Die Wissenschaftliche Arbeitsgemeinschaft für Raketentechnik und Raumfahrt (WARR), die größte studentische Gruppe an der Technischen Universität München (TUM), beschäftigt sich mit der Entwicklung, dem Test und dem Start von experimentellen Höhenforschungsraketen. Das Projekt Nixus, die jüngste Herausforderung des motivierten Studententeams, zielt auf die Entwicklung einer flüssigkeitsbetriebenen Höhenforschungsrakete ab, die an Studentenwettbewerben wie der European Rocketry Challenge teilnimmt. Die Rakete soll im Wettbewerbssegment 30k Student Research and Developed (SRAD) antreten. Neben mehreren anderen Herausforderungen besteht das Hauptziel dieses Wettbewerbs darin, eine Zielhöhe von 9144 m (30.000 Fuß) so genau wie möglich zu erreichen.
Die Verwendung eines Flüssigkeitsantriebs bedeutet für das WARR-Raketenteam einen großen Schritt nach vorn in der Systemkomplexität. Da die Rakete von Grund auf neu entwickelt wird, liegt ihr Schwerpunkt auf der Fertigstellung eines funktionierenden und qualifizierten Systems innerhalb kurzer Zeit. Künftige Generationen werden das Design im Laufe der Zeit optimieren und verfeinern und die entwickelten Technologien und Kompetenzen in Folgeprojekten anwenden, z. B. bei der Überschreitung der Karman-Linie (>100km Höhe).
Herstellung und Prüfung sind besonders wichtige Schritte im Entwicklungsprozess. Diese dienen nicht nur der Validierung und Verbesserung der Entwürfe, sondern ermöglichen es WARR auch, praktische Erfahrungen in der heutigen kommerziellen Raumfahrtindustrie zu sammeln, so dass die Studenten schon lange vor Abschluss ihres Studiums branchenrelevante praktische Erfahrungen sammeln können.
Perle Systems freut sich, das Team von WARR mit einem Industrial PoE Switch, einem Paar Ethernet Extender mit großer Reichweite, und einem Serial Device Server für einen erweiterten Temperaturbereich zu sponsern. Wir können alle hier ihren Fortschritt verfolgen.
Projekt Nixus - Designüberlegungen und Details
Antonio Steiger, Leiter des Elektronik-Teams für das Projekt Nixus, kommentiert: Wir entwickeln die Rakete und die gesamte Elektronik von Grund auf neu. Wie Sie sich vorstellen können, gibt es eine Menge komplexer Geräte, die einen erfolgreichen Start und Flug überwachen und koordinieren und die entsprechende Kommunikation bereitstellen. Jedes Bauteil, das wir auswählen, muss sorgfältig auf seine Eignung und Platzierung hin geprüft werden.
Die Konstruktion besteht im Wesentlichen aus drei Teilen.
1. Die Rakete: Langlebigkeit und Gewicht sind die wichtigsten Kriterien für alle Komponenten an Bord der Rakete. Je schwerer die Rakete ist, desto mehr Schubkraft wird benötigt, um sie vom Boden abzuheben. Dies ist besonders kritisch bei Raketen mit Flüssigtreibstoff, da Flüssigtriebwerke aufgrund des Gewichts von Pumpen und Treibstoffleitungen im Allgemeinen schwerer sind als Feststofftriebwerke. Steiger: Die Flugcomputer in der Rakete empfangen Befehle und senden Diagnose- und Überwachungsdaten über RS485 an den Kontrollraum zurück. Wir haben uns für serielle RS485-Transceiver für die Rakete entschieden, weil sie leicht sind. Außerdem ermöglichen sie uns eine zuverlässige, einfache Kabelverbindung von der Rakete zur Chronos Launchpad-Schnittstelle.
2. Chronos - Die Schnittstelle der Startrampe befindet sich in einem Umkreis von 10 m um die Rakete: Hohe Temperaturen und explosive Stoffe machen Startrampen zu gefährlichen Umgebungen, in denen die strenge Einhaltung von Sicherheitsrichtlinien erforderlich ist. Perle stellte zwei wesentliche Netzwerkgeräte zur Verfügung die von hier aus betrieben werden sollten. Der IOLAN SDG2 TX Device Server wird zur Erleichterung der RS485-Datenübertragung und -umwandlung zwischen dem Flugcomputer an Bord der Rakete und der Ethernet-Bodeninfrastruktur und Überwachungssoftware verwendet. Es handelt sich um einen robusten seriellen Vollduplex Device Server, der bei +74 °C arbeiten kann und natürlich auf die beiden Flugcomputer abgestimmt ist. Während die Wartung und Kontrolle des IOLAN Device Server über eine webbasierte Überwachungssoftware einfach zu bewerkstelligen ist, wird diese Kommunikationslinie beim Start unterbrochen. Das zweite ist ein IDS-108FPP Industrial PoE Switch der mehrere IP-Kameras, die die Rakete von der Startrampe aus überwachen, mit einer Leistung von 30 Watt versorgt. Alle Daten, die von den Telemetriegeräten, Sensoren und Kameras gesammelt werden, liefern dem Team von Raketenwissenschaftlern in der Bodenkontrollstation wichtige Erkenntnisse.
