Schubvektorsteuerung · seit 2019 Übersicht

Raketen, die sich selbst steuern

Aktiv stabilisierte Modellraketen. Zweiachsige Schubvektorsteuerung, im eigenen Haus entwickelte Avionik und Hardware, die so lange überarbeitet wird, bis die Flugdaten bestätigen, dass sie funktioniert.

@erow_2019 folgen

Schubvektorsteuerung für kleine Feststoffraketen

Ein Feststoffmotor brennt bis zum Ende ab – unabhängig davon, ob die Rakete in die richtige Richtung zeigt. erow baut Raketen, die den Motor statt der Luftströmung lenken: ein zweiachsiges Gimbal, angesteuert von einem eigenentwickelten Flugrechner, der Sensorik, Regelung, Bergung und Funk auf einer einzigen Platine vereint.

Status: Qualifikation am Prüfstand. Ein Flug mit geschlossenem Regelkreis wurde bislang nicht durchgeführt; als Nächstes folgt der erste gelenkte Flugversuch.

Das Schubvektor-Gimbal mk10, CAD-Rendering

Die Bergungssektion mk7 in Explosionsdarstellung, CAD-Rendering

Erprobungsträger: EA-475-mm-Rumpf
Flugrechner: HRKULES V3RP2040
Gegründet: 2019unabhängig

1.0

Programm

erow gibt es seit 2019. Jede Rakete der Reihe schließt eine Problemklasse ab, bevor die nächste angegangen wird; die Subsysteme führen eigene Revisionsnummern, unabhängig vom Fahrzeug, in dem sie fliegen.

Schnittdarstellung der EA-4, waagerecht: Gimbal-Sektion, Avionikbucht, Bergungssektion und Nasenkonus — **Abb. 1.1** – Innenaufbau der EA-4, Schnittdarstellung · von hinten nach vorn: Gimbal-Sektion, Avionikbucht, Bergungssektion, Nasenkonus

Die EA-2 auf einer Kiesfläche: ein gelbes Rohr mit weißer Spitze und drei Leitwerksflächen — EA-2 auf der Startfläche

Eine ausgebrannte Triebwerkshülse im Gras neben einer verbrannten Stelle — EA-2, die Startstelle nach dem Abheben

EA-2 bei der Zündung, aus der Bordkamera gesehen

Die EA-4-Erprobungszelle vor weißem Hintergrund: ein Pappröhrenrumpf mit gedruckten Endstücken — EA-4-Erprobungszelle

Fahrzeugserie
Fahrzeug	Zeitraum	Konfiguration	Ergebnis
EA-2	2020	Ungelenkt, drei Flossen, Feststoffmotor	Flugserie mit Bordkamera; Zündung, Startablauf und Bergung per Ausstoßladung
EA-3	2021	Erste gesteuerte Rakete	Erstes Gimbal samt Lenkeinheit; eigene Fallschirm-Bergungssektion
EA-4	2022 →	75 mm, kardanisch gelagerter Motor, HRKULES-Avionik	Aktueller Erprobungsträger – Gimbal mk10, Bergung mk7, Avionik V3

Revisionsstand der Subsysteme
Subsystem	Revisionen	Aktuelle Ausführung	Status
Schubvektorsteuerung	mk1 → mk10	75-mm-Gimbal, zwei Servos, Schubstangen	Prüfstandstest
Bergung	mk1 → mk7	Pyrotechnisch ausgelöster Kolbenausstoß	Prüfstandstest
Avionik – HRKULES	V1 → V3	RP2040, KiCad-Layout	Prüfstandstest
Bodenstation	–	433-MHz-Empfänger, 3D-gedrucktes Gehäuse	Fertiggestellt
Startrampe	v3	Funkanbindung an Ground Control	In Entwicklung

2.0

Systeme

Drei flugkritische Subsysteme: der Mechanismus, der den Schub ausrichtet, die Platine, die entscheidet, wohin, und der Mechanismus, der die Rakete unversehrt zurückbringt. Alle drei werden im eigenen Haus entwickelt, gebaut und getestet.

