Spaceport America (SA) Cup Studenten treten mit Raketentechnik gegeneinander an

Junge Raketen-Tüftler dürfen ihr Können bei einem Ingenieurs-Wettbewerb unter Beweis stellen.
Junge Raketen-Tüftler dürfen ihr Können bei einem Ingenieurs-Wettbewerb unter Beweis stellen.

Uni kann mehr als nur Vorlesungen: In New Mexico findet Ende Juni der Ingenieurs-Wettbewerb Spaceport America Cup statt, bei dem Studenten ihre Raketen-Technik unter Beweis stellen dürfen. Sie haben dabei nur einen einzigen Start-Versuch.

In der Hochschulausbildung zählen heutzutage die Entwicklung von Problemlösungsfähigkeiten sowie das Erleben der Teamdynamik aus erster Hand zu den immer wichtiger werdenden Anforderungen. Das bedeutet, dass die Studierenden nach ihrem Abschluss viel besser für das Arbeitsumfeld gerüstet sind. Projektbasierte Ingenieurwettbewerbe machen das Lernen nicht nur spannender, sondern fördern genau die in der Arbeitswelt gefragten Soft Skills.

100 Teams aus aller Welt treten mit ihren Raketen gegeneinander an

Waterloo Rocketry ist ein Raketenentwickler-Team aus Bachelor-Studenten der University of Waterloo (Ontario, Kanada), die versuchen, die Leistungsgrenzen immer weiter zu verschieben. Ausgehend von einem breiten Spektrum unterschiedlicher Disziplinen (von Mechatronik, Maschinenbau, Elektrotechnik, Elektronik und Chemie bis hin zu Nanotechnologie und Informatik) nimmt das Team seit zehn Jahren am Spaceport America (SA) Cup teil. Im Rahmen des jährlichen Wettbewerbs, der in der Wüste von Süd-New-Mexico stattfindet, entwickeln, bauen, starten und bergen akademische Teams hochmoderne Raketen. Es nehmen weit über 100 Teams aus einer Vielzahl von Nationen teil, wobei sich im Laufe der Jahre leidenschaftliche und anhaltende Rivalitäten aufgebaut haben.

Waterloo Rocketry hat in den letzten Jahren mehrere Preise beim SA Cup gewonnen. Im Jahr 2017 belegte ihre VIDAR III-Rakete den ersten Platz im 10.000-Fuß-Hybridwettbewerb. Dabei sollten die antretenden Raketen über eine Feststoff-Energiequelle und ein flüssiges Oxidationsmittel verfügen. Das Team wurde mit dem Technical Excellence Award ausgezeichnet. Mithilfe ihrer UXO-Rakete gelang es, den 10.000-Fuß-Hybrid-Titel im darauffolgenden Jahr erneut zu gewinnen: Sie erreichte eine Zielhöhe von 13.000 Fuß.    

Höher, schneller, weiter!

Angesichts der diesjährigen, demnächst bevorstehenden Veranstaltung laufen die letzten Vorbereitungen für das jüngste Projekt des Teams auf Hochtouren. Ziel der neuen Rakete ist es, eine Höhe von 30.000 Fuß zu erreichen. Das ist fast das Dreifache dessen, was sie mit früheren Raketen erreicht haben und ungefähr die Reiseflughöhe von Düsenflugzeugen. Damit die 5,2 m hohe Hybridrakete solche Höhen erreichen konnte, musste das 30-köpfige Team fast jeden Aspekt des Designs, das sie in ihren vorherigen Raketen eingesetzt hatte, auf neue Weise umsetzen.

Da die Höhe so viel größer ist, müssen sowohl Zelle als auch Nutzlast, Antrieb und Aerodynamik deutlich verbessert werden. Es wird mehr Platz für das Oxidationsmittel und die Brennstofflagerung sowie für den Fallschirm benötigt. Der ist wesentlich größer als der des Vorjahres, um eine sichere Rückkehr aus einer derartigen Flughöhe zu gewährleisten. Alle Komponenten der Rakete müssen dennoch sehr kompakt sein, um Platz zu sparen. Außerdem müssen sie so leicht wie möglich sein, um der Rakete mit ihren begrenzten Treibstoffreserven eine maximale Reichweite zu sichern. Gleichzeitig muss eine höhere Robustheit unterstützt werden, damit die Rakete den Belastungen gewachsen ist, denen sie ausgesetzt wird.

Komponenten müssen Schockbelastungen aushalten

Mit diesem Projekt wollte das Team in der Lage sein, all die verschiedenen elektrischen Bordsysteme der Rakete zu vernetzen, die für den Antrieb und die Überwachung der wichtigsten Parameter während des Fluges verantwortlich sind. Um dies zu erreichen, brauchten sie unter anderem Steckverbinder, die widerstandsfähig sind, um die Startbeschleunigung zu überstehen und dennoch schnell und einfach mit nur wenigen Werkzeugen zu montieren sind. Denn ein Großteil der Montagearbeiten kurz vor dem Start in der Wüste muss von Hand durchgeführt werden. Aufgrund der beengten Platzverhältnisse mussten sie sich von den großen 5-mm-Raster-Anschlussklemmleisten mit Zwischenwänden früherer Raketen lösen, da diese für das neue Design zu sperrig waren.

Die Elektroingenieure nutzen Harwin's Datamate J-Tek-Familie im Raster von 2 mm, da diese Steckverbinder sowohl Strom als auch Daten übertragen können und gleichzeitig geeignet sind, Vibrationskräfte von 10 G über einen Zeitraum von sechs Stunden sowie extreme Temperaturen von -55 °C bis zu 125 °C auszuhalten. Die aus einer Beryllium-Kupfer-Legierung und in einem proprietären einteiligen 4-Finger-Design hergestellten, in die Steckverbinder eingebetteten Kontakte können schweren Schockbelastungen ausgesetzt werden. Außerdem kann jeder Kontakt Ströme bis zu 3,3 A zu leiten und die neuen T-Kontakt-Versionen können bis zu 8,5 A tragen.

Insgesamt sieben Datamate J-Tek-Einheiten wurden direkt in die Raketenentwicklung zur Verbindung von bis zu sechs separaten elektrischen Subsystemen an Bord. Dabei handelt es sich um das Funkkommunikations-Subsystem, die Sensoreinheit, die Hardware zur Datenerfassung (zur Diagnose), einen GPS-Empfänger (zur Unterstützung bei der Bergung der Rakete) sowie die beiden Ventilsteuerungs-Subsysteme. »Um die neue Höhe zu errreichen müssen wir das grundlegende Entwicklungskonzept viel kleinformatiger umsetzen. Alle Komponenten müssen die volumetrischen Beschränkungen einhalten, mit denen wir es zu tun haben und dürfen das Gesamtgewicht der Rakete trotzdem nicht erhöhen, da dies zu einer Verringerung der Reichweite führen würde«, erklärt Aaron Morrison, Projektkoordinator bei Waterloo Rocketry. »Außerdem müssen sie robust genug sein, um die beim Start auftretenden Vibrationen und Beschleunigungen zu überstehen.«

Die Austragung 2019 des SA-Cup findet vom 18. bis 22. Juni statt; das Team ist nun dabei, die Tests abzuschließen und letzte Anpassungen zur Vorbereitung auf den Wettbewerb vorzunehmen.