Quelle: DLR 20. November 2023.

20. November 2023 – Höhenforschungsraketen benötigen leistungsfähige Raketenmotoren, um das Weltall zu erreichen und anschließend vor dem Wiedereintritt in die Erdatmosphäre für mehrere Minuten in Schwerelosigkeit zurück zur Erde zu fallen. In einem gemeinsamen Entwicklungsprojekt des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) mit Bayern-Chemie ist es nun gelungen einen neuen Raketenmotor der Eintonnen-Klasse zu entwickeln und zu qualifizieren. Am 13. November 2023 startete die Mobile Raketenbasis (MORABA) des DLR die erste Forschungsrakete, angetrieben von einer einstufigen „RED KITE“ (übersetzt „Roter Milan“) vom Startplatz Andøya Space im Norden Norwegens. Mit einer Gesamtlänge von 6,6 Metern und einer Startmasse von 1,5 Tonnen erreichte das Vehikel den Scheitelpunkt der Flugbahn in 71 Kilometern Höhe. Im Aufstieg erreichte die Rakete eine maximale Fluggeschwindigkeit von 5.150 Kilometer pro Stunde, was einer Machzahl von knapp 5 entspricht. Anschließend fiel die Forschungsrakete rund 60 Kilometer entfernt zum Startpunkt in den Atlantischen Ozean. Umfangreiche Messdaten wurden während des Fluges an die Bodenstation übertragen.

„Wir freuen uns über die erfolgreiche Zusammenarbeit mit der Bayern-Chemie. Mit RED KITE steht der internationalen Forschungsgemeinschaft nun ein neuer, leistungsstarker Raketenmotor für Höhenforschungsmissionen zur Verfügung“, sagt Dr. Anke Pagels-Kerp, DLR-Bereichsvorständin Raumfahrt, anlässlich des gelungenen Erstflugs. „Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus unterschiedlichen Disziplinen wie der Forschung unter Schwerelosigkeit, Atmosphärenphysik, Über- und Hyperschalltechnologien oder neuen Raumfahrttechnologien haben jetzt verbesserte Möglichkeiten, Höhenforschungsraketen als kostengünstige und flexible Forschungs- und Erprobungsplattform zu nutzen.“

Der Geschäftsführer der Bayern-Chemie, Dr. Wolfgang Rieck, freute sich sehr über den erfolgreichen Test: „Respekt und Gratulation an das Projektteam für diese Topleistung. Wir sind alle stolz auf den gemeinsamen Erfolg und freuen uns darauf, die erfolgreiche Zusammenarbeit mit dem DLR in der Serienfertigung fortzusetzen.“

Die hohe Leistungsfähigkeit der RED KITE ermöglicht konkret erweiterte Nutzlastkapazitäten im Vergleich zu den bisher in Europa durchgeführten Schwerelosigkeitsforschungsprogrammen. Die in Deutschland erstmalig verantwortete Gesamtsystemauslegung in der Größenordnung von einer Tonne Festtreibstoff ist ein wesentlicher Schritt verbunden mit einer erheblichen Fähigkeitssteigerung in der Raketentechnologie. Der Motor wurde für den Einsatz vornehmlich als Boosterstufe von mehrstufigen Forschungsraketen konzipiert. Die gut 900 Kilogramm Komposittreibstoff brennen innerhalb von zwölf Sekunden ab und liefern den notwendigen hohen Startschub für Forschungsraketen.

Erstflug und erstes Experiment an Bord
Während der Mission SOAR (Single Stage Operational Assessment of Red Kite) wurde nicht nur der neue Raketenmotor erfolgreich im Flug erprobt, sondern der Testflug hatte bereits eine wissenschaftliche Nutzlast des DLR-Instituts für Aerodynamik und Strömungstechnik sowie des DLR-Instituts für Bauweisen und Strukturtechnologie an Bord. Bei dem Experiment APEX-TD (Air Breathing Propulsion Experiment – Technology Demonstrator) wurde die Durchströmung eines sogenannten Überschall-Verbrennungsantriebes untersucht, sowie passende Thermalschutzkonzepte erprobt. Die gesammelten Daten werden nun im Detail ausgewertet.

