Was ist STERN?

Das STERN (STudentische ExperimentalRaketeN) Programm des DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) ist ein Raumfahrtprojekt, an dem Studentengruppen deutscher Universitäten teilnehmen können. Anforderung ist dabei, dass jede Gruppe innerhalb von 3 Jahren eine Rakete entwickelt, welche mindestens 3 km Flughöhe und Schallgeschwindigkeit erreicht. Der Start der Raketen erfolgt auf dem Startgelände Esrange bei Kiruna (Schweden). Das STERN Programm finanziert die Vorhaben der Studenten mit Mitteln des BMWi (Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie). Es ist den Teams dabei selbst überlassen, wie sie die Anforderungen erfüllen. So wurde im ersten STERN Programm neben zahlreichen Hybrid- auch Flüssig- und Feststoffraketen entwickelt und erfolgreich gestartet. Das Ziel des STERN Programms liegt in der Ausbildung von Studenten an realen Raumfahrtprojekten. Daher wird jedes Team bei Entwicklung ihrer Rakete von Experten aus der Industrie und vom DLR kontrolliert und durchläuft das raumfahrttypische Review-Verfahren, welches ein PDR (Preliminary Design Review), CDR (Critical Design Review), IPR (Integration Progress Review), RAR (Rocket Acceptance Review), und PFAR (Post Flight Review), enthält.


Teilnahme an STERN II

Seit August 2017 nimmt die ERIG erneut am STERN Programm des DLR Raumfahrtmanagements teil. Ursprünglich ging es in Leonis II (FKZ: 50 RL 1752) erneut um die Entwicklung einer Hybridrakete. Dabei wurde die Nachfolgerin der in STERN gestarteten Faust Rakete, die Faust II entwickelt. Diese wurde ebenfalls mit einem Hybridantrieb ausgelegt, der flüssiges Stickstoffmonoxid (Lachgas, N2O) in Kombination mit HTPB (Hydroxyl-terminiertes Polybutadien) als Treibstoffe verwendet. Zur Treibstoffförderung wurde ein Druckgassystem mit Helium vorgesehen. Der Antrieb wurde auf einen Schub von etwa 2,4 kN und einen Totalimpuls von 35 kNs ausgelegt und sollte die Faust II damit auf eine Apogäumshöhe von etwa 10 km bringen.

Innerhalb der Projektlaufzeit musste das hybride Antriebsystem allerdings durch einen kommerziellen Feststoffmotor der Marke Cesaroni ersetzt werden. Dies wurde begleitet durch eine Namensänderung: Die STERN II Rakete heißt nun „Schwerdtlein“ (ein weiterer Charakter aus Goethes Faust)! Das übrige bereits entwickelte System konnte aber weitestgehend übernommen werden, wie beispielsweise das Bergungssystem. Dieses besteht aus einem zweistufigen Fallschirmsystem, das bei Erreichen der Apogäumshöhe durch die Elektronik aktiviert wird. Die Elektronik wurde etwas vereinfacht und basiert auf der Entwicklung einer weiteren von de ERIG entwickelten Rakete. Diese sorgt außerdem dafür, dass alle Komponenten mit Strom versorgt werden und die Flugdaten der Rakete aufgenommen und an die Bodenstation gesendet werden. Dazu werden zwei kommerzielle Altimeter verwendet, ein Altimax von Rocketronics, sowie zwei TeleMega von Altusmetrum. Mit diesem Design wurde das IPR im Dezember 2019 erfolgreich bestanden.

Rakete Schwerdtlein

Die Schwerdtlein Rakete

 

Name Schwerdtlein    
Durchmesser 0,143 m Motor Cesaroni Pro98 9870M1800-P
Länge 2,1 m Mittlerer Schub 1800 N
Masse (Lift-off) 19,4 kg Brennzeit 5,5 s
Masse (Cut-off) 14,4 kg Apogäumshöhe 4,8 km

Zur Verifikation des Bergungssystems und der Elektronik, wurde die Testrakete MIMAS entwickelt. Diese ist nahezu identisch zur Schwerdtlein, nutzt jedoch einen kleineren Feststoffmotor, um diese auch in Deutschland unter geltenden Regelungen bezüglich der maximalen Flughöhe starten zu können. Die MIMAS konnte zwei Mal erfolgreich gestartet werden und wir konnten somit die Funktionalität des Bergungssystems der Elektronik und der Datenübertragung nachweisen.

 

Mimas Landung

Start und Bergung der MIMAS Testrakete im Herbst 2019

Nach einer mehrmonatigen Verzögerung durch die SARS-CoV-2 Pandemie begann im Oktober 2020 die Startkampagne in ESRANGE, unter der strenger Einhaltung eines Hygienekonzepts. Die Startkampagne begann mit dem Zusammenbau der Subsysteme und der einzelnen Segmente. Nach dem Integration der Elektronik in ihr Segment wurden mit diesem Funktest durchgeführt, um die Funkverbindung mit der Bodenstation zu verifizieren. Parallel wurde das Bergungssystem integriert und der Feststoffmotor in sein Segment eingebaut. Zudem musste unsere Startrampe an die Startrampe von ESRANGE adaptiert werden.

