Performance-Tests an einem Raketen-Hybridantrieb

Mehr als 50 Jahre sind vergangen, seit die Menschen den ersten Satelliten in die Umlaufbahn und die ersten Raumfahrer auf die Oberfläche des Mondes gebracht haben. Aber erst im letzten Jahrzehnt ist der Zugang zum Weltraum so erschwinglich geworden, dass wir in der Lage sind, kommerzielle Nutzlasten zu starten.

Allerdings geschieht dies immer noch mit großen Trägerraketen, unflexiblen Zeitplänen und langen Turnaround-Zeiten, die das wahre Potenzial der Weltraumnutzung und -forschung einschränken..

Konstruktion von Hybridraketentriebwerken

Alternativ dazu hat es in letzter Zeit zahlreiche Entwicklungen im Bereich des Hybridraketenantriebs gegeben, der zu einer drastischen Reduzierung der Komplexität der Fluggeräte beigetragen hat und zur Fertigung kleiner, einfacher und kostengünstiger Kleinsatelliten-Trägerraketen verwendet werden kann.
Ein Hybridantrieb funktioniert in der Regel mit einem flüssigen oder gasförmigen Oxidator in Kombination mit einem Festbrennstoff. Die Hauptvorteile des Hybridantriebs sind geringere Wartungs- und Entwicklungskosten sowie eine einfache Lagerung und ein einfacher Transport. Als Brennstoff kommen in Hybridraketentriebwerken häufig Polymere, wie z. B. Gummi, zum Einsatz, die oft mit Flüssigsauerstoff als Oxidator kombiniert werden. Durch seine starke Oxidationsfähigkeit können organische Materialien in seiner Gegenwart schnell verbrennen und Materialien wie Öl oder Holzkohle sogar explosiv werden. 
In diesem Projekt haben wir zur Datenerfassung während der Entwicklung, Kalibrierung und Erprobung des SL-2-Hybridraketentriebwerks, eines einsatzbereiten Antriebs für die Stella-1-Rakete, Hardware und Software von Dewesoft eingesetzt. Das mit Paraffin als Festbrennstoff und flüssigem Sauerstoff betriebene Triebwerk erzeugt 4 kN Schub, ist dafür ausgelegt, eine 80 kg schwere Rakete in eine Höhe von 10 km zu befördern, und dient als Proof of Concept für die weitere Entwicklung dieser Technologie. 
Sorgfältige Messungen und Analysen aller Betriebsparameter ermöglichten es uns, aus jedem statischen Triebwerkstest ein Höchstmaß an Informationen zu gewinnen und so die Gesamtzahl der erforderlichen Tests zu reduzieren.

Die Rakete Stella 1

Stella 1 wird die erste Spacelink-Rakete sein, die vom SL-2-Triebwerk angetrieben wird und eine Höhe von 10 km erreicht.  Sie wird mit einem zweistufigen Bergungssystem ausgestattet, das einen Brems- und einen Hauptfallschirm umfasst. 
Im Gegensatz zu Militärraketen und größeren Raketen, die Astronauten befördern, ist Stella 1 passiv stabilisiert, d. h. der Vertikalflug wird durch starre Flossen gewährleistet. Diese werden allerdings erst ab einer bestimmten Geschwindigkeit wirksam, so dass die Rakete auf den ersten Metern des Fluges geführt werden muss. Zu diesem Zweck haben wir eine Startrampe entworfen und gebaut, die aus einem dreibeinigen Sockel und einem Turm besteht.
Die Raketentechnologie ist ein komplexes Thema, bei dem hohe Temperaturen und Drücke, Vibrationen, Beschleunigung und Strömungsdynamik ins Spiel kommen. Eine präzise Leistungsmessung ist für die Optimierung und Fehlerbehebung bei solchen Systemen unerlässlich.

Das Spacelink-Unternehmen

Spacelink ist ein Team junger, innovativer Ingenieure, die danach streben, ein slowenisches Raumfahrtprogramm auf die Beine zu stellen. Unser Team baut eine Rakete, die über die in 100 km Höhe liegende Kármán-Linie geschossen werden soll, die als Grenze zwischen der Erdatmosphäre und dem Weltraum gilt. 
In den letzten Jahren wurden in der der Satellitentechnologie große Entwicklungsanstrengungen im Bereich der Miniaturisierung unternommen, was zu einer zunehmenden Produktion von Kleinsatelliten mit einer Masse zwischen unter 1 kg und einigen 100 kg geführt hat. Derzeit bieten die Transportmöglichkeiten in den Orbit nur eine sehr geringe Flexibilität, was die endgültige Umlaufbahn, die Startfrequenz und die Zeitplanung angeht. Bei Spacelink sind wir überzeugt, dass wir uns durch die Entwicklung kleiner, aber leistungsstarker Raketen mit Hybridraketenantrieb, mit der wir den Transport von Nutzlasten in den Orbit vereinfachen, im Wettbewerb abheben können. 