Das DLR beauftragte die Firma Bayern-Chemie Ende 2019 mit der Entwicklung und Fertigung eines Feststoff-Motors der Eintonnen-Klasse. Die Abteilung MORABA der DLR-Einrichtung Raumflugbetrieb und Astronautentraining verantwortete neben der Integration des RED KITE Motors in ein flugfähiges Vehikel ebenso den On-board Computer der Rakete, die Bahnverfolgung mittels DLR-eigenem Radar, sowie die Missionsplanung, wozu auch umfangreiche Flugdynamik-Berechnungen gehören. Zusammen mit dem Startplatzbetreiber Andøya Space, der unter anderem für die Flugsicherheit verantwortlich war, gelang die erfolgreiche Qualifikation des Feststoffmotors. Dieser wird im nächsten Schritt bereits im Februar 2024 als zweistufige Höhenforschungsrakete für das MAPHEUS-Programm des DLR zur Forschung in Schwerelosigkeit in den Regelbetrieb gehen. In einer zweistufigen Konfiguration ergibt sich mit RED KITE die Möglichkeit mehr als 400 Kilogramm Nutzlast verschiedener Experimente auf mindestens 250 Kilometer Höhe zu bringen. MAPHEUS-14 wird dann unter anderem mit einem 3D-Druck-Experiment in Schwerelosigkeit an die erfolgreiche Flugreihe von DLR-Höhenforschungsraketen anknüpfen.

Startvideo von MBDA Deutschland:
https://www.mbda-deutschland.de/wp-content/uploads/2023/11/Andoya_MBDA_2160p_200MB.mp4

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Quelle: DLR 28. Juni 2022.

28. Juni 2022 – Wiederverwendbare Trägersysteme sind bei der Rückkehr zur Erdoberfläche hohen Belastungen und Temperaturen ausgesetzt. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) testete nun erfolgreich Bauteilstrukturen, Messmethoden und Auswertealgorithmen für die Wiedereintrittsphase mit dem Flugexperiment STORT (Schlüsseltechnologien für hochenergetische Rückkehrflüge von Trägerstufen). Am frühen Morgen des 26. Juni 2022 startete das dreistufige Raketenexperiment vom Startplatz Andøya Space im Norden Norwegens. Die Oberstufe erreichte auf dem Scheitelpunkt der Flugbahn in 38 Kilometern Höhe eine Fluggeschwindigkeit von rund 9.000 Kilometern pro Stunde, was einer Machzahl von über Acht entspricht. Anschließend fiel sie mehr als 350 Kilometer entfernt vom Startpunkt in den Atlantischen Ozean. Die umfangreichen Messdaten wurden während des Fluges an die Bodenstation übertragen.

„Um höhere Fluggeschwindigkeiten zu erreichen, haben wir erstmals eine DLR-Höhenforschungsrakete mit drei statt zwei Raketenstufen eingesetzt“, erklärt Dorian Hargarten vom DLR-Institut für Raumflugbetrieb und Astronautentraining. „Zusätzlich flog die dritte Stufe mit den verschiedenen wissenschaftlichen Nutzlasten eine besonders flache Flugbahn in 38 Kilometern Höhe bei Machzahlen bis acht. Hierbei wurden – analog zur Hitzeentwicklung beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre – verschiede Hochtemperaturexperimente bei den zu untersuchenden hohen Wärmelasten durchgeführt“, so Hargarten weiter.

