Ein Einblick in die Elektronik und Mechanik hinter HORACE

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1 Ein Einblick in die Elektronik und Mechanik hinter HORACE Seminar Avionic Devices Version: Document Id: Datum: Author: 1.0 Vorlage Wolz Florian

2 1. Einführung 2 / Einführung HORACE ist eine Abkürzung von Horizon Acquisition Experiment und ist ein studentisches Projekt mit dem Ziel, ein Erdhorizonterkennungssystem, welches im sichtbaren Spektralbereich arbeitet, zu entwickeln und anschließend mit einer Höhenforschungsrakete im Rahmen des REXUS Programmes zu testen. Inhaltsverzeichnis 1. Einführung Das REXUS / BEXUS Programm REXUS Rakete Gesamtüberblick über das System LX150T Board Kamera Measurement Unit Power distribution unit Mechanischer Aufbau Temperatur Abbildungsverzeichnis...11

3 2. Das REXUS / BEXUS Programm 3 / Das REXUS / BEXUS Programm Das REXUS Programm wird von der DLR und dem SNSB (engl.: swedish national space board) initiiert und richtet sich an Universitätsstudenten. REXUS steht für rocket experiments for university students und wird gleichzeitig mit dem BEXUS ( Balloon experiments for university students ) Programm alljährlich gestartet. Für die Teilnahme muss man sich innerhalb einer Frist bewerben. Sobald man ausgewählt wurde, müssen verschiedene Stufen bis zum Start erfolgreich durchlaufen werden, bei denen man von den Veranstaltern auf mögliche Fehler und Probleme hingewiesen wird. Die verschiedenen Stufen und Tests die erfolgreich zu absolvieren sind, entsprechen den Verfahren bei richtigen Weltraummissionen REXUS Rakete Bei den REXUS-Raketen handelt es sich bei dem Motor um einen Improved-ORION Motor (290kg), welcher von alten HAWK Flugabwehrsystemen des Militärs stammte. Abbildung 1: HAWK Die Rakete ist spin-stabilisiert und fliegt ungelenkt bis zu einer maximalen Höhe von 100km bei einem Startgewicht von 515kg. Abhängig von den jeweiligen Modulgrößen der Experimente beträgt die Länge 6m. Der Durchmesser beträgt 35,6cm. Der Start erfolgt nahezu senkrecht zum Erdboden in Esrange, Schweden. Esrange ist ein Raketen- und Ballonstartplatz in der Nähe von Kiruna. Der Flug dauert 7-10 Minuten. Der freie Fall wird durch einen Fallschirm gebremst und die Bergung findet per Helikopter statt. Abbildung 2: REXUS

4 3. Gesamtüberblick über das System 4 / Gesamtüberblick über das System In der REXUS Rakete werden zwei identische HORACE Systeme zum Einsatz kommen. Ein System besteht aus folgenden Komponenten: -LX150T Core-System Entwicklungboard mit einem Spartan 6 FPGA -MU Measurement unit zum Messen der Temperatur und des Stromverbrauchs -PDU Power distribution unit zum Herstellen der Versorgungsspannung -Kamera mvbluecougar-x Abbildung 3: HORACE Blockdiagramm

5 3. Gesamtüberblick über das System 5 / LX150T Board Das LX150T ist ein leistungsfähiges Board für die Echtzeitbildverarbeitung und bietet einen leistungsstarken Spartan 6 FPGA. Zusätzlich befinden sich noch folgende Schnittstellen und Komponenten auf dem Board: 2*RS-232, SATA, SD-Kartenslot, RTC (real time clock) Modul sowie eine GigE Ethernet Schnittstelle. Einer der seriellen Anschlüsse ist für die Kommunikation mit dem REXUS Service Modul der Rakete, sowie für den Up- und Downlink zuständig. Da der REXUS Systembus allerdings die Daten über RS-422 schickt und empfängt, müssen diese mit einer kleinen Schaltung und einem kleinen Transceiver Chip (MAX486) umgewandelt werden, damit sie vom Board mit der RS-232 Schnittstelle gelesen werden können. Abbildung 4: RS-422 bzw. RS-232 Konverter Der andere serielle Anschluss wird benötigt, um weitere Signale vom REXUS Service Modul zu empfangen und zu verarbeiten. Das wichtigste Signal ist hierbei das Lift-off Signal mit welchem das System seine Arbeit aufnehmen soll. Es gibt aber auch noch das SODS Start of data storage und SOE Start/stop of experiment Signal. Die SATA-Schnittstelle ist nötig, um die aufgenommenen Bilder auf einer SSDFestplatte zu speichern. Weitere Daten zur Berechnung des Erdhorizonts werden mit dem Downlink zur Bodenstation geschickt und gleichzeitig noch als Backup auf einer SD-Karte gespeichert. Die Bilder können aufgrund der limitierten Bandbreite des Downlinks nicht über Funk übermittelt werden. Das RTC-Modul bewerkstelligt eine für das komplette System gleiche Zeit. Das Zeitsignal wird auch an die Measurement Unit übergeben. Der GigE-Ethernet Port wird für die Kamera benötigt. Da es sich um eine Industriekamera handelt, werden die Daten via Ethernet aufgrund der hohen Bandbreite an das LX150T übermittelt.

