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TRACE
Transpiration Cooling Experiment

Hitzeschilde der Zukunft!

Die Raumfahrtindustrie bewegt sich in Richtung der Nachhaltigkeit. Private Raumfahrtunternehmen wie SpaceX geben den Takt für wiederverwendbare Trägerraketen vor, während die Initiative "ESA - Clean Space" auf Konzepte wie "In-Orbit-Servicing" und "aktive Trümmerbeseitigung" setzt. Um die Kosten zu senken und solche Projekte zu ermöglichen, sind wiederverwendbare Raumfahrzeuge unabdingbar. Beim atmosphärischen Wiedereintritt von Raumfahrzeugen ist ein Hitzeschild von entscheidender Bedeutung. Die derzeit eingesetzten Hitzeschilde sind entweder nur einmal verwendbar und müssen vollständig ausgetauscht werden oder erfordern komplexe und kostspielige Wartungszyklen. Die Transpirationskühlung bietet eine Alternative zu diesen etablierten Technologien und ermöglicht damit den nächsten Schritt in Richtung Wiederverwendbarkeit und Nachhaltigkeit von Raumfahrzeugen. Bei Hitzeschilden mit Transpirationskühlung ist kein Austausch der Hardware erforderlich und die Wartung kann auf ein Minimum beschränkt werden. Die Kosten für das Hitzeschutzsystem können so reduziert werden.

 

Der Transpirationskühleffekt wird dadurch erreicht, dass ein Kühlgas durch eine poröse Oberfläche in die strukturumgebende Grenzschicht geblasen wird, um die darauf einwirkenden thermischen Lasten zu verringern. Die Wiederverwendung des Systems kann durch einfaches Nachfüllen des Kühlflüssigkeitstanks erreicht werden.

 

Mit TRACE soll nun erstmals die Transpirationskühlung an einem Wiedereintrittsfahrzeug in einem Flugexperiment getestet und validiert werden.

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Transpirationskühlung

•Ausblasen von Kühlgas aus poröser Oberfläche

•Effektive Kühlung der Grenzschicht

•Bisher nur in Windkanaltests und Simulationen getestet

•Günstig und geeignet für schnelle Wiederverwendung

•Bis jetzt nicht für Hitzeschilde eingesetzt

•Validierung im Flugtest entscheidender Schritt zum Einsatz in zukünftigen Anwendungen

Team

Seit August 2020 ist das TRACE-Team stetig gewachsen und besteht nun aus 20 Mitgliedern. Das Team ist in drei Arbeitsgruppen unterteilt: die Arbeitsgruppe Mechanik, die Arbeitsgruppe Simulation und die Arbeitsgruppe Elektronik. Das Team wird auch in Zukunft weiter wachsen, um alle Projektaufgaben abdecken zu können. Dies geschieht auch in Zusammenarbeit mit Instituten der RWTH Aachen und des DLR. Zwei Bachelorarbeiten und eine Projektarbeit wurden bereits erfolgreich in das Projekt integriert und weitere studentische Arbeiten werden bereits in Kooperation mit SWL, DLR, SLA, ILT und ITA durchgeführt.

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Überblick über die Projektphasen

TRACE zielt darauf ab, ein Transpirationskühlsystem für ein Wiedereintrittsfahrzeug zu entwickeln und dessen Leistung zu untersuchen. Das Freiflugexperiment dient der Validierung des Transpirationskühlungskonzepts für Hitzeschutzsysteme unter realen Flugbedingungen.

Das TRACE-Freiflugexperiment wird im Bug einer REXUS-Rakete mitgeführt und in einer Höhe zwischen 70 und 90 km abgeworfen, woraufhin die TRACE-Kapsel selbstständig und in ballistischer Laufbahn zur Erde zurückfliegt. Die Form des Experiments ermöglicht eine passive aerodynamische Stabilisierung beim Eintritt in die untere Atmosphäre, wenn TRACE Geschwindigkeiten von bis zu Mach 3,5 erreicht. In einer Höhe zwischen 30 und 10 km führt die hohe Geschwindigkeit zu einer starken Erwärmung der äußeren Struktur. Ein Teil der Oberfläche ist mit neuen Transpirationskühlelementen ausgestattet, die einen Vergleich der Oberflächentemperatur und des Wärmeübergangs mit Referenzoberflächen ermöglichen, was zu Messungen der Wirksamkeit des Kühleffekts führt. In einer Höhe von etwa 10 km wird eine Fallschirmsequenz zur Bergung aktiviert.

Die gewonnenen Daten werden als Orientierungshilfe für künftige Konstruktionen und zur Validierung von Annahmen, Simulationswerkzeugen und Flugvorhersagen verwendet.

