Konzeptbeschreibung
FallCan I ist eines der Experimente, die an KSat’s CanSat-Challenge 2017/18 teilnehmen. Der CanSat hat die Abmaße einer 330ml Dose und soll ohne die Verwendung eines Fallschirms möglichst sanft auf dem Boden aufkommen, nachdem er aus etwa 300m Höhe abgeworfen wurde.
Der Mechanismus, mit dem der FallCan I abgebremst werden soll, orientiert sich an dem Prinzip des Ahornsamens. Nachdem er von einer Drohne oder einer Rakete abgeworfen wurde, fährt er sechs Arme aus. Zwischen jeweils zwei dieser Arme ist Plastikfolie gespannt, wodurch insgesamt drei angestellte Flächen erzeugt werden. Diese bremsen den CanSat erheblich ab und erzeugen außerdem eine Rotation um seine eigene Achse, welche ihn im Fall erheblich stabilisiert.
Die Arme liegen im eingeklappten Zustand an dem CanSat an, bis die unten um dessen Außenhülle gespannte Schnur gelöst wird. Sie werden von Gummibändern an ihrem oberen Ende unter Spannung gehalten, sodass sie sobald sie freigelassen werden sofort ausfahren und den Fall des CanSats abbremsen. Sobald der Mikro-Computer an Bord des FallCan I das Signal gibt, wird die Schnur von einer Glühkerze durchgebrannt und die Arme schnellen in ihre ausgeklappte Position.
Während des Fluges werden Höhen- und Beschleunigungsdaten für die Analyse nach der Landung gesammelt. Die dafür notwendige Elektronik besteht aus einem Arduino-Mikrocontroller, einem Luftdrucksensor für die Höhenmessung, einem Beschleunigungssensor, einem SD-Kartenmodul, einer Glühkerze und zwei Lithium-Polymer-Akkus.
Bau und Tests
Nachdem Das CAD-Modell bereits mitte April fertiggestellt war, wurde ein erster Prototyp des CanSats auf einem Heim-3D-Drucker erstellt. Mithilfe dieses Prototypen wurde der Ausklappmechanismus erfolgreich getestet, sowohl manuell, als auch gesteuert von der Elektronik. Außerdem wurden mehrere Falltests durchgeführt, bei denen sich die erwartete Flugstabilität bestätigte und auch der Ausklappmechanismus im freien Fall reibungsfrei funktionierte.
Ende Mai wurde dann das finale Modell, gedruckt von dem professionellen 3D-Druckunternehmen Jomatik, fertiggestellt. Nach dem Zusammenbau der Teile wurden wieder zahlreiche Tests durchgeführt, um sicherzustellen, dass die Arme zuverlässig ausklappen. Zuletzt wurde das gesamte System getestet, indem wir mit dem FallCan in einem Fahrstuhl einige Stockwerke abwärts fuhren. Durch die Abwärtsbewegung misst der Luftdrucksensor eine Abnahme der Höhe, woraufhin der Bordcomputer die Glühkerze aktiviert und die Arme ausfährt. Mit dem Erfolg all dieser Tests sind wir nun zuversichtlich, dass unser CanSat auch bei seinem echten Flug funktionieren wird.
Am 16. Mai durften wir dann unsere Fortschritte und unser fertiges Modell beim Flight Acceptance Review (FAR) erfahrenen Mitgliedern des Ksat-Teams und Experten des Instituts für Raumfahrtsysteme vorstellen. Nach der Präsentation und einem detaillierten Kolloquium wurde der FallCan dann offiziell zum Flug freigegeben. Nach diesem wichtigen Termin warten wir nun gespannt auf den Starttermin in den nächsten Monaten.
1. Flug
Am 28. August 2018 fand der erste Start der CanSat Challenge 2017/18 statt. Der FallCan wurde von einer Drohne auf ca. 340m Höhe gebracht und abgeworfen. Die große Frage war, ob er seine Rotorfolien erfolgreich ausfahren würde. Wie der Start verlief kann man in diesem Video sehen:
Direkt nach dem Abwurf fuhr der CanSat seine Folien aus und begann zu rotieren. Wie geplant bremsten die Folien ihn ab und es dauerte ganze 38s bis er den Boden erreichte. Nach der Landung konnten wir ihn einsammeln und waren sehr glücklich zu sehen, dass er absolut keinen Schaden genommen hatte. Anschließen konnten wir die SD-Karte entfernen und die Flugdaten untersuchen. Als einziges Team war es uns dabei gelungen den gesamten Flug, inklusive des Aufpralls aufzuzeichnen. Der Flug war für uns also ein großer Erfolg. Hier sind jetzt einige der Messdaten und die Schlüsse, die wir daraus ziehen konnten:
An den Höhendaten (blau) kann man erkennen, dass der CanSat nur wenige Sekunden nach dem Abwurf eine stabile Endgeschwindigkeit erreicht. Aus der Steigung des Graphen lässt sich bestimmen, dass diese 8,9 m/s betrug. Aus den Beschleunigungsdaten der Fallphase lässt sich außerdem ablesen, dass der FallCan sich 13,6 mal in der Sekunde um sich selbst drehte. Beim Aufprall haben wir einen Schock von 109,2 g gemessen. Das ist relativ viel, allerdings wirkte die Last für weniger als 6 Millisekunden. Wir können den Wert leider auch nicht mit den anderen Teams vergleichen, da keins von ihnen Daten vom Aufprall aufzeichnen konnte.
Als nächstes können wir uns den Abwurf des CanSats und den Drohnenstart anschauen: (Bilder anklicken, um sie zu vergrößern)
In den Beschleunigungsdaten vom Abwurf kann man deutlich erkennen, wie sich der CanSat von der Drohne löst und die Folien hintereinander ausfahren. Damit kommen wir aber auch schon zum einzigen Punkt, der bei diesem Flug nicht wie geplant lief. Die Folien sollten eigentlich erst ein Stück nach dem Abwurf ausfahren. Die Elektronik löste sie allerdings schon aus, während der CanSat noch an der Drohne hing. Die Abwurfhalterung konnte sie aber festhalten, weshalb das am Ende keinerlei Probleme verursachte. Den Grund für das zeitige Ausfahren kann man in den Daten vom Drohnenstart erkennen. Der FallCan löst die Folien aus, wenn die gemessene Höhe um mehr als 10 m unter dem bisherigen Maximum liegt. Beim etwas holprigen Start der Drohne waren die Druckschwankungen aber so groß, dass das schon dort passierte und nicht erst nach dem Abwurf. In dem zweiten Diagramm kann man auch erkennen, dass genau in dem Moment, wo die Differenz von 10 m erreicht wird, ein kurzer Schock von 12g in den Beschleunigungsdaten auftaucht. Deshalb sind wir uns sicher, dass genau dort die Auslösung erfolgte. Um das Problem beim nächsten Start zu vermeiden, werden wir einfach eine höhere Differenz von 40-50 m einstellen. Wie dieser Flug gezeigt hat ist dann immer noch mehr als genug Zeit zum abbremsen.
Insgesamt war der Flug ein voller Erfolg für uns. Wir konnten zeigen, dass man mit dem Prinzip der Autorotation effektiv abbremsen kann und der FallCan einen Fall aus großer Höhe mit diesem System völlig unbeschadet übersteht. Wir freuen uns auf unseren nächsten Start mit einer Rakete der studentischen Raketengruppe HyEnd.
