vorgesehen (Abb. 13, Nummer 8). Im Bild sieht man unter Nummer 5 eine Bohrung, durch die die Leitungen des Brückenzünders eingeführt werden. Damit die, bei der Explosion der Pyrowatte entstehenden Gase, nicht durch die Bohrung nach außen treten, muss die Öffnung abgedichtet werden. Denkbar ist ein Dichtungsgummi oder die Abdichtung durch Silikon, nachdem die Kabel eingeführt wurden. Vor jedem erneuten Start muss diese Bohrung wieder abgedichtet werden. Gibt die Telemetrie ein Zündsignal ab, so entzündet der Brückenzünder die Pyrowatte. Es entsteht eine kleine Explosion. Der dadurch entstehende Luftstrom erfährt am Deckel einen Rückstoß und die Aufstechhülse treibt entgegen der Federkraft in Richtung der Gasflasche. Die Feder muss so konzipiert sein, dass ihre Federkraft nicht größer als die entstehende Kraft durch die Entzündung der Pyrowatte ist. Diese Werte müssen aber durch Versuche ermittelt werden.

CO2-Kartusche

In Abbildung 14 wird gezeigt, wie die Gaskartusche eingeschraubt wird.

Abbildung 14: Aufstechvorrichtung mit Gasflasche

Als Treibgas wurde CO2 gewählt, da es eine große Auswahl und Verfügbarkeit im Internet gibt. Es ist ein übliches Mittel, dass zur Entfaltung von Sicherheitswesten oder zum Abfeuern von Gasdruckpistolen genutzt wird. Das CO2 liegt im flüssigem Zustand in der Flasche vor. Beim Austritt kommt es zu einem Phasenübergang und es wird gasförmig. Übliche Größen reichen von 16 Gramm bis 82 Gramm Füllmenge. Im Unterpunkt "Auslegung der Scherstiftverbindungen" wird berechnet welche Größe benötigt wird um eine sinnvolle Anzahl an Stiften abzuscheren.

- 49 -


Verbindungsstück/ Rohrkörper

5

4 5

1 e r

2

3

Abbildung 15: Verbindungselement mit Aufstechvorrichtung

 Verankerung für Schockbänder  Aufstechvorrichtung  CO2-Kartusche  Verbindungselement  Scherstiftbohrung In Abbildung 15 ist das komplett montierte Verbindungselement zu sehen. Als Material wurde Aluminium gewählt. Zuerst wird die Aufstechvorrichtung vormontiert und in das Verbindungselement eingeschraubt. Anschließend wird die Gasflasche von der anderen Seite in das Gewinde der Einschraubhülse gedreht. Zusätzlich wird die Verankerung (Abb. 15, Nummer 1) verschraubt. Unter Nummer 5 im Bild ist eine der Bohrungen zu sehen, die für die Scherstifte vorgesehen ist. Die Stifte sollen passgenau durch das Loch des Rohrstückes und des Verbindungselements eingebracht werden.

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Abbildung 16: Aussparungen für Gewichteinsparung

Die Abbildung 16 stellt die Ausparungen zur Gewichtsreduzierung dar.

Abbildung 17: Gewicht eines Verbindungselementes

Wie in Abbildung 17 zu sehen ist, besitzt das konstruierte Verbindungselement ein Gewicht von 471 Gramm. Sollte sich dieser Wert als zu groß erweisen, muss diese Konstruktion noch einmal optimiert werden. Die Länge der Rohrstücke wurden durch das "Space Systems Concept Center" (SSCC) festgelegt. Die Kammer des ersten Fallschirms und des Aufbewahrungssegmentes der

