Prüfung von Kraftaufnehmern unter Zug- und Druckbelastung für präzise Schubkraftmessungen bei Raketen

Unter dem Motto „In Thrust, We Trust“ leisten die Studierenden des AQUILO-Raketenteams der Inholland University Pionierarbeit bei praxisorientierten Innovationen in der Luft- und Raumfahrt, indem sie fortschrittliche Höhenforschungsraketen entwickeln und testen. Um die Genauigkeit der Schubkraftmessung zu verbessern, untersucht das Team die Leistungsfähigkeit von S-Form-Kraftaufnehmern sowohl unter Zug- als auch unter Druckbelastung. Nach der Integration des SIRIUS-Datenerfassungssystems und der Software von Dewesoft in den Prüfaufbau erfasste das Team Kraftdaten in Echtzeit und verglich sie. 

Die Prüfung eines Motordesigns zählt wohl zu den wesentlichsten Aufgaben in der Raketenentwicklung. Auch wenn der Starttag nicht als besonders riskant gilt, bleibt die Motorprüfung entscheidend. Der Vergleich des tatsächlichen Schubs mit theoretischen Vorhersagen hilft sicherzustellen, dass das Raketentriebwerk zuverlässig und hochwertig gefertigt ist. Eines der wichtigsten Messinstrumente dafür ist der Zug- und Druckkraftaufnehmer.

Der Kraftaufnehmer – oder genauer: der S-Form-Kraftaufnehmer – ist für den Einsatz auf einem Triebwerksprüfstand vorgesehen. Derzeit entwickelt das Team eine horizontale anstelle der üblichen vertikalen Ausführung. Ein horizontaler Aufbau bietet hinsichtlich der Messpräzision mehrere Vorteile gegenüber einem vertikalen Aufbau. 

Es könnte sich lohnen zu untersuchen, ob eine Zugbelastung des Kraftaufnehmers effektiver ist als eine Druckbelastung. Ingenieure bevorzugen traditionell die Zugmessung. Dies beruht auf der Annahme, dass die Geometrie des S-Form-Kraftaufnehmers möglicherweise genauere Zug- als Druckmessungen ermöglicht.

Das AQUILO-Raketenteam

Das AQUILO-Raketenteam begann 2014 als Abschlussprojekt an der Inholland University of Applied Sciences in Delft. Seitdem hat es sich zu einem dynamischen Kollektiv aus Studierenden der Luft- und Raumfahrttechnik entwickelt, die sich der Weiterentwicklung der Raketentechnik durch praktische Innovation und interdisziplinäre Zusammenarbeit widmen. 

Das Team spezialisiert sich auf die Konstruktion und den Bau leichter Höhenforschungsraketen und nutzt dabei fortschrittliche Verbundwerkstoffe, darunter Kohlefaser und Glasfaser, um die strukturelle Leistungsfähigkeit und Effizienz zu optimieren. 

In den vergangenen zehn Jahren hat AQUILO eine Reihe von Raketen entwickelt und gestartet, wobei in jede neue Version Verbesserungen einflossen, die auf den Erfahrungen der vorangegangenen Missionen basierten. Bemerkenswert ist, dass das Team Eigenentwicklungen – einschließlich Konstruktion und Fertigung eigener Raketenmotoren – durchführt, wodurch es sich von vielen anderen studentischen Raketenprojekten abhebt. 

Das Team ist in mehrere Abteilungen – Struktur, Elektronik, Antrieb, Bergung und Marketing – gegliedert, die gemeinsam für Entwicklung und Tests verantwortlich sind. Mit einem vielfältigen Team von mehr als 50 Studierenden aus über 20 Nationen verfolgt AQUILO das Ziel, sowohl Bildungsfortschritte zu erzielen als auch Exzellenz im Bereich der Luft- und Raumfahrt zu erreichen. 

Mit der Entwicklung der AQUILO IX bereitet sich das Team auf die Teilnahme an der European Rocketry Challenge (EuRoC) 2026 in der prestigeträchtigen 3-km-Höhenkategorie vor.