Das Schubvektor-Gimbal: gedruckte Halterung, zwei Servos und Schubstangen

2.1

Schubvektorsteuerung

Ein zweiachsiges Motor-Gimbal, von zwei Servos bewegt, richtet den Schub eines Feststoffmotors. Jede Achse hat einen eigenen Regler, und er arbeitet nur, solange der Motor brennt.

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Die Avionikbucht: Platine auf Gewindestangen zwischen gedruckten Ringen

2.2

Avionik – HRKULES

Eine selbst entwickelte Platine für Sensorik, Regelung, Bergungsauslösung, Datenaufzeichnung und Funk, die nach einem festen 200-Hz-Takt arbeitet.

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2.3

Bergung

Eine Zündpille zündet eine kleine Ladung, die einen Kolben antreibt, und der Kolben schiebt Fallschirm und Nasenkonus aus dem Rumpf. Wann, entscheidet der Flugrechner anhand seiner Sensordaten.

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3.0

Architektur

Ein Durchlauf der festen 200-Hz-Schleife: IMU und Barometer auslesen, den Zustandsautomaten über einen Phasenwechsel entscheiden lassen, die Zustandsschätzung aktualisieren und im Antriebsflug beide PID-Achsen berechnen und die Servos ansteuern. Anschließend wird der Zyklus aufgezeichnet und das Telemetriepaket gesendet. Phasenwechsel richten sich nach dem, was die Sensoren melden.

Abb. 3.1 – HRKULES-Flugsoftware – Signalfluss, Regelkreis und Datenverarbeitung

01
Messung

Ein Inertialsensor und ein Barometer messen Beschleunigung, Drehung, Temperatur und Druck.
02
Navigation

Die Lage wird berechnet und ins Weltkoordinatensystem gedreht. Ein Kalman-Filter verschmilzt Barometer und Beschleunigungssensor zu Höhe und Vertikalgeschwindigkeit.
03
Führung und Regelung

Der Zustandsautomat entscheidet, in welcher Flugphase sich die Rakete befindet. Im Antriebsflug regelt jede Achse mit einem eigenen PID-Regler auf null Abweichung, und der Zustandsautomat gibt diesen Regelkreis frei und stoppt ihn.
04
Aktorik

Zwei Servos bewegen das Gimbal, wobei ihr Stellweg vor jedem Schreibvorgang in der Software begrenzt wird. Den Pyrokanal steuert allein der Zustandsautomat an.
05
Datenhaltung und der geschlossene Regelkreis

Jeder Zyklus wird im Flash protokolliert und als kompaktes Paket an die Bodenstation gesendet. Die Einstellungen kommen beim Start von der SD-Karte. Die Reaktion der Rakete wird in jedem Zyklus erneut gemessen: Der Regelkreis ist geschlossen.

4.0

Flugsoftware

Die Flugsoftware ist um einen Zustandsautomaten herum gebaut. Jeder Phasenwechsel wird aus den Sensordaten erkannt und entprellt, jede Phase hat ihre eigene Zeitsperre, und ein Reserve-Timer deckt die Auslösung ab. Jeder Übergang löst eigene Aktionen aus: Gimbal, Auslöseladung und Flugprotokoll werden jeweils im richtigen Moment bedient.

Auf der Rampe 0 m · T−1.0 s

Simulierter Flug aus der Software-in-the-Loop-Simulation von HRKULES. Kein echter Flug.

01
Auf der Rampe

Der Flugrechner liest seine Sensoren und wartet. Der Start wird erkannt, wenn die Beschleunigung vom Ruhewert abweicht und über mehrere aufeinanderfolgende Messwerte so bleibt.
02
Antriebsflug

Die Gimbal-Servos werden angesteuert, und beide Achsen werden in jedem Zyklus geregelt. Jeder Zyklus wird im Flash protokolliert.
03
Schubfreier Aufstieg

Brennschluss wird erkannt, wenn die Beschleunigung abfällt und niedrig bleibt, und nie bevor die erwartete Brennzeit verstrichen ist.
04
Gipfelpunkt und Abstieg