- 51 -


Gaskartuschen nehmen beide jeweils eine Länge von 300 mm ein. In das Aufbewahrungssegment mĂźssen Druckausgleichsbohrungen vorgenommen werden, um das sichere AuslĂśsen des Drucksensors im Altimeter zu gewährleisten. Es wird empfohlen ca. fĂźnf Ausgleichsbohrungen vom Durchmesser 3 mm symmetrisch in das RohrstĂźck zu bohren. Das RohrstĂźck in dem der Hauptfallschirm aufbewahrt wird besitzt eine Länge von 600 mm. FĂźr die Versuche am Boden sollen aus KostengrĂźnden Papprohre der eben genannten Längen benutzt werden. Sie besitzen alle einen AuĂ&#x;endurchmesser von 150 mm und haben eine Wandstärke von jeweils 2 mm. Wie bereits erwähnt, wird das endgĂźltig verwendete Material ein Kohlenfaser verstärkter Kunststoff sein. 

Volumen der Segmente

đ?‘‘ đ??´= 2

2

142 đ?‘šđ?‘š ∗ đ?œ‹= 2

2

∗ đ?œ‹ = 15836,77 đ?‘šđ?‘šÂ˛ = 158,37 đ?‘?đ?‘šÂ˛;

Länge l1 Kammer 1 (Vorfallschirm, Gaskartuschen) = 300 mm;

=> đ?‘‰ = đ??´ ∗ đ?‘™(1) = 158,37 đ?‘?đ?‘šÂ˛ ∗ 30đ?‘?đ?‘š = 4751,03 đ?‘?đ?‘šÂł = 4,75 đ??żđ?‘–đ?‘Ąđ?‘’đ?‘&#x;; Länge l2 Kammer 2 (Hauptfallschirm) = 600 mm;

=> đ?‘‰ = đ??´ ∗ đ?‘™(2) = 158,37 đ?‘?đ?‘šÂ˛ ∗ 60đ?‘?đ?‘š = 9502,20 đ?‘?đ?‘šÂł = 9,50 đ??żđ?‘–đ?‘Ąđ?‘’đ?‘&#x;; Auslegung der Scherstiftverbindungen

Im Folgenden werden die GrĂśĂ&#x;e und Anzahl der Scherstifte anhand mathematischer Berechnung dimensioniert. Sie mĂźssen so ausgelegt sein, dass sie den einwirkenden Druckunterschied durch die HĂśhenänderung standhalten. Des Weiteren entsteht bei der Entfaltung des Vorfallschirms eine Kraft, die auf das Trägersystem und auf die Scherstifte wirkt. Diese Kraft muss ebenfalls berĂźcksichtigt werden. Aus fertigungstechnischen GrĂźnden werden fĂźr beide Verbindungselemente gleich viele Scherstiftbohrungen vorgesehen. Da das Volumen des Hauptfallschirmsegmentes grĂśĂ&#x;er ist, und dort am meisten Gas fĂźr die Trennung benĂśtigt wird, muss die Anzahl der Scherstifte und die GrĂśĂ&#x;e der Kartusche fĂźr dieses Segment ausgelegt werden.

Als Material fĂźr die Scherstifte wird Polystyrol verwendet. Dieser Stoff wird bei nahezu allen Scherstiftverbindungen benutzt. Grund dafĂźr sind Materialeigenschaften wie Wärmefestigkeit und geringe ReiĂ&#x;dehnung. [21]

- 52 -


Als erster Schritt muss der wirkende Druck in der Fallschirmkammer ausgerechnet werden. Dabei ist davon auszugehen, dass die wirkende Kraft senkrecht auf die hintere Fläche des Verbindungsstßckes wirkt. 

Eigenschaften von Polystyrol [22]

Summenformel: C8H8; Dichte: 1,05 g/cm3 (fest); Zugfestigkeit: Rm = 55MPa; 

Gegebene GrĂśĂ&#x;en:

V(Hauptfallschirm) = 9771,60 cmÂł; Gaskonstante RCO2 = 188,93 J/(kg*K); AusstrĂśmtemperatur TCO2 = 10°C = 283K; Wandstärke CFK-Rohre s = 2mm; Fallschirmvolumen Hauptfallschirm VHFS ≈ 1 dmÂł ≈ 1000 cmÂł; 

Es gilt: [23]

