Die DGLR-Nachwuchsgruppe WüSpace stellt sich vor
Wie können Flugkörper aus dem All auch unter schwierigen Bedingungen wieder sicher auf die Erde gebracht werden? Diese und andere Fragen stellen sich die Mitglieder von WüSpace e.V. in aktuell drei Projekten. Der 2019 gegründete Verein ist an der Universität Würzburg angesiedelt und Nachwuchsgruppe der Deutschen Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt (DGLR).
Bild: WüSpace e. V. (arrangiert durch Frederik Dunschen)
Bei einem Helikopter verhindert die Autorotation, dass er im Falle eines Triebwerkausfalls ungebremst zu Boden fällt. Dabei wird die kinetische Energie nicht durch eine simple Vergrößerung des Widerstands vernichtet, sondern – deutlich komplizierter – mit einem Rotor und viel Regelungstechnik. Diese Technologie kann auch für sichere Landungen aus großen Höhen oder dem Weltraum dienen, wenn Fallschirme nicht einsetzbar oder robust genug sind.
Daedalus 2: sicher landen mit Autorotation
Für Wiedereintrittskapseln bietet die Technologie der Autorotation verschiedene Vorteile, darunter eine kontrollierbare Sinkrate, eine höhere Robustheit gegen Weltraumeinflüsse verglichen mit Fallschirmen, die Positionssteuerbarkeit im Endanflug, eine um ein Vielfaches reduzierte Windanfälligkeit sowie mögliche Auslegungen für Atmosphären auf anderen Planeten. Die Nutzung dieser Vorteile ist die Grundidee des Projekts Daedalus, in dem Alternativen für konventionelle Fallschirme in der orbitalen und suborbitalen Wiedereintrittstechnik erprobt werden. Dabei sollen sogenannte SpaceSeeds aus großen Höhen oder dem Weltraum auf eine sichere Landegeschwindigkeit abgebremst werden. Die SpaceSeeds haben die Größe einer Ein-Liter-Flasche und verfügen über einen vierblättrigen Hauptrotor mit rund 1,2 Meter Durchmesser. Kollektiv verstellbar über eine aus der Helikoptertechnik bekannte Taumelscheibe können Anstellwinkel und somit die Sinkrate während des Flugs kontrolliert werden. Mithilfe von vier ansteuerbaren Finnen kann sich der SpaceSeed so auch bei schlechtem Wetter und rauen Bedingungen stabilisieren.
Mit dem Projekt nehmen Mitglieder der heutigen Gruppe WüSpace am deutschschwedischen REXUS/BEXUS-Programm (Rocket and Balloon Experiments for University Students) teil. Um dieses und weitere Studierendenprojekte in der Luft- und Raumfahrt durchzuführen, gründete das Team den Verein WüSpace mit mittlerweile über 40 Mitgliedern. Unterstützt wird der Verein vom Lehrstuhl für Informatik VIII (Informationstechnik für Luft- und Raumfahrt) der Universität Würzburg, wo die Gruppe Zugang zu Räumen und technischen Geräten erhält.
In der aktuellen Entwicklungsstufe des Daedalus-Projekts, Daedalus 2, ermöglichen die Studierenden mithilfe einer Bodenerkennungssensorik nun auch eine aktive Landeregelung, die einen sicheren Transport garantiert. Bei Daedalus 2 arbeiten die Studierenden verteilt auf fünf Teams an Mechanik, Elektronik, Flug-Software, Simulation/Regelung und Bodenstationssoftware des Experiments.
Basierend auf dem lehrstuhleigenen Echtzeitbetriebssystem für eingebettete Systeme Rodos (Realtime Onboard Dependable Operating System) entwickelt die Gruppe einen kompletten Flight Stack von Regelung über Kommunikation zur Steuerung von Sensorik und Aktuatorik. Neben der Drehzahlmessung des Hauptrotors stehen einem SpaceSeed auch diverse Messgrößen wie Luftdruck, Sinkrate, Position, Bodenabstand, Beschleunigungsund Drehraten, Temperaturen sowie Housekeeping-Daten wie Spannungen und Ströme zur Verfügung. Das ElektronikTeam des Daedalus-Projekts implementierte neben der Anbindung dieser Sensoren auch Kommunikationsschnittstellen wie LoRa-Direktfunk (Long Range) und Iridium-Satellitenkommunikation in das System. Diese Daten kommen schließlich in der eigenen Daedalus-Bodenstation an.
Zurzeit beschäftigt sich das Daedalus2-Team mit der Validierung des Gesamtsystems im Windkanal der Universität Würzburg. Dabei konnten die Studierenden bereits ihre Simulationen validieren, erste Erprobungen von Regelstrategien durchführen und die Funktionalität des Gesamtsystems demonstrieren. Als nächstes stehen Fallversuche aus geringen Höhen an, um Landestrategien zu erproben. Das Finale der Arbeit wird im März 2022 auf einer Höhenforschungsrakete des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) stattfinden. Im Rahmen der Teilnahme am REXUS/BEXUS-Programm möchte WüSpace damit zeigen, dass ihre Technik auch für suborbitale Systeme eine valide und zukunftsweisende Weiterentwicklung des Fallschirms ist.
