Liebe Freunde und Förderer der FAR,
wir benötigen dringend Spenden, um die nächsten Startkampagnen der Arguna IV in Thorn (Polen) am 26. Mai und der Arguna II in Borris (Dänemark) am 16. Juni zu finanzieren.
Spenden können Sie per Paypal oder Überweisung.
Schon jetzt einen großen Dank an alle, die uns unterstützen!
Das Team der FAR
David Madlener
Heute beginnen wir mit unserer Reihe “Mitglied des Monats”. Nacheinander stellen wir Ihnen hier unsere Vereinsmitglieder vor.
Den Beginn macht unser 1. Vorsitzender David Madlener (Dipl.-Physiker).
David hat das Studium der Physik mit Diplom über das Thema Simulation von selbst-gravitierenden protoplanetaren Scheiben mit SPH und Treecodes abgeschlossen. Schon während des Studiums hat er am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) an einer Reihe von Projekten mitgewirkt:
Derzeit arbeitet David an seiner Promotion am ITAP Kiel zum Thema Modeling of protoplanetary disks with Monte Carlo Methods.
David ist Gründungsmitglied und der 1. Vorsitzende der FAR. Seine Schwerpunkte umfassen folgende Themen und Projekte:
Der Weltraum, seine Erkundung und die Erklärung der beobachteten Phänomene sind schon seit langer Zeit ganz oben auf Davids Liste der Prioritäten. Aber es gibt Hindernisse, die dem Erkenntnisprozess im Weg stehen und der wichtigste ist die Luft, die wir atmen. Ohne Atmosphäre ist der Blick zu den Geheimnissen des Kosmos ungetrübt, daher ist es naheliegend die Beobachtung aus dem All durchzuführen. Heute ist es jedoch extrem teuer Instrumente im Weltraum zu betreiben. Unzählige Fragen warten auch in den Weiten unseres Sonnensystems. Gibt es Leben auf dem Mars, Europa, Enceladus und/oder Titan? Wie ist unser Erde-Mond System entstanden? Wie können wir unsere Biosphäre vor Bedrohungen aus dem All schützen? Antworten auf diese und viele andere Fragen werden wir nur finden können, wenn wir uns endlich ernsthaft mit der Exploration unseres Sonnensystems beschäftigen. Doch dazu müssen wir zuerst die Kosten für die Raumfahrt signifikant senken. Und das ist möglich.
Hobbies
Weltraumforschung und Physik sind nicht alles! Auch für Turniertanz und Tischtennis kann David sich begeistern.
Die Mitglieder der FAR haben sich 2003 zusammengefunden, um gemeinsam eine Idee in die Realität umzusetzen:
Raumfahrt und die Erforschung des Weltraums soll alltäglich sein.
Die rasante Entwicklung der privaten Raumfahrt in den letzten Jahren ist für uns der Vorbote einer Zeitenwende, an der wir aktiv teilnehmen wollen. Zu unserem Team gehören Wissenschaftler (Physiker, Chemiker), Ingenieure (Informatiker, Elektrotechniker, Maschinenbauer), BWLer, Kreative (Autoren, Medienexperten, Fotografen, Filmemacher) und Studenten verschiedener Fachrichtungen. Auch wenn auf dem Weg in den Weltraum technische Herausforderungen im Vordergrund stehen, ist die menschliche Seite des Projektes deutlich wichtiger. Die Liste der Probleme auf dem Weg in den Weltraum ist lang, technische Herausforderungen stehen dabei weit unten.
Unser Team wohnt verstreut über das ganze Bundesgebiet und im angrenzenden Ausland, wobei es einen Schwerpunkt im Rheinland gibt. Die Zusammenarbeit koordinieren wir über das Internet mithilfe einer internen Wiki, Emails und Mailingliste, Skype, TeamSpeak und dem guten, alten Telefon. Unsere Projekte beinhalten eine Vielzahl von Aufgaben, unter anderem:
Wir dürfen eine Maschinenhalle in der Eifel mitbenutzen, dort treffen sich unsere Mitglieder zu gemeinsamer Arbeit. Einmal im Jahr halten wir einen Workshop im Radioteleskop Stockert in der Eifel ab, dort besprechen wir weitere Abläufe und machen Projektarbeit. Und natürlich gibt es eine Jahreshauptversammlung, wo sich möglichst viele Mitglieder einfinden.