đ??š(đ?‘ ) đ?›ż đ??ż = ; đ?‘‘∗đ?‘ 

s

FN d

FN

Abbildung 18: Scherverbindung

δL : Lochleibungsspannung; FN: einwirkende Scherkraft; d: Durchmesser Scherstift; s: Wandstärke des Scherflansches (RohrkÜrper);

đ?‘? đ??ťđ??šđ?‘† =

đ?‘š đ??śđ?‘‚2 ∗đ?‘… đ??śđ?‘‚2 ∗đ?‘‡(đ??śđ?‘‚2) đ?‘‰ đ?‘†đ?‘’đ?‘”đ?‘šđ?‘’đ?‘›đ?‘Ą − đ?‘‰(đ??ťđ??šđ?‘†)

;

pHFS: Druck im Hauptfallschirmsegment; mCO2: Masse in CO2-Kartusche; RCO2: spezifische Gaskonstante von CO2; - 53 -


TCO2: AustrĂśmungstemperatur CO2; VSegment: Volumen Hauptfallschirmsegment; VHFS: Volumen des Hauptfallschirms;

đ?‘›=

đ??š(đ??ż) ; đ?‘…đ?‘š ∗ đ?‘‘ ∗ đ?‘ 

n = Anzahl der Scherstifte; 

∆đ?‘? = 

Beanspruchung durch Druckunterschied

∆đ??š 101300 − 54000 đ?‘ đ?‘š ; => ∆đ??š = ∗ 0,142 đ??´ đ?‘š2 2

2

∗ đ?œ‹ = 749,08 đ?‘ ;

Beanspruchung durch Fallschirmentfaltung (Vorfallschirm)

Wird der Fallschirm nicht genau am Gipfelpunkt ausgestoĂ&#x;en, besitzt die Rakete eine Restgeschwindigkeit. Aus SicherheitsgrĂźnden, wird beim AusstoĂ&#x; des Vorfallschirmes mit einer Restgeschwindigkeit von 20 m/s gerechnet.

=> đ??š

đ?‘†đ?‘?đ?‘•đ?‘œđ?‘?đ?‘˜ = 0,73 ∗ 3,16 đ?‘šÂ˛ ∗

0,74đ?‘˜đ?‘” đ?‘š3

1

đ?‘š 2

2

đ?‘ 

∗ ∗ 20

∗ 1,2 = 409,69 đ?‘ ;

Die wirkenden Kräfte bei der Entfaltung des Vorfallschirmes sind im Vergleich zum Kraftunterschied durch den unterschiedlichen Druck deutlich kleiner. Daher muss bei der minimalen Anzahl der Scherstifte, diese Kraft als Grundlage genommen werden. Als realistische ScherstiftgrĂśĂ&#x;e wird ein Durchmesser d von 3 mm angenommen.

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

Minimale Anzahl an Scherstiften

∆đ??š(đ??ˇđ?‘&#x;đ?‘˘đ?‘?đ?‘˜đ?‘˘đ?‘›đ?‘Ąđ?‘’đ?‘&#x;đ?‘ đ?‘?đ?‘•đ?‘–đ?‘’đ?‘‘) 749,08 đ?‘ ∗ 106 đ?’?(đ??Śđ??˘đ??§) = = đ?‘…đ?‘š ∗ đ?‘‘ ∗ đ?‘  55 ∗ 106 đ?‘ /đ?‘šđ?‘š2 ∗ 3đ?‘šđ?‘š ∗ 2đ?‘šđ?‘š = 2,27; Es mĂźssen also mindestens 3 Scherstifte mit einem Durchmesser von 3 mm verbaut werden. 

Maximale Anzahl an Scherstiften

Um die maximale Anzahl der benĂśtigten Scherstifte zu bekommen, muss zuvor berechnet werden wie groĂ&#x; der, durch die Gasentladung der Kartusche entstehende, Druck ist. Um das resultierende Volumen zu erhalten, wird das Fallschirmvolumen von dem Segmentvolumen abgezogen. Es wird zuerst von einer 32 Gramm Flasche ausgegangen. Sollte die Rechnung ein sinnvolles Ergebnis bringen, wird diese FlaschengrĂśĂ&#x;e verwendet.