3.Cor - Der Schaltschrank des Kontrollraums ist Teil der Funkbodenstation und befindet sich 600 bis 1000 m von der Startrampe entfernt:Sicherheitsabstände von mindestens 600 m, oft aber auch mehr, zwischen der Startrampe und dem Kontrollraum stellen das Elektronikteam vor erhebliche Herausforderungen bei der Datenübertragung. Steiger erklärt: Unser Ziel war es, ein einziges Verbindungskabel zwischen dem Kontrollraum und der Startrampe zu verwenden. Die TC Ethernet Extender mvon Perle machen dies möglich und reduzieren die Anzahl der für die Datenübertragung notwendigen Leiter von 8 auf nur 4. Dadurch können wir ein allgegenwärtiges und preiswertes Ethernet-Kabel für mehrere Kilometer verwenden und haben gleichzeitig eine Reserve von vier zusätzlichen Leitern für zusätzliche Funktionen.
Update Nr. 1: Electronik-Test-Phase
Steiger kommentiert: Wir haben unseren sekundären Flugcomputer erfolgreich über das IOLAN integriert, so dass wir die Verbindung zum Flugcomputer wiederherstellen können, wenn die Verbindung zu irgendeinem Zeitpunkt physisch unterbrochen wird. Was uns am IOLAN besonders gefällt, ist die außergewöhnlich ausführliche Dokumentation. Das Gerät fühlt sich an, als wäre es für Ingenieure gemacht worden. Wir können damit alles implementieren, was wir wollen, und über SSH Diagnosen durchführen, die uns helfen, Fehler zu erkennen. Die LEDs am Gerät sind sehr sauber implementiert und sind eine große Hilfe bei der Entwicklung. Auch die Weboberfläche ist sehr intuitiv, und wir nutzen sie regelmäßig.
Testing mit Perle IDS Switch und IOLAN
IP Kamara Test
Cold Flow Testing
Mess-Schnittstelle
Raketenmodell
Zusammengebauter Prüfstand
Steiger weiter, Alle Tests der Bodeninfrastruktur wurden erfolgreich über den Perle IDS Switch und das WebRTC-Protokoll durchgeführt. Mit dieser Kombination konnten wir eine durchschnittliche Latenzzeit von weniger als 164 ms für Live-Videos im Browser erreichen. Dies übertrifft bei weitem die Standard-Latenzzeit der Kamerahersteller von 460 ms. Wir sind wirklich beeindruckt von dem kompakten Formfaktor des Perle Switches und der zuverlässigen Anzeige der Aktivität im Netzwerk durch die LEDs.
Update 2: Erfolgreiches Triebwerk-Hotfire im Subscale (kapazitivem)-Format
Um das Raketentriebwerk zu entwickeln, wurde es im Subscale-Maßstab gezündet. Dies war das erste Mal, dass das Nixus-Projekt eine Flamme erzeugte. Der eigens entwickelte Zünder verwendet Wasserstoff und Sauerstoff, um alle Motoren auf dem Nixus-Prüfstand zuverlässig zu zünden. Er ermöglicht schnelle Testdurchläufe, die für die Entwicklung des Flüssigkeitsantriebs in Originalgröße für den Space Port America Cup 2023 entscheidend sein werden. In den kommenden Wochen wird es die ersten Hot-Fires im großen Maßstab des von Nixus hergestellten Subscale-Forschungstriebwerks antreiben. Während des Tests versorgte der IDS-108FPP Industrial PoE-Switch die IP-Überwachungskameras bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt mit einer Leistung von 30 Watt. Er verarbeitete zuverlässig wertvolle Messdaten, Steuerbefehle und zwei Live-Videostreams.
In einem separaten Test sammelte der IOLAN SDG2 TX Device Server serielle Telemetriedaten von den Flugcomputern, die erfolgreich über die SHDSL-Langstreckenverbindung der TC Ethernet-Extender übertragen wurden.
Steiger kommentiert: Zusätzlich zu den Flugcomputerdaten haben wir zwei Full-HD-Videostreams mit 30 FPS (Bilder pro Sekunde) ohne zusätzliche Latenz durch den Switch oder die Extender übertragen. Tatsächlich haben wir festgestellt, dass wir nur 15 bis 17 % der SHDSL-Verbindung genutzt haben. Die Software für die Extender war gut verständlich und sehr hilfreich und der Stromverbrauch aller Geräte war besser als erwartet. Dies ist wichtig für den Betrieb über USV. Zusammenfassend können wir sagen, dass wir froh sind, dass alles ohne großen Aufwand funktioniert hat.