Anschließend konnte die Gesamtintegration durchgeführt werden, bei der alle Segmente mit einander verbunden werden. Danach konnte Schwerdtlein dann auf die Startrampe gesetzt werden und die letzten Vorbereitungen für den Start begannen.
Am Tag vor dem geplanten Start wurde ein sogenannter „Cold-Countdown“ durchgeführt, welcher alle Schritte des eigentlichen Countdowns enthält bis auf der Zündung des Raketenantriebs. Nachdem sich das ESRANGE-Personal und die anwesenden DLR-Mitarbeiter zufrieden mit dem Ablauf gezeigt haben, war nun die letzte Hürde für einen Start genommen.

Am Morgen des Starttages wurde klar, dass das Wetter erst gegen Nachmittag einen Start zulassen würde. Nachdem der Wind etwas nachgelassen hatte konnte mit dem finalen Countdown begonnen werden. Mit einem „GO“ von allen Subsystemen, startete am 24.10.2020 Schwerdtlein in den Himmel über Kiruna.

Schwerdtlein erreichte eine maximale Fluggeschwindigkeit von 1,3 Mach und ein Apogäum von 4600 m. Leider löste das Bergungssystem nicht wie erwartet aus, sodass Schwerdtlein nach einer parabelförmigen Flugkurve und ohne Fallschirm in unbewohntem Gebiet niederging. Die Suche nach dem Wrack am nächsten Tag mit einem Helikopter blieb erfolglos, da es in der Nacht geschneit hat und so das Wrack von einer Schicht Schnee bedeckt wurde.
Anhand der identischen Spare-Rakete konnten wir jedoch den Fehler identifizieren, der in der Schnittstelle zwischen Elektronik und Bergungssystem lag. Die Elektronik hatte zwar das Apogäum erkannt, konnte aber nicht die Pyrotechnik im Bergungssystem zünden.
Einige Monate nach der Kampagne fuhren einige ERIG-Mitglieder auf eigener Faust, aber in Absprache mit ESRANGE nach Kiruna um nach dem Wrack zu suchen. Sie wurden auch fündig und konnten das Wrack bergen und zurück nach Braunschweig bringen.

Abschließend möchten wir dem DLR und ESRANGE danken, für die Chance an dem STERN-Projekt teilzunehmen und den vielen lehrreichen Erfahrungen die wir während des Projektes gesammelt haben.

 


Teilnahme an STERN

Die ERIG hat am ersten STERN Programm mit dem Leonis Projekt teilgenommen, in dem die Faust Rakete mit dem Hybridraketentriebwerk HYDRA 3X entwickelt wurde. Die Faust wurde im Oktober 2015 erfolgreich auf Esrange gestartet (s. Abbildung). Damit ist sie die erste Rakete, welche aus dem STERN Programm gestartet wurde und die erste Hybridrakete auf Esrange. Sie erreichte mit einem Schub von 1,25 kN und einer Brennzeit von 10 s eine Flughöhe von 5.400 m und überschritt die Schallgeschwindigkeit. Dabei wurde der ERIG-eigene Launcher verwendet.

Die Faust besteht im Wesentlichen aus dem hybriden Antriebssystem, das aus der Brennkammer HYDRA 3X, einem Tank für den Oxidator, einem Hochdrucktank für das Druckgas und den dazugehörigen Ventilen und Leitungen besteht. Als Oxidator wurde Stickstoffmonoxid (Lachgas, N2O) in Kombination mit HTPB (Hydroxyl-terminiertes Polybutadien) als Brennstoff verwendet. Der Oxidatortank wurde selbst entwickelt und besteht aus einem Polyurethanliner mit Kohlefaserwicklung. Der Hochdrucktank hingegen ist ein Kaufteil. Zwischen den beiden Tanks wurde ein Druckminderer eingesetzt, um den Druck aus dem Hochdrucktank auf den Betriebsdruck des Oxidators (50 bar) zu reduzieren und damit eine möglichst gelichmäßige Oxidatorförderung zu ermöglichen. Oberhalb des Antriebsstrangs ist die Flugelektronik platziert, die für die Auslösung des Bergungssystems und die Datenübertragung während des Flugs zuständig ist. Das Bergungssystem ist ebenfalls ein zweistufiges Fallschirmsystem. Der Vorfallschirm wird dabei bei Erreichen der Apogäumshöhe durch Absprengen der Spitze ausgelöst. Die Aktivierung des Hauptfallschirms geschieht danach bei einer zuvor definierten Höhe.

 

 

Rakete Faust

Die Faust Rakete

 

Name Faust Triebwerk HYDRA 3X
Durchmesser 0,125 m Schube 1250 N
Länge 3,2 m Brennzeit 10 s
Masse (Lift-Off) 24,11 kg Apogäumshöhe 5,4 km

 

 

 

Start der Faust Rakete.