AQUILO VIII.VS – 3. (Neu-)Start – März 2025

Experiment mit S-Form-Kraftaufnehmern

Für eine gründliche Bewertung des Kraftaufnehmers konzentriert sich die erste Phase auf die Prüfung eines S-Form-Kraftaufnehmers unter kontrollierten Bedingungen. Ziel ist es, seine Leistungsfähigkeit sowohl unter Zug- als auch unter Druckbelastung zu vergleichen – mit besonderem Fokus auf Messgenauigkeit und Wiederholbarkeit.

Anhand dieses Tests soll beurteilt werden, ob es sinnvoll ist, den horizontalen Prüfstand so auszulegen, dass Schubkräfte in Zugkräfte statt in Druckkräfte umgewandelt werden. Die Messergebnisse sollen dabei wertvolle Erkenntnisse liefern, ob eine Zug- oder eine Druckbelastung verlässlichere Daten erzeugt. Dieses Wissen ist ein entscheidender Faktor für eine mögliche zukünftige Integration in horizontale Prüfstandskonfigurationen.

Versuchsaufbau

Wir entwickelten einen Versuchsaufbau zur Bewertung der Leistungsfähigkeit des S-Form-Kraftaufnehmers unter Einwirkung von Kräften in sowohl ziehender (Zugmessdosen) als auch drückender (Druckmessdosen) Richtung. 

Die Kräfte wurden kontrolliert auf einen 200-kg- und einen 1000-kg-Kraftaufnehmer aufgebracht, und die Messwerte wurden aufgezeichnet, um Unterschiede in Genauigkeit und Konsistenz beurteilen zu können.

Dazu wurde der Kraftaufnehmer mit dem SIRIUSie-8xUNI+-Datenerfassungssystem von Dewesoft verbunden, und die Daten wurden mithilfe der Software DewesoftX erfasst. Um eine klare und zuverlässige Datenerfassung während der Prüfung sicherzustellen, verwendeten wir eine speziell angepasste Konfiguration.

Verwendete Hard- und Software

Der vollständige Versuchsaufbau bestand aus folgenden Komponenten:

• SIRIUSie-8xUNI+ – Datenerfassungssystem von Dewesoft für die Messung von bis zu acht universellen Signaleingänge (Spannungssensoren, Dehnungsmessstreifen, IEPE-Beschleunigungssensoren usw.)

• DewesoftX – Datenerfassungs- und Signalverarbeitungssoftware mit spezifischer Aquilo-Konfiguration für statische Testzündung

• S-Form-Kraftaufnehmer für eine Nennlast von bis zu 200 kg

• S-Form-Kraftaufnehmer für eine Nennlast von bis zu 1000kg

Wir führten die Datenerfassung in beiden Belastungsrichtungen durch und verarbeiteten die Ergebnisse, um die Zuverlässigkeit des Tests sicherzustellen. 

Zur Überprüfung der Eignung des Kraftaufnehmers für die Integration in den horizontalen Prüfstand legten wir besonderes Augenmerk auf die vergleichende Analyse der Zug- und Druckausgangswerte. 

Diese Analyse ist von entscheidender Bedeutung für den Abschluss des Tests, insbesondere, um zu beurteilen, welche Belastungsrichtung – Zug oder Druck – unter Berücksichtigung der mechanischen Eigenschaften der S-Form-Geometrie genauer und stabiler ist.

Testergebnisse

Nach einer festgelegten Vorbereitungsphase brachten wir Zug- und Druckkräfte auf und konzentrierten uns dabei insbesondere auf die erfassten Spitzenwerte. 

Während des Tests zeigte sich, dass in unserem Fall nur der 200-kg-Kraftaufnehmer ausreichend empfindlich war, um auch kleinere Lasten zu erfassen. Aus diesem Grund werden im Folgenden zunächst die Ergebnisse des 200-kg-Kraftaufnehmers dargestellt, bevor wir diese zu Referenzzwecken kurz mit den Messwerten des 1000-kg-Kraftaufnehmers vergleichen.

Diese Information ist – abgesehen von der grafischen Darstellung der Richtung der verschiedenen Kräfte – nicht sehr aussagekräftig. Ihre Berücksichtigung ist dennoch sinnvoll, da sie die korrekten Einstellungen des Kraftaufnehmers, also die Richtung der aufgebrachten Kraft – bestätigt. 