6 3. Gesamtüberblick über das System 6 / Kamera Die mvbluecougar-x Kamera ist eine industrielle CMOS Kamera, welche für HORACE mit einer Auflösung von 1360 x 1024 bei 30 fps. Die Kamera benötigt dabei eine Leistung von 5 Watt. Die Bilddaten werden als Rohdaten über die GigE-Vision Schnittstelle ausgegeben. Dies ist ein Standard, der für die Bilddatenübertragung von Kameras aufrund der hohen Bandbreite von Ethernet basiert Measurement Unit Die Measurement Unit besteht aus einem Arduino Uno R3 mit einem microsdshield. Der Arduino besteht im wesentlichen aus einem Atmega328 Microcontroller. Abbildung 5: RTC-Modul mit SD-Karten Shield, darunter Arduino UNO Abbildung 6: Arduino UNO mit SD-Shield und RTC-Modul verbunden

7 3. Gesamtüberblick über das System 7 / 12 Dieser wird mit dem RTC-Modul des LX150T Boards verbunden sowie mit zwei Temperatur- und zwei Stromsensoren sowie einer MicroSD-Karte. Des Weiteren wird der Arduino auch mit den REXUS Service Module Signalen Lift-Off, SODS und SOE verbunden. Damit diese Signale sowohl am LX150T, als auch am Arduino zeitgleich ankommen, wird eine Optokoppler Schaltung benötigt. Abbildung 7: Optokoppler Schaltung Bei den Temperatursensoren handelt es sich um die digitalen DS18B20 Sensoren von Maxim Integrated. Diese digitalen Sensoren übertragen die Messdaten über den so genannten One-Wire Bus. Dies ist ein serieller Bus, welcher es ermöglicht bis zu 100 verschiedene Sensoren daran anschließen zu können. Allerdings ist dabei das Hauptsystem alleiniger Master. Bei den Stromsensoren werden ACS712 5A Sensoren von Alegro MicroSystems verwendet. Diese Sensoren messen an der Stelle zwischen dem DC/DC Konverter und dem LX150T Board.

8 3. Gesamtüberblick über das System 8 / Power distribution unit Bei der PDU werden µmodule von Linear Technology benutzt. Die LTM8033 DC/DC Module sind step-down Konverter und sehr effizient. Des Weiteren werden nur sehr wenig zusätzliche Bauteile benötigt um die Betriebsspannung für die unterschiedlichen Komponenten zu erreichen. Es müssen hierbei zwei DC/DC Konverter parallel geschalten werden. Abbildung 8: LTM8033 Schaltung (Output: 12V) 4. Mechanischer Aufbau Das Modul, in welches HORACE verbaut werden soll ist 12cm hoch und hat einen Durchmesser von 35cm. Jedoch muss von der Höhe noch 3cm abgezogen werden, da das Modul auch noch mit dem Rest der Rakete verschraubt werden muss. Somit bleiben nur 9cm Höhe übrig. Des Weiteren ist darauf zu achten, dass Kabelkanäle des REXUS Service Modul das HORACE Modul kreuzen. Die folgenden Bilder sollen den Aufbau als CAD Zeichnung (Objektive der Kameras sind nicht sichtbar) darstellen. Die grünen Platinen sind die beiden LX150T Boards, der blaue Quader ist die MU, das orangene entspricht der PDU und die beiden gelben Quader sind die SSD Festplatten.

9 4. Mechanischer Aufbau 9 / 12 Abbildung 9: HORACE Modul

10 4. Mechanischer Aufbau 10 / 12 Abbildung 10: HORACE - Frontansicht ohne Modulring Abbildung 11: HORACE - Seitenansicht ohne Modulring

11 4. Mechanischer Aufbau 11 / Temperatur Da die Temperaturen in Kiruna bis zu -50 C betragen können und die Rakete im ungünstigsten Fall bis zum Start einige Stunden bei diesen Temperaturen überdauern muss, muss das HORACE System mit extremer Kälte und Wärme zurecht kommen. Beim Wiedereintritt in die Atmosphäre können Temperaturen von bis zu 200 C an der Außenhaut der Rakete auftreten. Da die Objektive der Kameras direkt und ohne zusätzlichen Schutz durch den Modulring nach außen schauen, müssen diese solche Temperaturen aushalten. Des Weiteren sollten die Objektive möglichst keine heißen Gase nach innen durchlassen und sollten somit dicht mit der Außenhaut abschließen. Natürlich muss ein Druckaustausch im Objektiv selber vorhanden sein, damit durch das Vakuum das Objektiv nicht zerstört wird. Die Kälte vor dem Start in Kiruna kann mit so genannten chemischen Taschenwärmern überbrückt werden. Des Weiteren muss die Wärmeentwicklung innerhalb des Moduls durch die FPGA's beachtet werden. FPGA's werden bei einer großen Rechenleistung sehr warm. Diese Wärme muss abgeführt werden. Hierzu werden Aluminiumkühlkörper verwendet welche eine möglichst große Oberfläche aufweisen und gleichzeitig noch mit dem Modul verbunden sind. Da Luft als alleiniger Kühler im Vakuum nicht existiert, müssen die Kühlkörper dementsprechend größer gebaut werden. 5. Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: HAWK Flugkörper: Abbildung 2: REXUS Rakete: Abbildung 3,4,5,7,9, 10, 11: HORACE (own work) Abbildung 8: LTM8033 Schaltung (Output: 12V):

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