Studentisches Forschungsprojekt Studenten erobern mit einer Forschungsrakete das All

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1 Studentisches Forschungsprojekt Studenten erobern mit einer Forschungsrakete das All Redakteur: Hendrik Härter Die Flugvisualisierung (ViTo) greift notwendige Informationen von der Datenbank ab, verarbeitet diese und stellt eine Grundlage für den Client von Google Earth dar. Anschließend werden die Daten via FTP-Upload an einen Webserver weitergeleitet. (TU München) 100 km über Grund. Das ist die Flughöhe, mit der die Höhenforschungsrakete REXUS studentische Experimente in das All befördert. Das akademische Projekt der TU München soll den Studierenden helfen, komplexe Hardund Software zu verstehen und zu entwickeln. Wie forscht man an Raketen? Im Rahmen des REXUS-Programms wurde ein Supportsystem mit dem Namen CERESS entwickelt, um Experimente auf Höhenforschungsraketen durchzuführen. REXUS wird vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der Schwedischen Nationalen Raumfahrt-Behörde (SNSB) zu akademischen Zwecken durchgeführt. Das Projekt CERESS bietet die wichtigsten Funktionen, beispielsweise regulierte Stromversorgung, Datenverarbeitung an Bord, Steuerung und Regelung sowie Echtzeitkommunikation und Schnittstellen zu den REXUS-Systemen, sowohl auf der Rakete als auch am Boden. Damit soll es für Studenten leichter sein, ihre wissenschaftlichen Experimente an Bord von Höhenforschungsraketen durchzuführen. ERGÄNZENDES ZUM THEMA Welche Produkte von National Instruments verwendet wurden Welche Produkte von National Instruments verwendet wurden NI sbrio-9632 Seite 1 / 7

2 SD-Wechselspeichermodul NI-9802 SD-Karte mit 2 GB für den Einsatz in der Industrie NI LabVIEW 2011 Professional Development System LabVIEW Real-Time Module FPGA Module Database Connectivity Toolkit Andere Produkte im CERESS-Projekt zwei Windows 7 Rechner MySQL-Datenbank acht digitale Beschleunigungsmesser (LIS331) zwei Gyroskope (L3G4200D) eine Kamera (GoPro HD2) ein Drucksensor (TTL91) sechs Thermistoren 12 Shunts (für Spannungs- und Strommessungen) Mehrere selbstgebaute Leiterplatten zur Verbindung, Stromversorgung und Kontrolle Forschen für die Lehre Bei REXUS handelt es sich um ein Höhenforschungsraketenprogramm zu akademischen Zwecken. Die eingesetzte Rakete trägt ebenfalls den Namen REXUS und kann bis zu 60 kg Gewicht bzw. vier studentische Experimente in eine Höhe von knapp 100 km befördern. Nach einer Startphase bietet die Rakete ungefähr 5 Minuten Mikrogravitation (Schwerelosigkeit) und Vakuumbedingungen. Diese Zustände sind die erklärten Ziele, die mit Höhenforschungsraketen erreicht werden sollen. Die REXUS-Rakete ist rund 6 m hoch und hat einen Durchmesser von ca. 35 cm. Das integrierte Servicesystem bietet ungeregelte Stromversorgung durch mitgeführte Batterien, einige Signale und eine serielle Schnittstelle für die Kommunikation zwischen Rakete und Boden. Die Analyse vorheriger Projekte auf Höhenforschungsraketen am Lehrstuhl für Raumfahrttechnik an der Technischen Universität München hat gezeigt, dass für jedes Experiment eine komplette Infrastruktur entwickelt und gebaut wurde. Die Anforderungen an diese Infrastrukturen sind sehr ähnlich: dazu zählt eine regulierte Seite 2 / 7

