HERMESS - Ein Waidler im Gespräch zur Strukturoptimierung von Raketen

UPDATE 2

Im März 2023 konnte die Launch-Campaign in Schweden endlich stattfinden.

Derzeit sind die Teammitglieder mit der Auswertung der Ergebnisse beschäftigt.

UPDATE

Nachdem die Launch-Campaign aus diversen Gründen bis auf unbestimmte Zeit verschoben werden musste, gibt es nun endlich einen neuen Termin!

Die Aktion ist für Ende März 2023 geplant. Im Zeitraum von 21.03.2023 - 02.04.2023 wird die Launch-Campaign nun voraussichtlich stattfinden.

Weitere Updates und Fotos folgen.

Schon mal was von HERMESS gehört? Vielleicht denkt ihr da zuerst an den Paketversanddienst oder an den griechischen Gott der Reisenden. Allerdings schreibt man die nur mit einem S - HERMESS steht aber eigentlich für „Hull applied ElectroResistive MEasurement of Structural Strains“ und bedeutet übersetzt so viel wie „elektroresistive Messung von Strukturbelastungen am Rumpf“. Klingt immer noch nicht ganz einleuchtend? Um dies besser verstehen zu können, haben wir uns für diesen Artikel mit Matthias Lettl aus Spiegelau getroffen, der im Rahmen seiner Ausbildung zum Luftwaffenoffizier an der Universität der Bundeswehr München den Studiengang Luft- und Raumfahrttechnik mit dem Master of Science abgeschlossen hat und bei dem Projekt für Studierende, dem Project HERMESS, mitwirkt.

Schematische Darstellung: Auftretende Lasten beim Raketenflug

HERMESS bezeichnet also einerseits das Projekt, andererseits eine Technologie für Raketen und Flugkörpersysteme zur akkuraten Bestimmung der im Flug auftretenden Strukturlasten. Diese Technologie ermöglicht eine Messtechnik, die nicht auf vereinfachende Modelle für die Geometrie der Flugstruktur angewiesen ist. Anhand im Inneren der Flugstruktur angebrachter Dehnungsmessstreifen und Temperatursensoren werden thermisch entkoppelte Dehnungsdaten erfasst. Diese Messdaten werden von einer selbst entwickelten Signalverarbeitungseinheit prozessiert. Anschließend werden die Daten lokal gespeichert und zudem ein Teil davon während des Fluges an eine Bodenstation übermittelt. Den Rückschluss von Dehnungsrohdaten auf die auftretenden Fluglasten ermöglicht eine Kalibrierung des gesamten in der zu untersuchenden Struktur verbauten Messsystems, d. h. es werden definierte Testlasten auf die Struktur aufgebracht und die Signalantwort des Messsystems erfasst, woraus sich eine Umrechnungsvorschrift zur umgekehrten Bestimmung der angreifenden Lasten aus einer erfassten Signalantwort bestimmen lässt. Diese Vorgehensweise wird als sog. Skopinski-Methode bezeichnet und liefert eine Umrechnungsvorschrift, die spezifisch für das kalibrierte System gilt und durch die Kalibrierung - im Gegensatz zu vereinfachenden Modellen - Unregelmäßigkeiten in der Struktur berücksichtigt.

HERMESS-Modul beim Vibrationstest

Je genauer die im Flug auftretenden Belastungen bekannt sind, desto geringer können die bei der Dimensionierung der Raketenstruktur wichtigen Sicherheitsfaktoren angesetzt werden. Allerdings ist die experimentelle Datenbasis hierfür gering, wofür HERMESS Abhilfe schaffen soll. Somit können künftig leichtere und damit performantere und günstigere Raketen- und Flugkörpersysteme hergestellt werden, wodurch auch der Zugang zum Weltraum vereinfacht wird. Zusammenfassend lässt sich HERMESS also als ein Projekt zur Entwicklung eines Fluglastmesssystems bezeichnen, das während des Fluges akkurate Dehnungs- und Lastdaten liefern möchte.

Schematische Darstellung: Angreifende Lasten bewirken eine Spannungsverteilung in der Raketenstruktur

Doch wer ist überhaupt für dieses Projekt verantwortlich? HERMESS besteht aus rund 15 Studierenden und Alumni der Universität der Bundeswehr München. Die Teammitglieder kommen aus den unterschiedlichsten Richtungen: durch Luft- und Raumfahrttechnik, Informatik, Sozialwissenschaften und weiteren Studiengängen wird ein interdisziplinäres Feld gebildet. Betreut werden die Projektmitglieder federführend von den Professoren Dr.-Ing. Philipp Höfer und Professor a.D. Dr.-Ing. Helmut Rapp (Leichtbau) sowie von Professor Dr.-Ing. Roger Förstner (Raumfahrttechnik), Professor Klaus Buchenrieder Ph.D. M.S. (OSU) (Technische Informatik) und Professor Dr. Gerhard Groos (Angewandte Computer- und Kommunikationstechnik). Innerhalb von HERMESS gibt es verschiedene kleine Teams zu den Themen Signalerzeugung, Signalverarbeitung, Software, Kalibrierung und Tests sowie Outreach. Projektleiter ist Alexander Genzel aus dem Studiengang Luft- und Raumfahrttechnik, der im vergangenen Jahr seinen Masterabschluss gemacht hat.

