Auslegung und Entwicklung der Improved Malemute Forschungsrakete

Abstract

Die Möglichkeit für die Mobile Raketenbasis (MORABA) des DLR, ausgemusterte PATRIOT PAC-2 Raketenmotoren für wissenschaftliche Zwecke zu nutzen, bildet den Ausgangspunkt dieser Diplomarbeit. In ziviler Verwendung als Forschungsrakete trägt der Feststoffmotor den Namen Improved Malemute. Mittelfristige Ziele der MORABA sind der Ersatz des auslaufenden Trägersystems Nike-Improved Orion durch die zweistufige Konfiguration Improved Malemute-Improved Orion und die Einsatzfähigkeit einer einstufigen Improved Malemute. In dieser Arbeit enthaltene wichtige Entwicklungsschritte umfassen die aerodynamische Auslegung, die Bestimmung der Flugleistung sowie der maximal zu erwartenden Fluglasten, die konstruktive Gestaltung der Motoranbindung, deren Festigkeitsnachweis und eine FEM-Analyse der Finnen. Die aerodynamischen Berechnungen erfolgen mit Missile Datcom, Flugbahnsimulationen mit dem DLR eigenen 6-D Programm ROSI. Randbedingungen für die flugmechanische Auslegung der Trägersysteme sind ein Stabilitätsmaß von 1,5 Kaliber, ein Anstellwinkel von 4° und eine minimale Startelevation von 80°. Ausgehend vom Schubprofil der Improved Malemute werden die physikalischen Eigenschaften des Motors abgeleitet und bilden, zusammen mit den physikalischen Eigenschaften des Gesamtvehikels und den aerodynamischen Größen, die Grundlage für alle weiteren flugmechanischen Analysen. Eine sinnvolle aerodynamische Auslegung gewährleistet Flugstabilität für realistische Nutzlastvariationen bei möglichst geringem Widerstand. Es wird gezeigt, dass hierfür – sowohl in der einstufigen als auch in der zweistufigen Konfiguration – die Nutzung der vorhandenen Improved Orion Finnen möglich ist. Zur Widerstandsminimierung wird, trotz des negativen Einflusses auf das Stabilitätsmaß, eine sich verjüngende Düsenverkleidung gewählt. Eine Flugleistungsanalyse demonstriert die Leistungsfähigkeit der beiden Trägersysteme: Bei einer maximalen Flughöhe von 150 km für eine 100 kg schwere Nutzlast sind bereits auf der einstufigen Variante Experimente in Schwerelosigkeit umsetzbar. In der zweistufigen Konfiguration mit einem Improved Orion Motor als Oberstufe ist eine Apogäumshöhe von 280 km bei einer Nutzlast von 135 kg möglich, was einer Zeit in Schwerelosigkeit von 6,5 min entspricht. Die einstufige Variante erschließt einen Leistungsbereich, der bisher von der MORABA nicht abgedeckt wurde und bietet somit eine sinnvolle Erweiterung des Raketenportfolios. Im Vergleich zu der Nike-Improved Orion, welche 110 kg Nutzlast auf eine Flughöhe von maximal 200 km befördert, bietet die zweistufige Variante wesentlich bessere Flugleistungen. In einem Iterationszyklus werden die maximal zu erwartenden Fluglasten bestimmt, welche als Designmaßstab für die konstruktive Gestaltung der Motoranbindung und den Festigkeitsnachweis dienen. Unter den Kriterien Festigkeit, Montierbarkeit, Kosten, Gewicht und Standardisierung fällt die Designentscheidung auf einen Verbindungsring aus Stahl mit einer standardisierten RADAX-Verschraubung. Wohingegen die Festigkeit der Motoranbindung analytisch mit einem Sicherheitsfaktor von 1,5 nachgewiesen wird, ergibt die FEM-Analyse des Fins eine zu geringe Festigkeit im hinteren Bereich der Krafteinleitung in den Finschuh. Es werden Lösungsansätze zur Strukturoptimierung präsentiert, welche einer Einschränkung des zulässigen Anstellwinkels vorzuziehen sind.