3 Stromversorgung, Datenverarbeitung an Bord, Steuerung und Regelung sowie Echtzeitkommunikation und die Schnittstellen zu den REXUS-Systemen auf der Rakete und am Boden. Das Hauptziel des CERESS-Projekts ist die Entwicklung einer Standardplattform, welche die wichtigsten Funktionen bietet und es zukünftigen Teams an der TUM ermöglicht, sich intensiver auf ihre wissenschaftlichen Experimente zu konzentrieren. Die verwendete Hardware, wie Sensoren, kann bei zukünftigen Experimenten direkt und vollständig eingesetzt werden, sobald sie auf dem ersten Flug verifiziert wurde. Nach dem Auslesen der an Bord gespeicherten Daten werden sie, gemeinsam mit den Telemetriedaten von CERESS und dem REXUS-Servicesystem, in einem Datenpaket zusammengefasst und zur Analyse und weiterführenden Forschung an andere Teams und Organisationen weitergegeben. Das Weltraum- und das Bodensegment Zusätzlich zu Beschleunigung, Drehrate, Temperatur und den Drucksensoren dokumentiert eine Kamera den Verlauf des Experiments. Die Bodenstation überwacht das Experiment während der gesamten Mission. Es ist möglich, das Experiment fernzusteuern sowie sensor- oder zeitgesteuerte Aufgaben zu erteilen. Mit einem Visualisierungs-Tool wird die Flugbahn der Rakete in einer 3-D-Simulation sowie als Replay nach dem Flug gezeigt. Es handelt sich dabei um eine häufig angefragte Zusatzfunktion, mit der das CERESS-Projekt der Öffentlichkeit Zugang zur Faszination der REXUS-Experimente mit Höhenforschungsraketen gewährt. CERESS besteht aus zwei Teilen: dem Weltraumsegment und dem Bodensegment. An Bord des Weltraumsegments stellt ein Verifikationsmodul repräsentativ ein zukünftiges Experiment dar, welches verschiedene Sensoren zur Erfassung der Umgebungsbedingungen beinhalten. Das ebenfalls integrierte Raketenmodul bietet viele Funktionen, die künftigen Teams nützlich sein werden. Auf der Erde liefert die Bodenstation alle Informationen zu Weltraum- und Bodensegment. Daten sammeln und auf SD-Karte speichern Den Kern des Raketenmoduls bildet ein NI-sbRIO 9642 mit einem angeschlossenen SD-Wechselspeichermodul (NI-9802) für die Datenspeicherung. Das implementierte Programm übernimmt alle Initialisierungen, bietet Telemetrie (Datenübertragung vom Raketenmodul zum Boden), Telecommand (Anweisungen vom Boden an das Raketenmodul), kümmert sich um zeitabhängige (bezogen auf das Abheben der Rakete) Vorgänge, Aufgaben der Datenspeicherung sowie Vorgänge die Zustandsübergänge betreffen. Zusätzlich lassen sich definierte Vorgänge auslösen, wenn ein bestimmter Messwert erreicht oder ein entsprechender Befehl ausgelöst wird. Seite 3 / 7

4 Die gesamte Sensorerfassung wird FPGA-basiert durchgeführt, wie zum Beispiel die analoge Erfassung von Temperatur, Spannung und Strom. Ein integriertes SPI- Bussystem wird für unterschiedliche digitale Sensoren verwendet und kann Interrupt- Signale detektieren, puffern und in richtiger Reihenfolge abarbeiten. Daher ist nur ein SPI-Bussystem notwendig, um die Daten von mehreren Sensoren mit individuellen Erfassungsraten zu erfassen. So werden Platz und Kompilierungszeit gespart. Einzelne Digitalausgänge wurden direkt eingesetzt, um eine Kamera zu steuern, die eine spektakuläre Videoaufnahme des Flugs aufzeichnet. Wie die Software der Bodenstation aufgebaut ist Unterschiedliche Datenraten können zu Problemen bei der Datenspeicherung führen. Ohne genaue Kenntnisse darüber, wann welche Information an eine Binärdatei gesendet wird, ist die Datenauswertung vollkommen unmöglich. Um solche Fälle zu vermeiden wurde ein spezielles Protokoll eingerichtet. Es definiert, welche Informationen in den folgenden Bits, auch Paket genannt, gespeichert sind. So können zusätzliche Informationen einfach gespeichert werden, indem ein neues Paket definiert wird. Zusätzlich kann die volle Speichergeschwindigkeit von 2 MBit/s des SD- Standards dank der Implementierung auf dem FPGA und der Verwendung einer SD- Karte von NI, für den industriellen Einsatz, genutzt werden. Neben dem Weltraumsegment ist das Bodensegment ein notwendiger Bestandteil jeder Weltraummission. Es überwacht und steuert das Raketen- und Verifizierungsmodul und somit zukünftiger Experimente. Das Bodensegment ist als Client/Server-Architektur entworfen und basiert auf einer MySQL-Datenbank, welche mehreren PCs im Science Center die Verbreitung von Telemetrie-/Telecommand- Daten über das lokale Netzwerk ermöglicht. LabVIEW bietet bereits zahlreiche Möglichkeiten der Datenverteilung unter mehreren Computern. Allerdings wird eine unabhängige MySQL-Datenbank verwendet, um künftig denjenigen Clients Zugang zu den Daten zu gewähren, die kein LabVIEW verwenden. Das Backend des Bodensegments ist vollständig in die Programmierumgebung LabVIEW integriert, verarbeitet die Telemetrie/Telecommands des Experiments sowie Flugdaten der Rakete und speist diese in die Datenbank ein. Alle Daten werden von mehreren Clients auf mehreren Computern genutzt, um wissenschaftliche Daten als auch Systemzustände während des Flugs anzuzeigen. Die Clients der CERESS-Mission sind ebenfalls vollständig in LabVIEW implementiert. Visualisierter Flug live im Internet Wie alle Clients ruft die Flugvisualisierung (ViTo) notwendige Informationen von der Seite 4 / 7

