ROACH

ROACH

Robotic in-Orbit Analysis of Cover Hulls

ROACH (Robotic in-Orbit Analysis of Cover Hulls) soll unser zweites Experiment im Rahmen des DLR REXUS/BEXUS Programms werden. Hierzu hat das KSAT/Roach Team erfolgreich eine Bewerbung für den REXUS 23/24 Zyklus eingereicht. Aktuell befindet sich ROACH in Projektphase B.

Ziele des Experiments

Motiviert wird das ROACH Projekt aus den Gefahren, welche Weltraummüll und Mikrometeoriden auf Weltraumstrukturen wie Satelliten, Raumstationen und Oberstufen darstellen. Zudem stellt Materialermüdung unter der anspruchsvollen Thermal- und Vakuumumgebung des Alls eine potentielle Gefahr dar. Um Beschädigungen und Veränderungen am Material erkennen zu können, ist es folglich ratsam in regelmäßigen Abständen diese Strukturen zu untersuchen. Regelmäßige Untersuchungen und sogar Wartungsarbeiten könnten in Zukunft dazu führen, dass Weltraumstrukturen weniger konservativ ausgelegt werden müssen. Einen neuen Ansatz dazu könnten miniaturisierte Roboter bieten, die sich mithilfe von elektroadhäsiven Ketten auf den Strukturen bewegen können und mit Sensorik zum Detektieren von Schäden ausgestattet sind. Möglicherweise könnten diese Roboter zukünftig auch selbst kleinere Reparaturen vornehmen. Ziel des ROACH Experimentes ist es einen solchen Roboter zu entwerfen, bauen und zu fliegen.

Im Detail lauten die Ziele des Experiments:

Primär:

Validierung der Funktionalität elektrostatischer Adhäsionsfolien unter weltraum-ähnlichen Bedingungen

Validierung des Fortbewegungs-apparats des Rovers unter reduzierter Gravitation

Sekundär:

Rover bleibt vollständig mit dem vorgegebenen Pfad in Kontakt und bewegt sich planmäßig entlang diesem

Untersuchung der Materialeigenschaften der Oberfläche entlang des zurückgelegten Weges

Experimentaufbau

Kern des Experiments ist der Rover, bestehend aus einem integral 3D-gedruckten Chassis aus ABS-Kunststoff und metallenen Ketten, an denen die Adhäsionspads angebracht sind. Während des Starts wird der Rover mithilfe eines Sicherungsmechanismus vor den auftretenden mechanischen und thermischen Lasten geschützt. Hierzu klemmen zwei Stifte den Rover am oberen Sicherungsblech fest, so dass die empfindlichen Folien nicht im Kontakt mit anderen Oberflächen sind. An Bord des Rovers sind mehrere Instrumente angebracht:

  • Rotationsencoder zur internen Überprüfung des Fortbewegungsmechanismus
  • Näherungssensoren zur Feststellung eines möglichen abgelösten Zustands
  • Inertiale Messeinheit zur Analyse der Bewegung

Zusätzlich beobachten drei externe Kameras sowie eine an Bord des Rovers den Experimentablauf. Ein Spiegel ermöglicht es, eine weitere Perspektive ohne zusätzliche Kamera zu erhalten.

Der Rover wird von einem On-Board Computer (OBC) im Raketenmodul kontrolliert. Die abschließende Ansteuerung seiner Hardware erfolgt durch einen Microcontroller auf dem Rover selbst (Rover Control Unit RCU). Als Verbindung wird ein Kabel nach USB 2.0 Standard genutzt. Die OBC verarbeitet dabei alle vom allgemeinen Computer der Rakete kommenden Befehle (primär Start und Ende der Experimentphase) und dient als Watchdog für die RCU.

Die verschiedenen Prozessoren und Anwendungen machen die Verwendung mehrerer Programmiersprachen sinnvoll. Für die Bodenstation kommt Java, für den OBC Python und für die RCU C++ zum Einsatz.

Funktionsprinzip

Innerhalb der Folien befinden sich in geringem Abstand zueinander positiv und negativ geladene Elektroden. Zwischen diesen bauen sich elektrische Felder auf, welche jedoch nicht nur auf direktem Weg von + zu – verlaufen, sondern auch in den benachbarten Raum streuen. Unter der Voraussetzung eines geringen Abstands zwischen Folie und Untergrund sind so in diesem relativ starke elektrische Felder zu finden. Dadurch werden Ladungen verschoben und es entstehen positiv und negativ geladene Bereiche im Material. Diese entsprechen gerade den Ladungen der Elektroden und es treten Anziehungskräfte auf.