Telestion: ein Open-Source-Ökosystem
Im Projekt Telestion arbeitet die Gruppe an der Vision einer modularen, wiederverwendbaren Bodenstationssoftware, die sich idealerweise an jedes Projekt anpassen lässt. Das Projekt ist aus der DaedalusBodenstation entstanden und soll als Open-Source-Ökosystem gleichzeitig einfach zu integrieren und doch individuell anpassbar sein.
Eine grundlegende Idee von Telestion ist „Telestion Central“, ein zentraler Server, der Daten aller Teile eines Projekts speichern und verarbeiten kann. Dies ist nicht nur beim Missionsstart selbst, sondern auch bei etwaiger Telemetrie von vorherigen Experimenten der Fall, die dann später verglichen oder für Vorhersagen verwendet werden können. Ein Backend sammelt und verarbeitet Telemetrie, und eine auf Web-Technologien basierende Anwendung stellt die Daten in beliebigen Visualisierungsformen dar. Telestion vereint somit Disziplinen wie Software-Entwicklung, Design, Usability Engineering und Hardware und ermöglicht es den WüSpace-Mitgliedern, diese sowohl zu erlernen als auch in einem realen Umfeld anzuwenden. Nützliche Komponenten werden Teil einer wiederverwendbaren Bibliothek, um in zukünftigen Projekten einfach nutzbar zu sein. So entsteht nach und nach ein Ökosystem, das immer mehr Fälle abdeckt.
Im Rahmen eines universitären Praktikums konnte die Gruppe das System bereits erfolgreich testen. Derzeit arbeiten die Teams an der Integration von Telestion in Daedalus 2 sowie in ein weiteres WüSpace-Projekt: T-REX 2 (Tracking Rocket Experiments).
T-REX 2: Tracking von Raketenstarts
Im Projekt T-REX 2 entwickelt die Gruppe optische Trackingsysteme, um zivile Raketenstarts automatisch mit Kameras zu verfolgen. Diese Aufnahmen dienen zum einen der Fehler- und Fluganalyse, aber auch der Unterhaltung. Denn viele Raketenstarts werden zwar heutzutage live übertragen und wecken Neugier und Leidenschaft für die Raumfahrt bei den Zuschauern, doch bis heute werden die Kameras dabei hauptsächlich von Hand nachgeführt. Mit T-REX 2 soll sich das nun ändern.
T-REX 2 baut auf dem Grundprojekt T-REX auf – mit einem größeren Team und größeren Ambitionen. Dafür hat sich WüSpace mit dem SpaceTeam der Technischen Universität Wien, das ebenfalls Raketentracker-Prototypen entwickelt, zusammengetan. Hier profitieren beide Seiten vom gegenseitigen Erfahrungsaustausch. Ziel ist die Entwicklung eines zuverlässigen Systems mit deutlich verbesserter Optik.
Die bei WüSpace entwickelte Software basiert auf dem Framework ROS (Robot Operating System), das eine sehr hohe Modularität bietet. So können zum Beispiel Kamera- und Motorschnittstellen durch einen Befehl mit einem eigenen Simulator ausgewechselt werden, um die Software mit virtuellen Raketenstarts zu testen. Die Fähigkeit von T-REX 2 wurde bereits mehrfach demonstriert, indem verschiedene Objekte wie Feuerwerks- und Modellraketen und sogar die Internationale Raumstation ISS getrackt wurden. Regelmäßig besucht die Gruppe Raketentreffen, um das System weiter an Modellraketen zu testen. Hierbei experimentiert das Team mit verschiedenen Möglichkeiten, die Raketen in den Bildern zu erkennen. Durch die Corona-Pandemie fanden zuletzt leider nur wenige dieser Treffen statt. Bei der EUROC 2021 (European Rocketry Challenge) in Portugal soll das System aber wieder zum Einsatz kommen.
Neben den spannenden Projekten kommen bei WüSpace auch die sozialen Komponenten nicht zu kurz. Regelmäßige Spiele- und Grillabende schaffen Zusammenhalt, der die Gruppe in der Umsetzung ihrer Vorhaben antreibt.
Wer WüSpace unterstützen möchte, findet weitere Informationen unter wuespace.de oder erreicht die Mitglieder mit einer E-Mail an kontakt@wuespace.de.
Clemens Riegler (Vorsitzender)
Pablo Klaschka (Stellv. Vorsitzender)
Bence Barthó (Pressesprecher)
Tobias Herbst (Schriftführer) Frederik Dunschen (Projektleiter Daedalus 2)
Lennart Werner (Systemingenieur Daedalus 2)
Maximilian Reigl (Teamleiter Mechanik Daedalus 2)