đ?‘ đ?‘š ∗ 283đ??ž đ?‘ đ?‘˜đ?‘” ∗ đ??ž = 201239,47 ; đ?‘š2 9502,06 − 1000 ∗ 10−6 đ?‘šÂł

0,032 đ?‘˜đ?‘” ∗ 188,93 đ?‘?=

Die auf die Flanschfläche des Verbindungselements wirkende Kraft ist damit:

đ?‘ 142đ?‘š đ??š = đ?‘? ∗ đ??´ = 201239,47 2 ∗ đ?‘š 2000 => đ?’?



đ?’Žđ?’‚đ?’™ =

3186 ,98 đ?‘ đ?‘ 55 ∗3đ?‘šđ?‘š ∗2đ?‘šđ?‘š đ?‘šđ?‘š2

2

∗ đ?œ‹ = 3186,98 đ?‘ ;

= 9,60;

Fazit:

Es sollen also zum Versuch maximal 9 Scherstifte mit einem Durchmesser von 3 mm verwendet werden!

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Versuch an Zugmaschiene

Da die Auslegung der Scherstiftverbindungen signifikant wichtig für das Projekt ist, soll die eben berechnete Anzahl an Scherstiften durch einen Versuch an der Zugmaschiene der Hochschule Augsburg bestätigt werden.

3 e r 1 e r 2 e r

Abbildung 19: Zugversuch

 Zugstab 1  Zugstab 2  Scherstift Wie in Abbildung 19 zu sehen ist, sollen die beiden Zugstäbe übereinander gelegt und der Scherstift eingeklopft werden. Die Fertigung soll an der Hochschule Augsburg erfolgen. Die beiden Zugstäbe werden in die Aufnahmen der Zugmaschiene gebracht. Es ist darauf zu achten, dass ein zulässiger Durchmesser bei der Konstruktion der Zugstäbe verwendet wird. Zugstab 1 und 2 haben einen Aufnahmedurchmesser von 15 mm. Sind die Backen der Zugmaschienenaufnahme geschlossen, kann die Kraft gemessen werden, bis der Scherstift abgeschert wird. Dieser kontinuierliche Anstieg der Zugkraft sollte auch den realen Bedingungen entsprechen, da die Gasausströmung nicht schlagartig geschieht, sondern sich der Druck in dem Segment nur langsam aufbaut.

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Haltevorrichtung der Altimeter

Das Gesamtkonzept wird so konzipiert, dass sich im Segment zwischen den Fallschirmkammern die Gaskartuschen und Zündplatinen der Altimeter befinden. Das Telemetriesystem befindet sich in der Nutzlastkammer. Beide Altimeter (ALTS25 und DDCS25) sind komplett baugleich. Sie werden an eine Halteplatte (Abb. 20, Nummer 3) im Zwischensegment mit Hilfe von Abstandshaltern (Abb. 20, Nummer 2) montiert. Durch die beiden Abstandshalter, durch die Platte und durch die Altimeter wird eine Gewindestange der Größe M2 durchgeführt (Abb. 20, Nummer 4). Diese wird mit Unterlegscheiben und Muttern an beiden Enden verschraubt. Abbildung 20 Nummer 5 zeigt die Befestigung der Halteplatte mit Hilfe von zwei Winkeln.