Wir erheben keine Mitgliedsgebühr, sind aber auf Sach- und Geldspenden angewiesen. Da wir eine gemeinnützige Organisation sind können wir Spendenquittungen erstellen, die steuerabzugsfähig sind.
Sie haben Interesse an Raumfahrt und dem Weltall? Dann schnuppern Sie doch bei uns rein, jeder Interessierte kann bei uns Mitglied werden. Wir freuen wir uns über jeden, der seine Fähigkeiten bei uns einbringen möchte.
Arguna 3 Start im August 2008
Der Grundsatz bei der Entwicklung dieser Raketen war die Verwendung handelsüblicher, leicht beschaffbarer und preisgünstiger Materialien. Die Raketen bestehen aus einem Feststoffmotor, einer Nutzlastsektion und einer Bergungseinheit. Besonderes Augenmerk wurde auf eine robuste und zuverlässige Konstruktion gelegt. Die Startmasse dieser Reihe beträgt bisher ~25kg. Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung einer günstigen, zuverlässigen und umweltfreundlichen Plattform zum Testen von Raumfahrtkomponenten, wie Motoren, Avionik, Lageregelung und Bergungssystemen.
Die Arguna-Raketen und die notwendigen Startgeräte bestehen aus mehreren transportablen Teilstücken, die vor Ort mit einfachem Werkzeug montiert werden. Die Bergung erfolgt durch ein Fallschirmsystem, das durch redundante Auslöseeinrichtungen aktiviert wird.
Das Design der Motoren ist minimalistisch und effizient, ein Stahlrohr mit Deckel bildet den Druckkörper und eine Kegeldüse aus Graphit entspannt die Rauchgase. Die Brenndauer eines Motors beträgt wenige Sekunden, in denen zwischen 3 und 7 kg Treibstoff verbrannt werden. Bei einem Startschub von bis zu 5 kN (das entspricht gut einer halben Tonne!) werden die Raketen mit bis zu 20 g aus der Startvorrichtung beschleunigt.
Die Treibstoffe der Motoren basieren im wesentlichen auf verschiedenen Nitraten als Oxidatoren, Polyalkoholen oder Epoxidharzen als Brennstoffen und einigen Hilfsstoffen zur Regulierung des Abbrandverhaltens.
Hier eine Übersicht über die technischen Daten der Arguna-Raketen. Werte die noch nicht ermittelt werden konnten sind mit n/e gekennzeichnet.
| Arguna 1 | Arguna 2 | Arguna 3 | Arguna 4 | Arguna 5 (geplant) | |
|---|---|---|---|---|---|
| Länge [m] | 3,00 | 3,60 | 3,20 | 5,04 | 6,00 |
| Körperrohr- durchmesser [cm] | 16,0 | 11,0 | 20,0 | 12,5 | 27,0 |
| Körperrohr- material | PVC | Aluminium | Aluminium | Aluminium | GfK |
| Material der Spitze | Hartholz | Hartholz | Styrodur/GfK | Aluminium | GfK |
| Material der 4 Flossen | Sperrholz | Sperrholz | Sperrholz | Aluminium | GfK |
| Startmasse [kg] | 25.0 ± 0.2 | 22.0±0.2 | 24±0.2 | 60±5 | 253 |
| Nutzlastkapazität [kg] | 1,50 | 0,75 | 2-5 | 2-5 | 10 |
| Antrieb | Experimental- motor 1579a (Impulsklasse L) | Experimental- motor 1717a (Impulsklasse M) | Experimental- motor 1734a (Impulsklasse M) | Experimental- motor (Impulsklasse O) | Experimental- motor (Impulsklasse R) |
| Motorleistung [Ns] | 4100 ± 100 | 5600 ± 100 | 6000 ± 100 | 32000±500 | 288000 |
| Spitzenschub [kp] | 320 | 420 | 508 | 1100 | 1600 |
| Bergungssystem | 1 Vorfallschirm, 2 Hauptschirme | 1 Vorfallschirm, 1 Hauptschirm | 1 Vorfallschirm, 2 Hauptschirme | 1 Vorfallschirm + 1 Hauptfallschirm | 1 Vorfallschirm + 1 Hauptfallschirm |
| Gesamtflugdauer [s] | 115 ± 10 | 200 ± 10 | 130±10 | n.e. | n.e. |
| Zeit bis zum Gipfelpunkt [s] | 14 ± 1 | 20 ± 1 | 16±1 | n.e. | n.e. |
| max. Geschwindigkeit [m/s] | 147 ± 5 | 213 ± 5 | 202±5 | n.e. | n.e. |
| max. Beschleunigung [g] | 12 ± 1 | 20 ± 1 | 15 ± 1 | 20 - 25 | 24 |
| max. Flughöhe [m] | 1000 ± 50 | 2500 ± 50 | 1300 ± 100 | 8000 - 10000 | 50 km - 100 km |
| Anzahl der Flüge (August 2008) | 3 | 2 | 2 | 0 | 0 |
Die beim letzten Flug der Arguna 2 aufgenommenen inertialen Messdaten zeigen, dass in der Freiflugphase (das heisst dem antriebslosen Flug nach Brennschluß) in der Rakete mindestens 8 Sekunden lang nahezu Schwerelosigkeit herrschte (sogenannte Mikrogravitation).