Update 3: Sichere Durchführung von Starts aus einer Entfernung von 500 m
Das Team von Project Nixus hat kürzlich eine Feststoffrakete gestartet und Triebwerkstests durchgeführt, um sich auf die European Rocketry Challenge später in diesem Jahr vorzubereiten.
Steiger kommentiert: Wir haben unser Long Range Interconnect – ein 500 m langes Netzwerkkabel mit 4 Datenadern, einem Not-Aus Schaltkreis und zwei Sequenz-Schaltkreisen – erfolgreich in Betrieb genommen. Ermöglicht wurde dies durch die SHDSL-Technologie der von Perle angebotenen Ethernet-Extender. Über ein einziges Kabel übertragen 4 Datenadern eine Leitung Live-Video und andere Daten, während die restlichen Adern parallel für die kritischen Sicherheitsschaltungen verwendet werden. Dazu gehören eine Not-Aus-Schaltung mit einer Taste im Kontrollraum und an der Startrampe sowie zwei Sequenztasten, die sowohl im Kontrollraum als auch an der Startrampe Abschaltung und Purging des Triebwerks ermöglichen. Wir sind endlich in der Lage, von softwarebasierten Sequenzauslösern wegzukommen und sichere Starts aus einer Entfernung von 500 m durchzuführen.
Die Langstreckenverbindung
,, so Steiger weiter, wurde bei einem Qualifikationsstart unserer EX-1B Feststoffrakete erfolgreich eingesetzt, um die Boden- und Flugelektronik zu testen. Alles funktionierte tadellos. Die Zündung des Motors über die Langstreckenverbindung war präzise, während gleichzeitig Live-Videodaten übertragen wurden.
Darüber hinaus führte das Team von Project Nixus auch einen Triebwerkstest in Originalgröße der Brennkammer durch, der fast die gesamte Brenndauer von etwa 11 Sekunden erreichte. Die Brennkammer funktionierte absolut stabil und ohne Anomalien.
Wir sind unseres Wissens nach das einzige Studententeam in Europa, das ein flugtaugliches Ethanol/LOx Bi-Liquid Triebwerk entwickelt hat
, so Steiger abschließend. Dies ist ein großer Meilenstein für uns, der Anerkennung verdient.
Letzte Aktualisierung: WARR gewinnt EuRoC 2023 Design Award
Project Nixus hat den Designpreis der European Rocketry Challenge (EuRoC) 2023 gewonnen, obwohl der Start seiner EX-4-Rakete abgebrochen werden musste. Das EX-4-System wurde als das absolut Beste in Bezug auf Design und Innovation
bezeichnet, so Antonio Steiger, Leiter des Elektronik-Teams für das Projekt.
Mehr als ein Jahr lang erforschte, entwickelte und testete das Team um Project Nixus die Chronos
-Startrampenschnittstelle, den Cor
-Kontrollraum, die elektronischen und zugehörigen Systeme und natürlich die EX-4-Rakete selbst.
Mehr als 600 Schülerinnen und Schüler aus 14 europäischen Ländern in 22 Teams nahmen an dem Wettbewerb teil, der sieben Tage lang in Portugal stattfand. Die Veranstaltung, die sich selbst als der erste Startwettbewerb für europäische Hochschulstudenten bezeichnet, wurde zum vierten Mal abgehalten.
Unwetter und starke Regenfälle beeinträchtigten die letzten Vorbereitungen und führten dazu, dass sich das Startfenster immer weiter nach hinten verschob, sodass nicht mehr genug Zeit blieb, um einen sicheren und erfolgreichen Start zu gewährleisten. Der Start war zwar enttäuschend, aber kein Rückschlag. Widrige Bedingungen lassen sich in der Raketentechnik nicht vermeiden, und EuRoC vermittelte dem Team von Project Nixus wertvolle Erfahrung bei der Startvorbereitung.
Das Team konnte auch Kontakte zu Raketenbau-Studenten aus ganz Europa knüpfen, mit denen es Konzepte und Ideen austauschen und vielleicht bei künftigen Raketenbau-Projekten zusammenarbeiten will.
Perle ist stolz darauf, ein Sponsor des Project Nixus zu sein und WARR mit einem industriellen PoE-Switch, einem Paar Ethernet-Extender mit großer Reichweite und einem seriellen Device Server mit erweitertem Temperaturbereich zu versorgen – alles Komponenten, die für die erfolgreiche Entwicklung der Startsysteme unerlässlich sind.