Keramische Segmente und Vorflügel im Test
Entscheidend bei der Hitzeentwicklung in der Wiedereintrittsphase sind Materialien, die den hohen Thermallasten ausreichend widerstehen und diese abführen. Ebenso sind robuste Wärmesensoren essentiell, die die Temperaturentwicklung genau im Blick behalten. „Bei STORT besteht der Vorkörper der dritten Raketenstufe aus fünf keramischen Segmenten“, erklärt der Leiter des STORT-Projekts Prof. Ali Gülhan vom DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik. „Entlang der vier longitudinalen Linien haben wir den Vorkörper alle 90 Grad mit zahlreichen Wärmeflusssensoren, Thermoelementen und Drucksensoren ausgestattet und sind nun sehr gespannt auf die Datenauswertung.“

Für die Durchführung der Thermalmanagement-Experimente nutzten die Forscherinnen und Forscher an der Rakete drei feste Vorflügel (Canards) mit keramischen Außenschalen, die vom DLR-Institut für Bauweisen und Strukturtechnologie entwickelt wurden. Während ein Canard aktiv gekühlt wurde, war der zweite Canard passiv gekühlt. Der dritte Referenz-Canard (ohne Kühlung) wurde zusätzlich für die Untersuchung der Stoß-Grenzschicht-Wechselwirkung genutzt. Alle drei Canards zeigten im Flug unterschiedliche Strukturantworten bei gleicher Belastung durch die Hitze.

Ein modulares und verteiltes Datenerfassungssystem erlaubte die effiziente Aufzeichnung von Daten aus den unterschiedlichen Experimenten. Bereits im Vorgängerprojekt ATEK wurde zur Gewichtsreduktion der zylindrischen Nutzlastsegmente ein Standardmodul aus Aluminiumlegierungen durch ein Hybridmodul ersetzt, welches aus einer CFK-Struktur mit metallischen Flanschen besteht. Im STORT-Projekt testeten die Forschenden nun ein noch einmal deutlich leichteres und komplett aus CFK bestehenden Modul.

Neben dem DLR ist die TU München durch die Fertigung des CFK-Moduls am Flugexperiment STORT beteiligt. Ein weiterer internationaler Partner ist die Universität Arizona, die Simulationen für das Experiment ‚Stoß-Grenzschicht-Wechselwirkung‘ auf dem Canard durchgeführt hat. Die Planung und Durchführung der Mission lag in der Verantwortung der Abteilung Mobile Raketenbasis (MORABA) des DLR-Instituts für Raumflugbetrieb und Astronautentraining. Der Vorkörper wurde vom DLR-Institut für Bauweisen und Strukturtechnologie ausgelegt und gefertigt. Aerothermale Auslegung, aktives Thermalmanagement, Instrumentierung der Nutzlasten und deren modulare Datenerfassung hat das DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik eingebracht, welches gleichzeitig die Projektleitung innehat.

Über das Projekt STORT
Das jetzt erfolgreich durchgeführte Flugexperiment ist ein Element des STORT-Forschungsprojektes. Das Projekt ist Bestandteil des DLR Teilprogrammschwerpunktes ‚Wiederverwendbare Raumtransportsysteme‘. Es hat zum Ziel, ausgewählte Technologien und Methoden im Hinblick auf thermomechanische Analyse und Bewertung von Trägersystemen zu entwickeln. Dafür werden die Bauteilstrukturen, Messmethoden und Auswertealgorithmen, die in Grundlagenuntersuchungen entwickelt wurden, für ein Flugexperiment angepasst und schließlich mit dem Flug qualifiziert. Die Flugdaten liefern ergänzend zu den Bodenexperimenten Validierungsdaten für physikalische Modellierungen, numerische Simulationen sowie die Systemanalyse und ermöglichen dadurch eine zuverlässige Auslegung und Bewertung von zukünftigen Trägersystemen. Die weiteren im Projekt beteiligten Einrichtungen sind das DLR-Institut für Raumfahrtsysteme, das DLR-Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik sowie das DLR-Institut für Softwaretechnologie.

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