Auf der Erde ist es schwierig, längere Phasen der Schwerelosigkeit zu erzeugen, da dies praktisch nur im freien Fall möglich ist. Es gibt aber weltweit im Bereich der Mikrogravitationsforschung eine größere Nachfrage als Angebote (vor allem von Hochschulen und Forschungsinstituten, aber auch der Industrie). Dazu kommt, daß Mikrogravitationsexperimente, die mit Flugzeugen oder Höhenforschungsraketen durchgeführt werden, erhebliche Kosten verursachen.
Das von uns zur Entwicklung vorgesehene Fluggerät kann daher eines Tages eine preiswerte und umweltfreundliche Alternative zur Erzeugung von Schwerelosigkeit darstellen.
Mittelfristiges Ziel der FAR ist es, eine verbesserte Forschungsrakete zu entwickeln, die mehr Nutzlast transportieren und längere Mikrogravitationsphasen erreichen kann. Für die Erprobung der dafür notwendigen Technologien sind zunächst kleine Flughöhen von 3 bis 5 km ausreichend.
Avionik ist ein Kofferwort aus dem lateinischen Wort Aves (Vogel) und Elektronik, und bezeichnet zunächst jede elektronische Funktionseinheit eines Flugkörpers. Damit eine Rakete ihre Mission erfüllen kann, zum Beispiel eine Nutzlast in einen definierten Orbit um die Erde zu bringen, muss eine unter bestimmten Bedingungen optimale Bahn verfolgt werden. Mögliche Ziele der Optimierung sind eine Minimierung der Belastung des Flugkörpers, eine wirtschaftliche Nutzung des Treibstoffs und das präzise Erreichen des Orbits. Zur Lösung dieser Aufgabe müssen Messungen, Berechnungen und Steuerbefehle ausgeführt werden, um in Echtzeit die Lage der Rakete zu regeln.
Eine Avionik hat daher Aufgaben, die von der Mission des Flugkörpers abhängen, ganz allgemein gehören dazu Messungen, Regel- und Steueraufgaben und Telemetrie. Ein wesentliches Problem ist die Stabilität des Bordrechners an sich, da ein Ausfall meist mit dem Verlust der Rakete und Daten verbunden ist. Es müssen daher im Design Maßnahmen vorgesehen werden, um Abstürze unwahrscheinlich zu machen, im Notfall einen autonomen und schnellen Reboot zu ermöglichen und durch Redundanz den Ausfall von Subsystemen zu kompensieren.
Um Probleme rechtzeitig erkennen und darauf reagieren zu können führt die Avionik eine interne Diagnostik des Flugkörpers aus, die man in Anspielung auf die Aufgaben in der Hauswirtschaft als Housekeeping bezeichnet. Überwacht werden unter anderem Spannungen, Ströme, Temperaturen und Drücke an ausgewählten Positionen, Widerstände von Pyros, Treibstoffmengen, korrekter Sitz von Steckern und die totale Strahlendosis. Diese Daten werden zyklisch per Telemetrie an die Bodenstation gemeldet um einen Überblick über den Zustand des Flugkörpers zu geben und die Analyse von Fehlfunktionen zu ermöglichen. Besonders während der Startvorbereitungen ist eine kontinuierliche Überprüfung von großer Bedeutung da hier ein Abbruch der Mission noch problemlos möglich ist. Auch während des Flugs ist es erforderlich auf signifkante Fehlfunktionen reagieren zu können um die Durchführung der Mission zu gewährleisten oder einen kontrollierten Abbruch einleiten zu können.