Mission

REXUS

Das REXUS/BEXUS-Programm wird im Rahmen einer bilateralen Agenturvereinbarung zwischen dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der Schwedischen Nationalen Raumfahrtagentur (SNSA) durchgeführt. Der schwedische Anteil der Nutzlast wird durch die Zusammenarbeit mit der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) auch Studenten aus anderen europäischen Ländern zur Verfügung gestellt.

Experten des DLR, des SSC, des ZARM und der ESA bieten den Studententeams während des gesamten Projekts technische Unterstützung. EuroLaunch, die Kooperation zwischen dem Esrange Space Center des SSC und der Mobilen Raketenbasis (MORABA) des DLR, ist für das Kampagnenmanagement und den Betrieb der Trägerraketen verantwortlich.

 

Das REXUS/BEXUS-Programm ermöglicht es Studenten europäischer Universitäten, Experimente auf Forschungsraketen und Ballons durchzuführen. Die Raketen befördern drei studentische Experimente mit bis zu 40 kg Nutzlast in eine Höhe von 90 km.

 

TRACE wird nach IMFEX das zweite Experiment des Space Team Aachen im Rahmen des REXUS/BEXUS-Programms und das erste Freiflugexperiment unseres Teams sein.

Experiment Concept

TRACE ist als Freiflugexperiment zur Erprobung und Bewertung der Verwendung von transpirativen Hitzeschilden auf einer Höhenforschungsrakete konzipiert. Der Schlüssel zu einem erfolgreichen Experiment liegt darin, sicherzustellen, dass der Flugbereich eine ausreichende Beheizung der Experimentoberflächen ermöglicht. Das Konzept eines Freiflugexperiments als Prüfstand für ein solches Transpirationskühlungsexperiment wurde in der Bachelorarbeit "Design of a free-flight experiment to be carried on the REXUS mission" von Clemens Weitzel dargelegt. Darin wurde gezeigt, dass hohe Geschwindigkeiten in dichter Atmosphäre ein solches Freiflugexperiment innerhalb des Flugbereichs einer REXUS-Mission ermöglichen. Dennoch sind umfangreiche aerodynamische Optimierungen des Wiedereintrittsfahrzeugs notwendig.

Das von uns vorgeschlagene Wiedereintrittsfahrzeug besteht aus einem 15°-Kegel mit einer abgerundeten Nase und einem aerodynamisch optimierten Heck. Das Experiment ist so konzipiert, dass es in den Nasenkonus einer REXUS-Rakete passt und nach dem Abschuss der Rakete ausgestoßen wird. Es wird passiv aerodynamisch stabilisiert.

Programm-Organisatoren

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Unsere Unterstützung

Das Experiment selbst besteht aus zwei Referenzflächen und zwei Transpirationskühlflächen. Der vordere Kegel wird in vier Quadranten aufgeteilt. Zwei gegenüberliegende Quadranten werden das Transpirationskühlexperiment beherbergen, während die beiden anderen Quadranten als Referenzflächen dienen. Die gesamte Oberfläche des vorderen Kegels wird aus PEEK bestehen, einem hochtemperaturbeständigen thermoplastischen Polymer mit den erforderlichen Eigenschaften, um eine ausreichende Erwärmung der Referenzflächen zu gewährleisten. Die Transpirationskühlelemente werden aus PEEK mit einer porösen Struktur hergestellt. Sie werden mit Kühlgas aus dem Inneren der Kapsel gekühlt. Neben dem Kühlsystem beherbergt der Nasenkonus eine Reihe von Temperatur- und Wärmestromsensoren sowie Elektronik für die Datenaufzeichnung, die Avionik und die Systemsteuerung. 

Für unser Missionsziel kann eine vollständige Bergung der frei fliegenden TRACE-Einheit durch ein zweistufiges Fallschirmsystem erreicht werden, das aus einem Abwurf- und einem Hauptfallschirm besteht. Die Bergung des Experiments beginnt in einer Höhe von 8000 m. In der ersten Phase wird das Heck abgeworfen und der erste Fallschirm entfaltet sich. Der Fallschirm bremst das Experiment von Überschall- auf Unterschallgeschwindigkeit ab. In der zweiten Phase wird der Hauptfallschirm geöffnet, der die frei fliegende TRACE-Einheit für die Landung auf eine niedrigere Endgeschwindigkeit abbremst. Um die verschiedenen Trennstufen zu erleichtern, verfügt das Experiment über mehrere Trennstellen.

Neben der Datenspeicherung enthält die TRACE-Freiflugeinheit auch ein Iridium-Satellitenkommunikationsmodul, ein GNSS-Modul und ein Energieverwaltungssystem, das bei der Ortung nach der Landung hilft. Die Energie reicht für mindestens 5 Stunden Sendebetrieb.

Für weitere technische Informationen über das TRACE-Projekt klicken Sie bitte hier