5 Datenbank ab, verarbeitet diese, um Input für Google Earth Clients zu schaffen und leitet diese via FTP-Upload an einen Webserver weiter. So lässt sich im Internet der Flug visualisieren. Über ein eingebettetes Web-Plugin von Google Earth und einem Live-Video-Stream des REXUS Science Centers, wo sich die Kontrollkonsolen der Experimente während des Fluges befinden, konnte jeder den Flug live miterleben. Ergänzt wurde das ganze durch ein Twitter-Plugin. Alle Subsysteme wurden beim Flug an Bord der Höhenforschungsrakete REXUS 13 am Donnerstag, den 9. Mai 2013 auf dem Forschungsgeläde ESRANGE in Nordschweden, 200 km jenseits des nördlichen Polarkreises, getestet. Der Flug der Forschungsrakete war ein Erfolg: die verwendete Hardware von National Instruments spielte zu 100% mit und das gesamte Projekt war zu 85% erfolgreich. Alle Sensoren arbeiteten bis kurz nach dem Start korrekt, als ein bisher nicht vollständig geklärter Fehler in der Stromversorgung auftrat. Infolge dessen ging der Strom für alle 5-Volt-Sensoren und die Kamera verloren. Während des Starts herrschen generell schwierige Bedingungen, wie etwa das 20fache der Erdbeschleunigung und starke Vibrationen der Trägerrakete. Alle anderen Komponenten blieben voll funktionsfähig. Trotz dieser Umstände gelang es sehr gute Sensordaten von den verbliebenen Beschleunigungsmessern und Gyroskopen zu erhalten und das mit hohen Abtastraten von über 1000 Hz bei den Beschleunigungsmesser sowie 800 Hz bei dem Drehratenmesser. Die nächsten Schritte des CERESS-Systems Das Projekt war Teil der REXUS 13/14-Kampagne, das mit der DLR-Ausschreibung im Oktober 2011 begann und während des 21. ESA Symposium on European Rocket and Balloon Programmes and Related Research mit einer abschließenden Präsentation endete. Aufgrund der fehlenden LabVIEW-Erfahrung des Teams war eine steile Lernkurve unvermeidlich. Die Entwicklung und Testphase dauerte insgesamt 15 Monate. In dieser Zeit inbegriffen war die Auslegung und Fertigung der mechanischen und elektronischen Komponenten. Informationen und Kursmaterial weit über die LabVIEW Grundlagenkurse 1 und 2 hinaus, wurden umfangreich eingesetzt und stellten eine große Hilfe während des gesamten Entwicklungsprozesses dar. CERESS wird von nachfolgenden Teams der Technischen Universität München für deren Experimente an Bord von Höhenforschungsraketen der REXUS-Familie eingesetzt werden. Mit jedem Team sollen neue Funktionen und verwendete Sensoren die Fähigkeiten des aktuellen Systems erweitern. Ebenso wird die kleinere, und leistungsstärkere neue NI-RIO Generation zu einer Leistungssteigerung der integrierten Software führen. Seite 5 / 7

6 Copyright Vogel Business Media Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter Dieses PDF wurde Ihnen bereitgestellt von Seite 6 / 7

7 Vier Monitore stehen der Bodenstation zur Verfügung, um gewonnene Messdaten auszuwerten und darzustellen Seite 7 / 7