Das Projekt RedQueen soll Schritt für Schritt durch Experimente mit den Raketen der Arguna-Reihe eine Avionik zur Bahn- und Lageregelung aufbauen. Der Name ist eine Anspielung auf die 
rote Königin in Lewis Carolls Buch Through the Looking-Glass, and What Alice Found There. Beim Wettlauf mit der roten Königin fragt Alice, warum sie trotz aller Anstrengung stets am selben Ort verharren. Diese erwidert:
“Now, HERE, you see, it takes all the running YOU can do, to keep in the same place.”
Gleichzeitig steht Red als Abkürzung für redundant.
Die geplanten Meilensteine für die Entwicklung der RedQueen sind (vereinfacht):
Jede Generation der Avionik umfasst Verbesserungen und zusätzliche Funktionen und baut auf der vorherigen Stufe auf. Der verfolgte Ansatz ist dabei divide et impera, indem für jede definierte Aufgabe ein Hardwaremodul und dedizierte Software entwickelt wird. Sowohl Hard- als auch Software verfolgen den modularen Ansatz, im Falle der Hardware durch physikalisch getrennte Einheiten, in der Software durch objektorientierte Programmierung. Die Module werden über RS-485 zur Avionik vernetzt, um Gewicht zu sparen, eine störsichere Kommunikation zu garantieren und die Wartung zu vereinfachen.
Nach einigen Iterationen wurde entschieden die Module der RedQueen mit dem P8X32A aka Propeller von Parallax zu implementieren, einem robusten Microcontroller mit acht unabhängig arbeitenden Ker
nen. Jeder Kern oder Cog ist identisch aufgebaut, verfügt über zwei Timer und einen Videogenerator, kann auf alle 32 Pins zugreifen und ist über den Hub mit einem gemeinsamen Speicher verbunden, dem Hub RAM. Diesen Hub kann man sich als rotierenden Schalter vorstellen, der wie ein Verteiler im Ottomotor jeden Cog für einen Zyklus mit dem Hub RAM verbindet. Von dieser Metapher leitet sich auch der Name des Chips ab.
Da Interrupts fehlen, es keinen impliziten Stack gibt und darüber hinaus jeder Cog über einen isolierten Programmspeicher von 512 Byte Länge verfügt, ist der Programmablauf deterministisch solange keine äußeren Zustände abgefragt werden. Deterministisch bedeutet hier, dass die Reaktion der Rechenmaschine auf einen Satz von Eingaben vorhersehbar ist, insbesondere wieviel Zeit verstreichen wird. Die Maschine, die den Browser berechnet mit dem diese Seite dem Leser sichtbar gemacht wird, ist nicht deterministisch. Wer das nicht sofort einsieht sollte sich überlegen, warum ein Browser häufig Eingaben des Nutzers scheinbar ignoriert. Für die Reaktion der Avionik in Echtzeit ist deterministisches Verhalten Voraussetzung. Gleichzeitig unterstützt der Propeller implizit das objektorientierte Paradigma, indem jeder aktive Cog einem Objekt entspricht. Diese Eigenschaft beschleunigt die Entwicklung und Fehlersuche mit diesem Chip ungemein.