Das Hybridraketenantriebssystem SL-2

Die Entwicklung von Trägerraketen beginnt in der Regel mit der Entwicklung und Erprobung des Antriebssystems am Boden. In unserem Fall haben wir mit dem Raketentriebwerk SL-2 begonnen, bei dem es sich um eine verkleinerte Version des Triebwerks handelt, das später in der originalgroßen Rakete mit Hybridantriebssystem zum Einsatz kommen soll. Trotzdem ist es aber mit allen möglichen Arten von Sensoren ausgestattet, um so viele Informationen wie möglich zu erfassen. 

Das Triebwerk besteht im Wesentlichen aus drei Teilen:

• einer horizontal angeordneten Brennkammer unten,

• ein Flüssigsauerstofftank in der Mitte,

• und einem Druckbehälter oben.

Zwischen den Tanks befindet sich ein Ventil mit geschlossenem Regelkreis, das Hochdruckluft aus dem Druckbehälter mit einem konstanten niedrigeren Druck von 40 bar in den Oxidatortank leitet. 

Bei Öffnung des Hauptmagnetventils unter dem Oxidatortank wird flüssiger Sauerstoff durch die Einspritzdüse geleitet und von ihr in feine Tröpfchen zerstäubt. In der Brennkammer mischen sich diese Tröpfchen mit geschmolzenem Paraffin und reagieren mit ihm. Dabei entstehen auf über 3000 °C erhitzte Gase, die beim Durchströmen der Hauptdüse auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt werden. Schnell bewegte Gase erzeugen Schub und ohrenbetäubenden Lärm.

Was wir brauchten, war die Möglichkeit, die wichtigsten Leistungsparameter des SL-2-Triebwerks an einem abgelegenen Ort zu testen und die entsprechenden Messungen in Echtzeit zu beobachten, um den Test gegebenenfalls abbrechen oder manuelle Änderungen vornehmen zu können. 

Bei einigen Messgrößen, wie zum Beispiel der Kammerwandtemperatur, wurden dabei nur der Maximal- und der Minimalwert benötigt, während sich andere Größen, wie der Druck in der Brennkammer, mit hoher Frequenz änderten. Ein weiterer wichtiger Faktor war die Zeitsynchronisation der Daten von verschiedenen Sensoren, die es uns erlaubten sollte, nachzuvollziehen, wodurch mögliche Anomalien im Triebwerksverhalten, wie etwa Änderungen der Oxidatorfüllstandswerte im Zusammenhang mit erhöhten Drücken im Tank, verursacht wurden. 

Die gesamte Testsequenz wurde von unserem Flugcomputer und seiner Onboard-Software gesteuert. Sie umfasste das Füllen des Tanks mit Flüssigsauerstoff und die Kühlung der Rohrleitungen, die Druckbeaufschlagung des Systems, die 5-sekündige Brennzeit, die Entlüftung, das Ablassen des restlichen Oxidators und schließlich die Aufwärmphase. Während der Tests konzentrierten wir uns im Wesentlichen auf die Analyse der 5 Sekunden, in denen das Triebwerk in Betrieb war.

Der Aufbau des Leistungsmesssystems

Unser Messaufbau bestand aus zwei Dewesoft-Datenerfassungssystemen, einem SIRIUS- und einem KRYPTON-System, die miteinander verkabelt waren, um eine ausreichende Kanalanzahl zu gewährleisten. Die Geräte wurden über ein 100 m langes Ethernet-Kabel mit einem Laptop verbunden. Unsere Tests erforderten die Erfassung einer ganzen Reihe von physikalischen Parametern und daher den Einsatz verschiedener Sensortypen.

Druckaufnehmer

Es gibt verschiedene Verfahren zur Druckmessung (z. B. kapazitive, optische, piezoelektrische usw.). In unserem Fall wurde ein industrieller piezoresistiver Druckaufnehmer verwendet. Dabei nimmt ein integrierter mikroprozessorgesteuerter Verstärker Widerstandsänderungen des Keramiksensors auf und wandelt sie in ein Standardausgangssignal von 4-20 mA um. Der Druckaufnehmer ist über einen externen 50-Ohm-DSI-Stromshunt mit dem SIRIUS-Datenerfassungssystem verbunden

Thermoelemente

Thermoelemente sind einfache Temperatursensoren, die aus zwei verschiedenen elektrischen Leitern bestehen, die miteinander verbunden werden. An den freien Enden der Leiter entsteht eine temperaturabhängige Spannung, die vom Datenerfassungsgerät aufgenommen und in einen Temperaturwert umgewandelt wird. Thermoelemente werden aufgrund ihrer geringen Kosten, ihrer Austauschbarkeit, ihres großen Messbereichs und ihrer geringen thermischen Masse in verschiedenen Branchen eingesetzt.

Dehnungsmessstreifen

Dehnungsmessstreifen sind Geräte, die zur Messung der Dehnung und Stauchung von Objekten verwendet werden. Sie werden in der Regel mit einem Kleber auf der Oberfläche des Messobjekts befestigt und verformen sich mit ihr, wobei sich der Widerstand des Messstreifens ändert. Bei korrekter Kalibrierung können sie effektiv zur Kraftmessung verwendet werden und kommen daher häufig in Wägezellen, Kraftsensoren und Waagen zum Einsatz.