Zur Analyse der Unterschiede zwischen den Lastfällen betrachten wir die jeweiligen Lastspitzen, da diese maßgeblich für die Auslegung relevant sind. Raketentriebwerke werden üblicherweise auf den bei der geplanten Mission zu erwartenden Spitzenlastfall hin ausgelegt. Durch Hineinzoomen in den relevanten Zeitbereich wurden die maximalen Werte ermittelt. Für die Zugkraft ist dies 0,09482 N, für die Druckkraft 0,21339 N.

Zur Verifizierung des festgestellten Unterschieds betrachten wir zusätzlich den 1000-kg-Kraftaufnehmer. Hier liegt die Spitzenzugkraft bei 0,02821 N und die Spitzendruckkraft bei 0,04271 N.

Einsatz eines digitalen Tiefpassfilters

Im Rahmen des Experiments wurde auch untersucht, ob die Signaldarstellungs-Einstellungen im Kanal-Setup des Oszilloskops einen Einfluss auf die Signalqualität haben. Dieser Aspekt war besonders wichtig, da ohne einen geeigneten Tiefpassfilter das elektrische Signal stark verzerrt und dadurch die Messergebnisse verfälscht werden können. Um ein stabileres Signal und damit zuverlässigere Daten zu erzielen, wurde ein 40-kHz-Tiefpassfilter eingesetzt. 

Der Vergleich der Testergebnisse zeigte jedoch, dass der Filter nur einen geringen Einfluss auf die Ergebnisse hatte, weshalb die Hauptmessungen ohne ihn durchgeführt wurden. Die Beobachtung der Unterschiede zwischen verschiedenen Tiefpassfiltern erwies sich dennoch als aufschlussreich und könnte für zukünftige Experimente von Nutzen sein.

Fazit und Empfehlung

Der S-Form-Kraftaufnehmer zeigt ein unterschiedliches Verhalten bei Zug- und Druckbelastung. In unserem Experiment betrug der Unterschied zugunsten der Druckbelastung beim 200-kg-S-Form-Kraftaufnehmer etwa 76,94 %. Beim 1000-kg-S-Form-Kraftaufnehmer zeigte sich dieser Effekt ebenfalls, fiel jedoch mit einem Vorteil von 40,93 % bei Druckbelastung geringer aus. 

Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Messverhalten des Kraftaufnehmers in Abhängigkeit von seiner Nennkapazität und der Richtung der aufgebrachten mechanischen Kraft erheblich variieren kann. Dies hat signifikante Auswirkungen auf die Verwendung von Kraftaufnehmern in verschiedenen Prüfstandskonfigurationen.

Ein wesentlicher Aspekt bei der Auslegung horizontaler Prüfstände oder der Integration von Kraftaufnehmern in ein Prüfsystem ist es, zu bestimmen, ob Zug- oder Druckkräfte für das jeweilige Sensormodell und dessen Nennkapazität genauere und zuverlässigere Messergebnisse liefern.

Ich empfehle weitere Tests mit Kraftaufnehmern unterschiedlicher Nennlasten, um festzustellen, ob der beobachtete Trend mit zunehmender Steifigkeit bzw. Nennkapazität anhält. Solche Untersuchungen würden zu fundierteren Entscheidungen bei der Gestaltung von Schubmesssystemen für Raketentriebwerksprüfstände oder vergleichbare Anwendungen beitragen.

Die unterschiedliche Reaktion auf Zug- und Druckkräfte ist möglicherweise nicht allein auf die Geometrie des S-Form-Kraftaufnehmers zurückzuführen. Stattdessen könnte die relative Steifigkeit des Materials im Verhältnis zur maximalen Nennlast des Kraftaufnehmers eine maßgebliche Rolle spielen. 

So reagiert der 1000-kg-S-Form-Kraftaufnehmer anders auf Zug und Druck als das 200-kg-Modell. Dieser Unterschied sollte bei der Prüfstandsauslegung sorgfältig berücksichtigt werden.

Um die Aussagekraft und Zuverlässigkeit dieser Ergebnisse weiter zu erhöhen, empfehle ich dringend zusätzliche Untersuchungen. Diese sollten auch Kraftaufnehmer mit höheren, niedrigeren sowie zwischen 200 kg und 1000 kg liegenden Kapazitäten einbeziehen. Ziel ist es zu bestimmen, ob sich der beobachtete Trend – von 76,94 % auf 40,93 % – über weitere Kapazitäten hinweg bestätigt.