Der Propeller benötigt nicht viel Peripherie zum Arbeiten, im wesentlichen nur einen EEPROM für sein Programm, einen (optionalen) Quarz, Spannungsregler und Stecker um mit der übrigen Schaltung verbunden zu werden. Der Propeller arbeitet nominal mit 3.3V Betriebsspannung, durch 1k Widerständen können seine Pins direkt mit Logik verbunden werden, die Standard TTL-Pegel verwendet. Das besondere an diesem Microcontroller ist seine Wandlungsfähigkeit, die eine schnelle Anpassung an ein konkretes Problem ermöglicht. Anstatt für bestimmte Aufgaben vom Hersteller vorgegebene Submaschinen mit fester Pinbelegung zu haben, meist serielle Schnittstellen, Timer und ADC/DACs, wird die Funktion der Pins erst durch die Software definiert. Insofern ähnelt der Propeller einem FPGA, ist jedoch erheblich intuitiver in SPIN zu programmieren, einer von Parallax entwickelten Hochsprache, die einen Mix von Basic, C, Python und Pascal darstellt. Es gibt darüber hinaus eine wachsende Liste von weiteren Programmiersprachen, für die bereits Compiler implementiert worden sind.
Diese inhärente Wandlungsfähigkeit des Propellers legt die Entwicklung eines universellen Moduls zur Datenverarbeitung nahe, das durch individuelle Software an die vorliegende Aufgabe angepasst werden kann. Eine Modifizierung des Codes kann durch Reprogrammierung sogar während des laufenden Betriebs erfolgen, da der Propeller seine Software nur einmal während des Bootvorgangs vom EEPROM in den Hub RAM kopiert und anschließend der EEPROM als normale Peripherie per I²C zur Verfügung steht. Dadurch ist es möglich Algorithmen zu entwerfen, die über eine serielle Schnittstelle und ein entsprechendes Protokoll eine Reprogrammierung des EEPROM erlauben, ohne den laufenden Betrieb zu stören. Das ist eine überaus wichtige Eigenschaft für eine Avionik, da Veränderungen in der Hardware beim Zusammenbau des Flugmodells ab einem bestimmten Zeitpunkt nicht oder nur sehr schwer möglich sind. Bei Satelliten ist es sogar üblich im Flugmodell nur relativ einfache Funktionalität zu implementieren und erst im Laufe der Zeit den verbesserten Code per Telemetrie im Flug nachzuladen. Dadurch ist es möglich Veränderungen an der Hardware zu detektieren und wenn möglich zu kompensieren.
Die
erste Version einer für allgemeine Zwecke verwendbaren Datenver-arbeitungseinheit (Data Processing Unit – DPU) wurde ab 2008 mit dem Proto-Board von Parallax entwickelt und 2010 als gedruckte Schaltung implementiert. Die erste Version der DPU besitzt als Verbindung zur Außenwelt zwei 10polige Wannenstecker als universelle 8-Bit Ports (Port A und B), vier- und sechs-polige Western-Stecker jeweils für eine serielle Kamera und ein GPS-Modul oder äquivalente serielle Module, einen Stecker für eine SD Speicherkarte zur permanenten Datenspeicherung, sowie einen Ausgang für Composite zur Ansteuerung eines Monitors über eine SMB Buchse. Die quadratischen Abmessung der Platine von 60x60mm² sind durch die Abmessungen der Raketen der Arguna-Reihe motiviert und ermöglichen einen horizontalen Einbau zus
ammen mit anderen Modulen der gleichen Abmessung als Platinenstapel. Basierend auf den Erfahrungen der Flugkampagnen wurde die DPU und die Erweiterungsmodule für analoge Datenerfassung, GPS und Telemetrie weiterentwickelt. Diese Fortschritte werden wir hier im Blog in einer Reihe von Artikeln genauer präsentieren.
Heute wird im Zusammhang mit Raumfahrt nur diffus über mögliche Vorteile einer Hochtechnologie philosophiert. Technologie ist jedoch ein Mittel Ziele zu erreichen und sollte nicht als Selbstzweck missverstanden werden. Das sich aus neuen Ansätzen auch nicht vorhersehbare Möglichkeiten für andere Gebiete eröffnen können ist selbstverständlich, es ist eine implizite und wünschenswerte Eigenschaft jeder Grundlagenforschung. Es macht jedoch keinen Sinn als Motivation für Raumfahrt nur Spin-Offs ins Felde zu führen, Raumfahrt hat einen eigenständigen Zweck: andere Welten erreichen und erforschen zu können, so wie Oberth es in seinem Werk “Die Rakete zu den Planetenräumen” beschrieben hat. Menschen sind nicht auf den Mount Everest geklettert oder in den Mariannengraben getaucht um Atemgeräte zu verbessern!