Der Gipfelpunkt wird erkannt, wenn Höhe oder Vertikalgeschwindigkeit zeigen, dass der Aufstieg vorbei ist, und nicht zu früh nach dem Start. Die Rakete fällt, während der Flugrechner auf die Auslösehöhe wartet.
05
Auslösung

Liegt die gefilterte Höhe unter der Auslösehöhe oder ist der Reserve-Timer abgelaufen, zündet der Flugrechner die Ladung auf dem Pyrokanal.
06
Unter dem Schirm

Der Ruck des sich öffnenden Schirms wird an der Beschleunigung erkannt, oder das Öffnen wird nach kurzer Zeit angenommen.
07
Gelandet

Die Landung wird erkannt, wenn die Vertikalgeschwindigkeit eine Weile nahe null bleibt, oder nach einem Gleitzeitlimit. Anschließend wird das Flugprotokoll vom Flash auf die SD-Karte kopiert.

Phasenwechsel: aus den Sensordaten erkannt, entprellt
Aktionen: ein Callback je Übergang
Fehlerbehandlung: je Subsystem erfasst, aktuell und gespeichert
Startfreigabe: ein ausgefallenes flugkritisches Subsystem hält die Rakete am Boden
Telemetrie: Phase und Fehlerstatus in jedem Paket

Hintergrund

Fehler werden zweifach erfasst: die aktuell anstehenden und alle, die seit dem Start aufgetreten sind. Ein Fehler, der nur zeitweise auftritt, bleibt in der aktuellen Anzeige unsichtbar – dafür gibt es die Speicherung. Fällt beim Start ein flugkritisches Subsystem aus, startet die Hauptschleife gar nicht erst und die Status-LED blinkt: Die Rakete bleibt am Boden, statt mit unzuverlässigen Daten zu fliegen.

Wie die Höhe geschätzt wird

5.0

Ground Control und Simulation

Die Software rund um die Rakete bekommt dieselbe Sorgfalt wie die Rakete selbst.

Ground Control nach einem simulierten Flug: Phasenleiste, Startpanel, Höhen- und Beschleunigungsdiagramme, Funkstrecke und Ereignisprotokoll

5.1

Ground Control und Simulation

Ein Ground-Control-Programm für den Starttag, ein Viewer, um einen Flug auseinanderzunehmen, und ein Flugsimulator, der den echten Flugcode fliegt.

Simulator live ausprobieren

6.0

Startbetrieb

Starts folgen einem schriftlichen Ablauf, der laut vorgelesen und Schritt für Schritt abgehakt wird: Vorbereitung, Sicherheit, Aufbau, Countdown, Bergung und Daten.

01Flight Readiness
02Pack & Prep
03Safety Briefing
04Ground Station Setup
05Pad Setup
06Rocket Prep
07Arming & Launch
08Abort & Misfire
09Bergung
10Data & Next Flight
11GCS Guide
12Quick Reference

Scharf und sicher

Rocket hot: Auslöseladung eingebaut und XT60 gesteckt
Rocket safe: XT60 gezogen
Pad hot: Zünder angeschlossen und Pad-Schlüssel auf EIN
Pad safe: Pad-Schlüssel auf AUS

Sechs Rollen: Startleiter, GCS-Bediener, Pad-Team, Beobachter, Bergung und Bauteam.

01
Vor dem Starttag

Flight Readiness etwa eine Woche vorher, früh genug, um Dinge zu beheben, und Pack & Prep am Abend davor.
02
Bei der Ankunft

Jemand liest allen die Sicherheitsbelehrung vor, bevor irgendetwas ausgepackt wird.
03
Aufbau, parallel

Bodenstation, Startrampe und Rakete werden gleichzeitig aufgebaut, am Laptop, an der Rampe und am Vorbereitungstisch. Jede Liste endet mit allem im sicheren Zustand.
04
Der Countdown

Der Startleiter liest Arming & Launch laut vor, Schritt für Schritt, und wartet auf jede Antwort. Läuft etwas anders, wechselt das Team zu Abort & Misfire.
05
Nach dem Flug

Nach der Landung folgen Recovery und Data & Next Flight. Die Anleitung für Ground Control und die Kurzübersicht liegen den ganzen Tag neben dem Laptop.