Inbetriebnahme eines 200 N-Thrusters und Untersuchung der Regelbarkeit hinsichtlich des Einsatzes in einem Lander-Demonstrator

Abstract

Am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) Standort Lampoldshausen wird derzeit an günstigeren, weniger toxisch und weniger karzinogenen Alternativen für Hydrazin als Satellitentreibstoff geforscht. Dabei ist die Forschung an der Treibstoffkombination aus Lachgas (N2O) und Ethan (C2H6) in einem fortgeschrittenen Stadium, wo bereits entwickelte Triebwerke getestet werden müssen. Darunter ist auch ein Triebwerk der 200 N-Schubklasse. Zudem am DLR wird an einem Freifluglandedemonstrator als Technologieplattform für planetare Lander gearbeitet. Dieser soll mithilfe von grünen Raketentreibstoffen und fortschrittlichen Regelalgorithmen einen Freiflug in der Erdatmosphäre von etwa 30 s Dauer absolvieren können. In dieser Arbeit soll überprüft werden, ob sich dieses Triebwerk aus regelungstechnischer Sicht zum Einsatz im Landedemonstrator in einem selbstbedrückten Zyklus eignet. Dafür wurde in dieser Arbeit ein 200 N-Triebwerk mit gasförmigem Lachgas und Ethan als Treibstoff getestet und ein Schubfolgeregelungsalgorithmus entwickelt. Um eine Drosselbarkeit zu gewährleisten, wurde ein Regelventil in die Lachgasleitung des bestehenden Prüfstand M11.5 eingebaut. Der Regler nutzt eine modellbasierte Vorsteuerung zur schnellen, groben Einregelung des Brennkammerdruckes und ein internes Triebwerksmodell in Verbindung mit einem PI-Regler, um stationäre Genauigkeit zu gewährleisten. Um die Eignung für den Einsatz als Hauptantrieb in einem Landedemonstrator zu überprüfen, wurde eine Hardware-in-the-Loop-Simulation durchgeführt. Das bedeutet, dass von der Messtrecke aufgezeichnete Schubwerte an eine Lander-Flugsimulation übergeben werden, wo in Echtzeit von einem Flugregler Sollschubwerte berechnet werden, die wiederum von der Messtrecke bei Triebwerkstests eingeregelt werden. Dabei konnte der Schubregelkreis alle Anforderungen an die Regelgüte erfüllen, indem eine realistische Trajektorie erfolgreich nachgeflogen werden konnte. Außerdem wurde eine Modellrechnung der Tankzustände bei Treibstoffentnahme unter Annahme einer jeweiligen Equlilbriumstemperatur in den Tanks mit einem Simulationsskript durchgeführt. Es ergab sich, dass ein selbstbedrücktes HyNOx-Antriebssystem die Anforderungen eines Freifluges nicht erfüllen kann, da das Absinken des Tankdruckes bei Treibstoffentnahme ein Absinken des Triebwerksschubes zur Folge hat. Da der Schub nach 30 s nicht ausreicht, um unter Erdatmosphärenbedingungen zu schweben, muss für den Landedemonstrator eine andere Lösung gefunden werden.