Projektleiter Alexander Genzel (4. v. l.) und Matthias Lettl vom Teilbereich Kalibrierung und Tests (1. v. l.) zusammen mit einigen Teammitgliedern des HERMESS-Projekts.

Unterstützt wird HERMESS von unterschiedlichen Institutionen und Unternehmen. Während die BWmedien GmbH die Online-Plattform erstellt und den Websiteaufbau gesponsert hat, bildet das REXUS/BEXUS-Programm eine wichtige Grundlage für das Projekt. REXUS/BEXUS entsteht durch ein bilaterales Abkommen zwischen dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der Schwedischen Nationalen Weltraumagentur (SNSA).

Durchführung von Validierungstests im Labor

Grundsätzlich eröffnet REXUS/BEXUS Studierenden die Möglichkeit, wissenschaftliche und technische Experimente auf Raketen und Ballonen durchzuführen. Eine Besonderheit dabei ist, dass hierbei spezielle Bedingungen hergestellt werden können, z.B. unter dem Einfluss von Weltraumstrahlung oder reduzierter Schwerkraft. Durch das Programm wird der vollständige Ablauf eines Raumfahrtprojekts dargestellt – die Studierenden beginnen mit ihrer eigenen Idee und Planung, sie entwerfen ihre eigene Experimentierausrüstung, führen die Versuche während des Flugs durch und werten ihre Daten aus, um sie anschließend zu veröffentlichen. Wie bei jedem guten Projekt ist ein klar definierter Zeitplan das A und O: Grundsätzlich dauern die Projekte bei REXUS 18 Monate, bei BEXUS ca. 12 Monate. Fortschritte werden durch regelmäßige Projekt-Reviews überprüft.

Preliminary Design Review (PDR) im Esrange Space Center im Februar 2020

Good to know: Die REXUS-Raketen sind übrigens fast sechs Meter lang und besitzen einen Durchmesser von rund 36 Zentimetern. Sie werden vom Esrange Space Center der SSC (Swedish Space Cooperation) in Nordschweden gestartet und erreichen nach Durchflug der Tropo-, Meso- und Stratosphäre die Thermosphäre in einer Höhe von bis zu 90 Kilometern.

Einige Teammitglieder des Teilbereichs Kalibrierung und Tests

Ebenfalls gefördert wird HERMESS durch EuroLaunch, einer Kooperation zwischen dem Esrange Space Center des SSC und der Mobilen Raketenbasis (MORABA) des DLR, die das Kampagnenmanagement und den Betrieb der Trägerraketen übernimmt. Ständige technische Unterstützung erhalten die Studierenden durch Experten von DLR, SSC, ZARM (Zentrum für  angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation) und ESA (European Space Agency).

Schematische Darstellung: Position des HERMESS-Moduls innerhalb der REXUS-Rakete

Wie geht es jetzt also weiter mit HERMESS? Der nächste Schritt ist die Launch-Campaign, die im Esrange Space Center stattfinden und etwa elf Tage dauern wird. Dabei werden die einzelnen Experiment-Module der unterschiedlichen Teams in die Rakete integriert, d.h. die Rakete wird zusammengebaut. In diesem Zuge werden diverse Tests durchgeführt, um die Funktionalität aller Experimente zu überprüfen. Der Höhepunkt ist natürlich der Raketenflug zum Ende der Launch-Campaign. Anschließend werden nach dem Flug die Experimente geborgen, sodass die Messdaten von den Teams ausgelesen werden können. Nach intensiver Auswertung der gewonnenen Daten erfolgt die Bekanntgabe der Resultate in der Student Experiment Documentation ca. drei Monate später. Angestrebt wird außerdem eine wissenschaftliche Veröffentlichung der gewonnen Erkenntnisse. Leider kann aufgrund der aktuellen Lage noch kein Termin für die Launch-Campaign festgesetzt werden.

Für die Zukunft allerdings ist das Ziel von HERMESS ein häufigerer Einsatz der Technologie, um – wie oben bereits erwähnt – die sehr geringe Datenbasis hinsichtlich experimenteller Fluglasten von (Höhenforschungs-)Raketen zu erweitern und basierend darauf deren Konstruktion zu optimieren.

Matthias Lettl, M. Sc.
Teilbereich Kalibrierung und Tests

Vielen Dank für das Gespräch!

Weitere Informationen zu HERMESS, insbesondere technische Details, findet ihr auf der Internetseite des Projekts.