4 e r

2 5 e r

1 e r 3 e r

Abbildung 20: Haltevorrichtung der Altimeter

 Altimeter DDCS25/ ALTS25  Abstandshalter  Halteplatte  Gewindestange M2  Winkel mit zwei Senkkopfschrauben M6

5.1.3 Pyrotechnische Komponente Die einzige pyrotechnische Komponente im System ist die Nitrocellulosewatte. Sie ist eine Watte, die in Nitriersäure getränkt ist. Wird sie entzündet brennt dieses Pyroelement ohne Rückstände ab. Die kleine kontrollierte "Explosion" soll einen Schub erzeugen, der die - 57 -


Aufstechhülse nach vorne treibt. Diese sticht wiederum die CO2-Kartusche auf und das Gas kann in das Fallschirmsegment entweichen. Wieviel Pyrowatte für diesen Vorgang benötigt wird, muss durch Versuche gezeigt werden. Dabei ist zu beachten, dass aus Sicherheitsgründen Schutzmantel, Augen- und Handschutz getragen werden muss. Die Watte soll stets trocken aufbewahrt werden, da sie im feuchten Zustand nicht entflammbar ist.

5.2 Einschränkungen und Störfaktoren Die größten Schwierigkeiten würden sich durch eine unzureichende Abdichtung ergeben. Es muss sichergestellt werden, dass alle Austrittstellen von Luft bzw. Gas abgedichtet sind. Die Leitungen der Brückenzünder werden vom Elektronik- bzw. Flaschensegment zur

Aufstechvorrichtung

Verbindungselementes

verlegt.

abgedichtet

Folglich sein.

müssen Wie

die

bereits

Kabeleinführungen

erwähnt

ist

es

des

denkbar

Keramikstecker in das Verbindungselement einzubringen und diese danach mit Silikon abzudichten. Außerdem muss die reibungsfreie Funktion der Aufstechvorrichtung gewährleistet werden. Die Aufstechhülse und der Dorn müssen möglichst passgenau gefertigt werden. Zum einen muss sich der Dorn reibungsfrei nach vorne bewegen können, zum anderen darf nicht zu viel des Druckstoßes, der durch die Pyrowatte erzeugt wird, in Richtung der Öffnungen der Einschraubhülse gelangen. Auch das Gewinde des Deckels muss eventuell abgedichtet werden. Die im Deckel befindliche Bohrung wird mit einem Abdichtgummi und Silikon verschlossen. Das Silikon kann nach dem Gebrauch wieder herausgeschnitten werden. Da der Brückenzünder nach jedem Start ausgetauscht wird, können seine Leitungen ohne weiteres bei der Wartung beschädigt werden. Nach jedem Start muss die komplette Vorrichtung gesäubert werden, da das fehlerfreie Aufstechen der CO2-Flasche enorm wichtig ist. Alle Bohrungen und Gewinde, die in den Verbindungselementen eingebracht werden müssen zusätzlich abgedichtet werden. Dies ist wichtig, um den Druckaufbau in der Fallschirmkammer zu garantieren, welcher zur Trennung der Segmente und zum Auswurf des Fallschirms führt. Das ausströmende CO2-Gas darf nicht in die Kammer der Altimeter/ Gas-Karutusche gelangen. Dortige Druckmessungen der Sensoren würden ansonsten verfälscht werden, was zu einer Fehlzündung führt. Die Bohrungen für die Scherstifte müssen passgenau sein. Es empfiehlt sich diese ebenfalls mit Silikon von außen

zu

verschließen.

Eine

andere

Möglichkeit

bestünde

darin,

keine

Durchgangsbohrungen für die Scherstifte im Verbindungselement anzubringen, sondern nur Sacklöcher zu bohren. Somit könnte auch kein Luftaustausch geschehen. Dies wurde

- 58 -


bis jetzt absichtlich vermieden, da eine Wandstärke von 2 mm des Verbindungselementes die Verwendung von Sacklochbohrungen als schwierig gestaltet. Es ist wichtig, dass die Verbindung CFK-Rohr - Verbindungselement ebenfalls passgenau gefertigt wird. Sollte eine Unrundheit im Radius des CFK-Rohres sein, besteht die Gefahr der Verklemmung im Moment der Segmenttrennung. Sollte Gas aus dem Zusammenbau von Rohr und Verbindungselement austreten, muss eine Nut eingedreht werden, in die ein Dichtungsgummi eingelegt wird. Dieser führt dann natürlich wieder zu einer erhöhten Reibung im Moment der Segmenttrennung. Ist die komplette Gesamtstruktur der Rakete ausgelegt, muss einen Studie gemacht werden, inwieweit mechanische Teile wie z.B. Finnen die Fallschirmentfaltung behindern könnten.

