Die hohen Standards in der Raumfahrt, vor allem im Bereich der Zuverlässigkeit, stellen umfangreiche Anforderungen an Auslegungs- und Analysemethoden. Die angewendeten Simulationsverfahren müssen kontinuierlich weiterentwickelt und anhand zuverlässiger experimenteller Daten validiert werden, um bestehende Ungenauigkeiten in deren Vorhersagefähigkeit zu reduzieren. Trotz der Fortschritte in der Entwicklung dieser Verfahren ist eine komplette multidisziplinäre Simulation eines Raumfahrtsystems mit der Gesamtheit seiner Komponenten gegenwärtig nur unzureichend realisierbar. Deshalb ist die Weiterentwicklung von Testanlagen und Flugexperimenten mit Hilfe von modernen und zuverlässigen Messmethoden unabdingbar zur Erzeugung von notwendigen experimentellen Validierungsdaten. Die Kostenreduktion im Raumtransport ist ein weiteres essentielles Element, um die Wettbewerbsfähigkeit der Europäischen Raumfahrtindustrie sicherzustellen. Eine wichtige Rolle spielt dabei die Wiederverwendbarkeit von Raketenstufen.
Die neuesten Studien zeigen, dass im Falle der Wiederverwendbarkeit die erste Stufe der Trägerrakete bei höheren Machzahlen (Machzahlen 8 bis 12) als bisher getrennt und zurückgeführt werden muss. Bei früheren Hyperschallflugexperimenten wie SHEFEX-II wurden hohe Machzahlen bis ungefähr 10 nur über eine Flugzeit von ca. 30 Sekunden erreicht, wodurch nur limitierte integrale Wärmelasten erzeugt wurden. Die geplanten Flugexperimente ReFEx und CALLISTO beschäftigen sich mit den Schwerpunkten Aerodynamik und Flugsteuerung bei niedrigeren Machzahlen und der Landung. Daher liegt der Fokus des STORT-Projekts auf der Qualifizierung von Technologien für den heißen Hyperschallflug und dem Thermalmanagement von thermisch hochbelasteten Komponenten bei hohen Machzahlen. Um dieses Ziel zu erreichen, wird für das STORT-Flugexperiment eine dreistufige Höhenforschungsrakete verwendet. Die dritte Stufe mit der Nutzlast fliegt dabei eine spezielle Flugbahn bei Machzahlen über 8 in Flughöhen zwischen 45 km und 55 km mit einer Dauer von ca. 120 Sekunden, um hohe integrale aerothermale Strukturlasten zu erzeugen.
Der Vorkörper des Experiments besteht aus vier CMC-Segmenten, die entlang vier longitudinalen Linien alle 90° in Umfangsrichtung mit Wärmeflusssensoren, Thermoelementen und Drucksensoren instrumentiert sind. Die drei festen Canards mit CMC-Außenschalen dienen zur Durchführung der Thermalmanagement-Experimente. Während ein Canard mit einer Prallkühlung aktiv gekühlt wird, wird der zweite Canard passiv gekühlt. Der dritte Referenz-Canard (ohne Kühlung) wird zusätzlich für die Untersuchung der Stoß-Grenzschicht-Wechselwirkung genutzt, wobei der Wechselwirkungsbereich an der Struktur mit entsprechenden Sensoren mit hoher Abtastfrequenz bestückt wird. Zum ersten Mal wird eine miniaturisierte Infrarotkamera die Oberflächentemperatur eines Canards während eines heißen Hyperschallflugs vermessen. Zwei zusätzliche Videokameras überwachen die Finnen der dritten Stufe während des gesamten Fluges.
Zur Gewichtsreduktion der zylindrischen Nutzlastsegmente ersetzte im Rahmen des ATEK-Flugexperimentes ein Hybridmodul, bestehend aus einer CFK-Struktur und metallischen Flanschen, ein Standardmodul aus einer Aluminiumlegierung. Die erfolgreiche Flugqualifikation dieses Segments ist die Motivation für den Einsatz eines leichten und komplett aus CFK bestehenden Moduls mit integrierten Faser-Bragg-Gitter (FBG)-Sensoren beim STORT-Flugexperiments. Sensoren des gleichen Typs werden die Temperaturverteilung des mit Kork beschichteten Motorgehäuses messen. Eine der Finnen der dritten Stufe ist intern mit Drucksensoren, Dehnungsmessstreifen und Thermoelementen instrumentiert. Die Drucksensoren messen hier die Druckdifferenz auf der Wind- und Leeseite der Finne. Auch die Tailcan-Instrumentierung besteht aus Dehnungsmessstreifen, Thermoelementen und Drucksensoren, die in dem engen Bauraum integriert werden müssen. Eine im Vergleich zu der aus Grafit und ablativem Material bestehenden Standarddüse viel leichter gebaute CMC-Düse soll nach erfolgreichen Qualifikationstests, Static-Firing-Tests und einem separaten einstufigen Flug bei dem dreistufigen STORT-Flugexperiment eingesetzt und flugqualifiziert werden.
Projektname
STORT
Laufzeit
1/2019 - 12/2022
Auftraggeber
Das Projekt wird im Rahmen der institutionellen Förderung durch die Programmatik Raumfahrtforschung und -technologie durchgeführt.
Projektpartner
DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik (Projektleitung)
DLR-Institut für Bauweisen und Strukturtechnologie