Wir müssen die nächste Generation für Raumfahrt begeistern. Angefangen in den Grundschulen mit Aufklärung über unseren Platz im Kosmos, auf weiterführenden Schulen im Unterricht und Arbeitsgemeinschaften und schließlich in den Universitäten mit einem eigenen Studienfach Raumfahrt entkoppelt von Luftfahrt. Um die echten Ziele der Raumfahrt in den Fokus zu rücken, muss ein Markt ohne Monopol für zivile Raumfahrt abseits von Wehrtechnik enststehen. Mit der Kooperation von Unternehmen in der freien Wirtschaft und staatlichen Forschungseinrichtungen und Universitäten könnte eine Ära der zivilen Raumfahrt eingeleitet werden, das Know-How ist vorhanden. Der fehlende rechtliche Rahmen in Deutschland erstickt jedoch private Initiativen, hier muß der Gesetzgeber aktiv werden. Nicht im wesentlichen durch Finanzierung, sondern durch eine transparente und faire Gesetzgebung.
Doch warum ist Raumfahrt an und für sich wichtig?
Der Mensch ist von Natur aus ein anpassungsfähiges Tier und diese Eigenschaft hat uns über die Millenia vor dem Aussterben bewahrt. Eiszeiten, Vulkanausbrüche, Erdbeben und Überschwemmungen haben den Lebensraum unserer Vorfahren nachhaltig verändert und zur Anpassung und Migration gewungen. Heute sind wir eine globale Spezies und wir haben in unserer Hybris über diesen Erfolg vergessen, dass wir den Kräften der Natur letztlich hilflos gegenüber stehen. Man erinnere sich dabei an die Tsunamis im Dezember 2004 und März 2011, die uns die Grenzen unserer Technik allzu tragisch vor Augen geführt haben. Langfristig müssen wir den Weltraum als neuen Lebensraum begreifen. Eine globale Umweltkatastrophe ist nur eine Frage der Zeit, zahlreich sind die Szenarien, die unsere Biosphäre fundamental verändern können (Supervulkan, Asteroideneinschlag,…). Wenn die Menschheit es nicht schafft auf anderen Planeten Fuß zu fassen, wird unsere Zivilisation untergehen und unsere Spezies möglicherweise aussterben. Alles wofür Menschen jemals gelebt, gelitten, gekämpft und gestorben sind wäre dann letztlich umsonst gewesen. Es gibt jedoch keinen Grund für Pessimismus, da wir heute aktiv an der Verbesserung unserer Optionen arbeiten können. Wir sollten anfangen die Grundlagen für “echte” Raumfahrt zu legen, denn es gibt zahlreiche Aufgaben und Ziele für zukünftige Generationen:
Lasst uns daher Raumfahrt als langfristige Investition in die (geistige) Entwicklung der menschlichen Spezies und damit letztlich unserer ganzen Biosphäre verstehen, denn nur so können wir das Leben an sich langfristig garantieren. Raumfahrt ist kein Selbstzweck, es ist die Fortsetzung des Pioniergeistes unserer Vorfahren. Ohne ihren Willen, Entschlossenheit und Mut könnten wir heute nicht über den nächsten Schritt nachdenken.
Die Bundeskanzlerin ruft in ihrem “Dialog über Deutschland” dazu auf, sich an der Diskussion um die Zukunft unseres Landes zu beteiligen.
Die FAR hat dazu zwei Vorschläge eingereicht – einmal
Rahmenbedingungen für private Raumfahrt schaffen
und zum anderen
Unterstützen und kommentieren sie diese Vorschläge noch bis zum 15.4!
Auch wenn die FAR sich bemüht Raumfahrt preiswert und sicher zu machen – Geld kosten Forschung und Entwicklung natürlich trotzdem!
Darum besteht nun die Möglichkeit an die FAR zu spenden – via PayPal bequem und direkt vom Rechner aus. Dazu einfach auf unsere Spenden-Seite gehen und den Spenden-Knopf drücken!
Unsere Kontoverbindung lautet:
Selbstverständlich werden auch Spendenquittungen für das Finanzamt erstellt.
Kaum zu glauben, aber wahr – die FAR beginnt zu bloggen!
Wir werden hier regelmässig über Aktivitäten der FAR, aber auch anderen Themen rund um Raumfahrt und Technologie berichten.