6 Praktische Umsetzung des Konzeptes Das ursprüngliche Ziel dieser Arbeit war es, das entworfene Konzept in die Praxis umzusetzen. Aus Zeitgründen war dies nicht mehr möglich. Die Benutzung der Maschinen an der Hochschule gestaltet sich ebenfalls als schwierig. Jeder, der den Maschinenpark der HSA benutzen will, benötigt eine Einweisung. Diese muss aber durch einen dortigen Angestellten erst gegeben werden, was zeitlich schwierig ist. Die konstruierten Teile sollen möglichst alle mit den Maschinen der Hochschule erstellt werden. Einfachere Bauteile können ohne weiteres mit konventionellen Fräs- bzw. Drehmaschinen gefertigt werden. Für kompliziertere Bauteile, bei denen auch eine gewisse Genauigkeit gefordert wird, empfiehlt sich die Verwendung von CNC (englisch: "computer numbered control")Maschinen. Alle Konstruktionszeichnungen befinden sich in dreidimensionaler Form im Anhang auf CD wieder. Der Versuchsaufbau kann in den Räumlichkeiten der Hochschule vollzogen werden, dafür sollte eine gewisse Grundausstattung an Werkzeug vorhanden sein. Beim Versuchsaufbau, sowie der -durchführung sollten mehrere Personen anwesend sein, um etwaige Fehler durch das "Mehr-Augen-Prinzip" auszuschließen. Für den Zugversuch muss vor der Durchführung eine Einweisung erfolgen. Der gesamte Ablauf des Versuches muss protokolliert werden, um die Ergebnisse danach auswerten zu können. Es wäre sinnvoll eine Kamera zur Aufnahme des Scherverhaltes aufzustellen. Für die ausgesuchten Teile befinden sich im Anhang Bestellvorschläge. Da der Kauf noch nicht unmittelbar bevorsteht, muss zukünftig überprüft werden, ob alle Angebote noch aktuell sind oder nicht bereits bessere Angebote erhältlich sind.

- 59 -


7 Fazit und Empfehlung für weiteres Vorgehen Die Gruppe des HyCOMET Teams ist ein Vorreiter für die Weltraumerkundung der Hochschule

Augsburg.

Trotz der

beschränkten

Erfahrung

in

der

Luft

-

und

Raumfahrttechnik, ist ein erfolgreiches Konzept zum Start einer Experimentalrakete entworfen worden. Die gesamte Arbeit wurde so gestaltet und formuliert, dass auch neue Mitglieder

des

HyComet-Teams

einen

Überblick

über

die

Auslegung

des

Bergungssystems bekommen. Es wurde auf alle Anforderungen eingegangen und ein System entwickelt, dass in den weiteren Monaten durch Tests perfektioniert wird. Die Fertigung der Teile und der Zusammenbau sind aus Zeitgründen nicht mehr Teil dieser Arbeit. Der Zeitplan wie oben formuliert konnte aus verschiedenen Gründen nicht eingehalten werden. Trotzdem wird im Anschluss dieser Arbeit das erarbeitete System optimiert. Dafür sind alle Unterlagen im Anhang dokumentiert und können für die weitere Bearbeitung verwendet werden. Auch die Scherstifte an der Zugmaschine sollen noch getestet werden. Es wird überprüft, ob sich die gemachten Rechnungen auch in der Praxis bewähren. Danach soll mit der Fertigung der konstruierten Teile begonnen werden. Dabei sollen möglichst alle Möglichkeiten der Hochschule Augsburg und die Fähigkeiten der Team-Mitglieder mit praktischer Ausbildung genutzt werden. Wie sich im Laufe der Arbeit gezeigt hat, gestaltet sich eine Terminfindung für die Einweisung als schwierig. Die Fertigung kann natürlich nur in Aufsicht eines Angestellten der HSA gemacht werden. Parallel zur Fertigung können

die

Zukaufteile

bestellt

werden.

