Entwicklung einer Hochtemperatur S-Band-Sendeantenne für Hyperschall Wiedereintrittskörper zu Mess-Datenübertragung

Kurzfassung

Im Rahmen des Programms SHEFEX, bei dem unter anderem ein neues Temperaturschutzkonzept für hypersonische Flugbedingungen erprobt wurde, entstanden bei der Mobilen Raketenbasis (MORABA), die für die Durchführung des eigentlichen Flugversuchs verantwortlich war, neue und anspruchsvolle Anforderungen für die Übertragung der Experimentdaten per Telemetrie zum Boden. Während der Experimentphase von SHEFEX, die während des stabilen Wiedereintritts des Flugkörpers im Höhenbereich von 90 bis 200 km stattfand, sollte eine vollständige Telemetrie-Datenübertragung der Sensoren und Experimente gewährleistet sein. Darin enthalten waren die Daten zur Positionsbestimmung über GPS. Seitens der Telemetrie wurden hierzu bisher üblicherweise Blade-Antennen im S- Bandbereich (2.25 GHz) eingesetzt. Da jedoch bei einer stabil eintretenden Nutzlast sehr hohe thermische Belastungen auch der Antennen selbst zu erwarten waren, wurde ein angepasstes Design der Antenne notwendig. Auch können bei sehr hohen Geschwindigkeiten Realgaseffekte wie Teilchenionisation und Plasmabildung auftreten, die Beeinträchtigungen bei der Datenübermittlung über elektromagnetische Felder nach sich ziehen. Dies wurde insbesondere in den späteren, weiter fortschreitenden, Flugexperimenten des Programms signifikant. Um diese Effekte zu berücksichtigen, abzuschwächen oder die Datenübertragung anderweitig robust und zuverlässig zu gestalten, waren weitergehende Untersuchungen notwendig. Der überwiegende Anteil der Nutzlasten von Höhenforschungsraketen ist den Forschungsbereichen „Forschung unter Weltraumbedingungen“ oder „Atmosphärenphysik“ zuzuordnen. In beiden Fällen ist die Experimentphase üblicherweise abgeschlossen, bevor die Nutzlast auf dem absteigenden Teil der Flugbahn wieder auf ingenieurstechnisch relevante Atmosphärendichten trifft. Dies ist bei aerodynamischen oder aerothermodynamischen Versuchen zur Hyperschallströmung nicht der Fall – hier ist das „Experimentalfenster“ meist genau innerhalb der ingenieurstechnisch relevanten Atmosphäre während des Widereintritts, zwischen 90 und 20 km Höhe. Während normale Nutzlasten in diesem Teil der Atmosphäre instabil ausgelegt sind, also unkontrolliert taumeln sollen, um so möglichst stark abzubremsen und die Energie auf den gesamten Körper zu verteilen, ist dies bei Hyperschallnutzlasten nicht möglich. Jedoch haben auch bei Versuchen mit instabil ausgelegter Nutzlast Untersuchungen von geborgenen Raketennutzlasten gezeigt, dass es ein stabiles Eintrittsverhalten geben kann. Dieses führte durch lokale Konzentration der eingebrachten Energie teilweise zu Degradation (Abschmelzen des Antennenleiters und Isolierung) im Antennenkernbereich. Im Gegensatz zu konventionellen Höhenforschungsmissionen, bei denen der wissenschaftliche Schwerpunkt hauptsächlich im exoatmosphärischen Flugbereich liegt, müssen somit für das SHEFEX- Programm und ähnliche Flüge entsprechende Vorkehrungen getroffen werden.