Die bisher besten Ergebnisse wurden mit der Kaptonfolie DuPont Pyralux HT8515R mit einer Polyimidschicht von 25 µm und einer Kupferschicht von 9 µm Dicke erzielt. Bei 3 kV DC anliegender Spannung konnten Normalkräfte von 2,1 N auf Flächen von 50 x 50 mm² gemessen werden. Die ertragbaren Scherkräfte sind noch eine Größenordnung größer.

Im realen Einsatz am Rover sank die Anziehungskraft etwas auf ca. 0,5 N für insgesamt 4 Pads im gleichzeitigen Kontakt. Bis zum Start sind weitere Verbesserungen auf insgesamt rund 2 N geplant. Die verringerte Effektivität ist vermutlich auf den suboptimalen Kontakt zur Oberfläche aufgrund der Kette zurückzuführen.

Tests

Das Experiment wurde im Vorfeld mechanisch und thermisch mithilfe numerischer Simulationstools überprüft. Zum Nachweis der Beständigkeit gegen die erwarteten Lasten finden Shakertests und Thermal-Vakuum-Tests bei Thales Alenia Space in Ditzingen und beim Zentrum für angewandte Raumfahrt & Mikrogravitation (ZARM) in Bremen statt. Die erste Testreihe wurde bereits erfolgreich überstanden.

Flug

ROACH wird im März 2018 auf REXUS 24 in Kiruna, Schweden, vom Esrange Space Center starten. REXUS-Raketen nutzen einen Orion-Feststoffmotor als Antrieb und tragen vier bis fünf Experimentmodule mit 35,6 cm Durchmesser und 30 cm Höhe. Die Rakete erreicht bis zu Mach 3 und ca. 80 km Höhe. Dadurch können etwa zwei Minuten in Mikrogravitation und Vakuum erreicht werden. Innerhalb dieser zwei Minuten soll der Hauptteil des Experiments absolviert werden. Der ungefähre Ablauf ist:

T-600 s Aktivierung der Energiezufuhr durch REXUS, Aktivierung des OBC im „Idle“ Modus

T-60 s Übergang in den „Ascend“ Modus

T-0 s Zündung

T+70 s Separation der Nasenspitze und des Motors, Abbau des beim Aufstieg gewonnenen Dralls, „Start of Data Storage“ (SODS) und Aktivierung der Sensoren

T+80 s Lösen der Sicherungsbolzen per Pyrocutter, Aktivierung der Adhäsionspads und Beginn der Fortbewegung

T+140 s Apogäum (Punkt größter Höhe)

T+220 s Ende der Mikrogravitation, Wiedereintritt in dichtere Atmosphäre

T+380 s Öffnen des Fallschirms

T+800 s Landung des Moduls

Der Rover wird nach erfolgter Fortbewegung nicht wieder gesichert. Damit soll bei graduell einsetzender Beschleunigung die tatsächliche Haltekraft festgestellt werden. Durch die eventuell auftretende Verzögerung wird mit einer Ablösung und anschließenden Beschädigung des Rovers gerechnet. Besonders die empfindlichen Adhäsionsfolien sind höchstwahrscheinlich nicht weiter nutzbar.

 

REXUS/BEXUS ist ein internationales Studentenprogramm in Kooperation des deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) mit der schwedischen nationalen Raumfahrt-Behörde (SNSB). Es gestaltet sich als Wettbewerb und bietet Studenten die Möglichkeit, ihre eigenen Ideen als technische Experimente unter Bedingungen durchzuführen, die denen im Weltraum ähnlich sind. Dazu gehören etwa der Einfluss von Weltraumstrahlung oder das Verhalten bei reduzierter Schwerkraft. Dabei besteht die Möglichkeit, die Experimente entweder auf einer fast sechs Meter langen Rakete durchzuführen (REXUS), die in bis zu 100 Kilometern den Gipfel ihrer Flugbahn erreicht, oder einen sogenannten Stratosphärenballon zu nutzen (BEXUS), der im freien Flug eine Höhe von bis zu 35 Kilometern erreichen kann.

Während der gesamten Projektzeit werden die deutschen Studententeams vom DLR Raumfahrtmanagement in Bonn betreut und lernen somit den vollständigen Ablauf eines Raumfahrtprojekts kennen, von der Idee selbst bis zur Veröffentlichung der Ergebnisse.

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