Hierfür

befinden

sich

ebenfalls

alle

Bestellvorschläge im Anhang. Die Lieferung des Telemetriesystems und der Altimeter wird eine gewisse Zeit in Anspruch nehmen. Die Bestellung muss demnach schon frühzeitig geschehen. Danach kann mit der Montage und den ersten Tests begonnen werden. Diese sollen übersichtlich und vollständig protokolliert werden. Nach einer gründlichen Auswertung muss entschieden werden ob sich das entstandene System in der Praxis bewährt.

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Literaturverzeichnis [1] DLR: http://www.dlr.de (Stand: 12.11.2012) [2] Wikipedia: http://de.wikipedia.org/wiki/Cellulosenitrat (Stand: 03.04.2013) [3] Danyal Sener, Thomas Mayer: Auslegung einer Raketenstruktur für die studentische Experimentalrakete der HS-Ausgburg; Seite 23 [4] Apogee Components: Using Streamer Recovery instead of Parachutes; http://www.apogeerockets.com/downloads/newsletter128.pdf [5] Apogee Components: http://www.apogeerockets.com/images/quest_products/LilGrunt_streamer.jpg (Stand: 26.10.2011) [6] Metsker, Yuriy: Entwicklung und Konstruktion der Struktur und Bergungssystems des experimentellen Lenkflugkörpers xM-1a [7] Interessengemeinschaft Modellraketen: http://www.modellraketen.org/index.php?id=modellraketenbau (Stand: 01.01.2010) [8] Thüring, Jürg: Richtiges Design von Bergungs-Systemen [9] Air Command - Water Rockets: http://www.aircommandrockets.com/day114.htm (Stand: 03.04.2013) [10] Wikipedia: http://de.wikipedia.org/wiki/Widerstandsbeiwert (Stand: 06.01.2013) [11] Canepa, Mark: Modern HighPower Rocketry2 [12] Ky Michaelson, The Rocketman: http://www.the-rocketman.com/bags (Stand: 01.10.2012) [13] Adept Rocketry: http://www.adeptrocketry.com/company.htm (Stand: 12.01.2012) [14] Wikipedia: http://de.wikipedia.org/wiki/Nutzwertanalyse (Stand: 01.04.2013) [15] Wikipedia: http://de.wikipedia.org/wiki/Atmosphärischer_Temperaturgradientt (Stand: 30.03.2013) [16] Klimatabelle für Kiruna/Schweden: http://www.schiemannweb.de/reisebericht/stockholm/klimatabelle-schweden.htm (Stand: 01.12.2012) [17] Wikipedia: http://de.wikipedia.org/wiki/Brückenzünder (Stand: 02.04.2013)

XI


[18] Alibaba Fallschirmstoffe: http://german.alibaba.com/product-gs/ripstop-fabric-nylonfabric-parachute-fabric-316671009.html (Stand: 03.03.2013) [19] Wikipedia: http://de.wikipedia.org/wiki/Luftdichte (Stand: 06.04.2013) [20] Wikipedia: https://de.wikipedia.org/wiki/Aramide (Stand: 28.03.2013) [21] Labortechnik Suesse: http://www.suesse.de/materialinfo/kunststoff-polystyrol (Stand: 03.03.2013) [22] Kern - Eigenschaften Polystyrol: http://www.kern.de/cgi-bin/riweta.cgi?nr=2101&lng=1 (Stand: 03.03.2013) [23] Sieg, Andreas: Formelsammlung Technische Mechanik [24] Wikipedia: https://de.wikipedia.org/wiki/Aramide (Stand:03.04.2013)

XII


Anhang A: kompletter Aufbau

XIII


Anhang B: Zusammenbau Auslรถsesegment

XIV


Bachelor Arbeit