Kapazitiver Füllstandssensor

Für die Messung des Flüssigsauerstoffpegels im Tank während des Befüllens und des Triebwerksbetriebs haben wir einen kapazitiven Füllstandssensor entwickelt, der für eine kryogene, oxidierende Umgebung geeignet ist. Er besteht aus zwei konzentrischen Edelstahlrohren, die in den Flüssigsauerstoff eingetaucht werden. Ein Anstieg oder Absinken des Flüssigkeitspegels wird vom Prozessor als Änderung der elektrischen Kapazität erfasst und in ein PWM-Signal umgewandelt. Dieses Signal wurde dann mithilfe der Dewesoft-Supercounter-Technologie analysiert, um den Tastgrad zu bestimmen und daraus den Pegelstand abzuleiten.  

Die Analyse der Antriebsleistungsmessung

Die Messdaten lieferten die Grundlage für eine gründliche Analyse der wichtigsten Leistungsfaktoren, die zum Verhalten des Raketentriebwerks beitragen.

Schubanalyse

Zur Messung von Schub und Schubversatz wurde die Brennkammer auf eine Messplatte montiert. An jeder Seite der vier Metallträger wurde ein Dehnungsmessstreifen angebracht, so dass sich vier Halbbrückenschaltungen bildeten.

Alle vier Kanäle wurden an den internen Brückenverstärker des Dewesoft SIRIUS angeschlossen und gaben summiert den Gesamtschub. 

Diese Konfiguration erlaubte uns auch die Messung der Seitenkräfte, mit deren Hilfe der Düsenversatz bestimmt und gegebenenfalls das Schubvektorsteuerungssystem charakterisiert werden kann.

Die beiden wichtigsten Parameter, die wir aus den gesammelten Daten ableiten konnten, waren:

• die Zeit bis zum Erreichen des Nennschubs (wichtig für eine hohe Anfangsbeschleunigung der Rakete) und

• der Gesamtimpuls (relevant für die Höhe, die die Rakete letztlich erreicht)

Analyse des Brennkammerdrucks

Zur Überwachung des Innendrucks wurde direkt an die Brennkammer ein Druckaufnehmer angeschlossen. Ziel war die Beobachtung der Kraftstoffeffizienz sowie möglicher Verbrennungsinstabilitäten (Schwankungen) und potenzieller Probleme wie einer Düsenverstopfung. Im konkreten Fall wurden zwei unterschiedliche Verbrennungsinstabilitäten – eine niederfrequente und eine hochfrequente – festgestellt, die auf die akustischen Eigenschaften der Brennkammer zurückzuführen waren.

Druckregelungsanalyse

Der Flüssigsauerstofftank wurde mithilfe eines externen Hochdrucktanks mit Druck beaufschlagt. Für die Gewährleistung eines konstanten Drucks des Oxidators wurde ein aktives Regelsystem entwickelt, das ein Motorventil, einen Druckaufnehmer und einen PID-Regler umfasst. Der Drucksensor wurde zur Erfassung von Daten für die Nachanalyse parallel zum SIRIUS angeschlossen.

Thermomanagement der Brennkammer

Zur Bestimmung der Effektivität der Wärmedämmung der Brennkammer wurden entlang ihrer Außenwand vier Thermoelemente vom Typ K angebracht und mit einem Dewesoft KRYPTON verbunden. Die Temperaturen wurden dann während des Triebwerksbetriebs und noch einige Minuten danach überwacht, um die Verzögerung der Wärmeübertragung zu bestimmen. Wir kamen zu dem Schluss, dass die vorhandene Innenisolierung perfekt funktioniert, da die Außenwandtemperaturen nie über 40 °C stiegen.

Testfazit

Es gibt viele Faktoren, die das Verhalten von Raketentriebwerken beeinflussen. Diese Faktoren müssen gemessen und zwischen den verschiedenen Tests optimiert werden, um einen stabilen, zuverlässigen und effizienten Betrieb für den späteren Einsatz des Triebwerks bei tatsächlichen Flügen zu gewährleisten. Darüber hinaus meinen wir, dass die Messausrüstung die wichtigste Komponente ist, auf die man sich bei der industriellen Forschung und Entwicklung in jeglichem Bereich unbedingt verlassen können sollte. Da unsere Messungen vor Ort stattfanden, war es wichtig, über robuste, nicht ausschließlich für den Laboreinsatz geeignete Hardware zu verfügen. 

In unserem Fall hat sich die Hard- und Software von Dewesoft nicht nur als zuverlässig, sondern auch als unglaublich vielseitig erwiesen – mit geringfügigen Modifikationen konnten wir praktisch jeden verfügbaren Sensor verwenden. Nachdem sich unsere Teammitglieder ein wenig mit der Dewesoft-Software vertraut gemacht hatten, empfanden sie sie trotz ausgesprochen vielfältiger Eigenschaften und Funktionen als sehr übersichtlich und bedienerfreundlich.