Auslegung und Entwicklung der Improved Malemute Forschungsrakete

Die Moglichkeit fur die Mobile Raketenbasis (MORABA) des DLR, ausgemusterte PATRIOT PAC-2 Raketenmotoren fur wissenschaftliche Zwecke zu nutzen, bildet den Ausgangspunkt dieser Diplomarbeit. In ziviler Verwendung als Forschungsrakete tragt der Feststoffmotor den Namen Improved Malemute. Mittelfristige Ziele der MORABA sind der Ersatz des auslaufenden Tragersystems Nike-Improved Orion durch die zweistufige Konfiguration Improved Malemute-Improved Orion und die Einsatzfahigkeit einer einstufigen Improved Malemute. In dieser Arbeit enthaltene wichtige Entwicklungsschritte umfassen die aerodynamische Auslegung, die Bestimmung der Flugleistung sowie der maximal zu erwartenden Fluglasten, die konstruktive Gestaltung der Motoranbindung, deren Festigkeitsnachweis und eine FEM-Analyse der Finnen. Die aerodynamischen Berechnungen erfolgen mit Missile Datcom, Flugbahnsimulationen mit dem DLR eigenen 6-D Programm ROSI. Randbedingungen fur die flugmechanische Auslegung der Tragersysteme sind ein Stabilitatsmas von 1,5 Kaliber, ein Anstellwinkel von 4° und eine minimale Startelevation von 80°. Ausgehend vom Schubprofil der Improved Malemute werden die physikalischen Eigenschaften des Motors abgeleitet und bilden, zusammen mit den physikalischen Eigenschaften des Gesamtvehikels und den aerodynamischen Grosen, die Grundlage fur alle weiteren flugmechanischen Analysen. Eine sinnvolle aerodynamische Auslegung gewahrleistet Flugstabilitat fur realistische Nutzlastvariationen bei moglichst geringem Widerstand. Es wird gezeigt, dass hierfur – sowohl in der einstufigen als auch in der zweistufigen Konfiguration – die Nutzung der vorhandenen Improved Orion Finnen moglich ist. Zur Widerstandsminimierung wird, trotz des negativen Einflusses auf das Stabilitatsmas, eine sich verjungende Dusenverkleidung gewahlt. Eine Flugleistungsanalyse demonstriert die Leistungsfahigkeit der beiden Tragersysteme: Bei einer maximalen Flughohe von 150 km fur eine 100 kg schwere Nutzlast sind bereits auf der einstufigen Variante Experimente in Schwerelosigkeit umsetzbar. In der zweistufigen Konfiguration mit einem Improved Orion Motor als Oberstufe ist eine Apogaumshohe von 280 km bei einer Nutzlast von 135 kg moglich, was einer Zeit in Schwerelosigkeit von 6,5 min entspricht. Die einstufige Variante erschliest einen Leistungsbereich, der bisher von der MORABA nicht abgedeckt wurde und bietet somit eine sinnvolle Erweiterung des Raketenportfolios. Im Vergleich zu der Nike-Improved Orion, welche 110 kg Nutzlast auf eine Flughohe von maximal 200 km befordert, bietet die zweistufige Variante wesentlich bessere Flugleistungen. In einem Iterationszyklus werden die maximal zu erwartenden Fluglasten bestimmt, welche als Designmasstab fur die konstruktive Gestaltung der Motoranbindung und den Festigkeitsnachweis dienen. Unter den Kriterien Festigkeit, Montierbarkeit, Kosten, Gewicht und Standardisierung fallt die Designentscheidung auf einen Verbindungsring aus Stahl mit einer standardisierten RADAX-Verschraubung. Wohingegen die Festigkeit der Motoranbindung analytisch mit einem Sicherheitsfaktor von 1,5 nachgewiesen wird, ergibt die FEM-Analyse des Fins eine zu geringe Festigkeit im hinteren Bereich der Krafteinleitung in den Finschuh. Es werden Losungsansatze zur Strukturoptimierung prasentiert, welche einer Einschrankung des zulassigen Anstellwinkels vorzuziehen sind.