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SHEFEX – Sharp Edge Flight Experiment

Start der SHEFEX-I Mission

Ziele von SHEFEX-I sind die Überprüfung neuer facettierter Thermalschutzsystemkonzepte auf Basis ebener Paneele zur Kosteneinsparung und die sensorische Erfassung umfangreicher Flugmessdaten, die zur Bestätigung der aerodynamischen Eigenschaften scharfkantiger Konfigurationen und zur Validierung von Auslegungstools dienen sollen. Aus den Erfahrungen bei der Entwicklung von Thermalschutzsystemen konnte die Vorgabe gekrümmter Außenkonturen mit hoher Genauigkeit als ein wesentlicher Kostenfaktor identifiziert werden. Große, gekrümmte faserkeramische Strukturen benötigen aufwändige Fertigungshilfsmittel und für jedes Einzelbauteil entsprechende Hilfsformen und optimierte Herstellverfahren. Ein mögliches Einsparpotential stellt daher die Vereinfachung der Außenkontur durch Auflösung in möglichst wenige, ebene Oberflächen dar. Grundsätzlich lassen sich plattenförmige Paneele aus einer Grundform herstellen und durch einfaches Beschneiden anpassen. Dies führt auch zu deutlichen Einsparungen bei der Wartung und dem Austausch beschädigter Elemente. Strömungstechnisch ergeben sich jedoch während des Wiedereintritts Probleme an den Kanten und Ecken. Dort treten sehr hohe Temperaturen auf, die durch neue Technologien, wie z.B. aktiv gekühlte Elemente, beherrscht werden müssen. Aerodynamisch ergeben sich jedoch  im Hyperschallflug durch diese Formgebung auch Vorteile, da in diesem Geschwindigkeitsbereich Konturen mit scharfen Vorderkanten geringeren Widerstand erzeugen.

Das SHEFEX-I Experiment diente der Untersuchung dieses neuen strukturellen und aerodynamischen Designansatzes für Raumtransportsysteme. Zusätzlich werden neue Sensoren getestet, die es ermöglichen, die am Boden in speziellen Plasmawindkanälen gewonnenen Testdaten und rechnerischen Vorhersagen mit realen Flugdaten zu vergleichen.

Montage des keramischen Thermalschutzsystems

SHEFEX I startete am 28. Oktober 2005 auf einer zweistufigen Höhenforschungsrakete von der norwegischen Startanlage auf der Insel Andoya nahe der Stadt Andenes. Nach dem Start erreichte SHEFEX-I über dem Nordmeer eine Höhe von über 200 km und trat anschließend innerhalb von 20 Sekunden mit fast siebenfacher Schallgeschwindigkeit wieder in die Erdatmosphäre ein.  Alle Messdaten dieses Flugabschnitts sowie live Bilder der Bordkamera wurden direkt zur Bodenstation übertragen. Bei der Aktivierung des Fallschirmsystems trat jedoch ein Fehler auf, der zum Verlust des Fallschirmsystems und damit der Flugeinheit von SHEFEX-I führte. Die Auswertung der Messdaten lieferte allerdings wichtige Erkenntnisse, die SHEFEX-I zu einem großen Erfolg werden ließen.

Innerhalb des Folgeprojekts SHEFEX-II sollen die Entwicklung und Flugerprobung von Rückkehrtechnologien auf einer Höhenforschungsrakete im Hyperschall auf der Basis der SHEFEX-I Mission konsequent weitergeführt und die Systemfähigkeit bei der Durchführung von Flugexperimenten weiter ausgebaut werden. Unter Beibehaltung wesentlicher Elemente der SHEFEX-I Konfiguration werden Erfahrungen und Ergebnisse aus diesem Flug direkt für Verbesserungen und als Basis für neue Experimente angewandt. Durch ein leistungsfähigeres Trägersystem kann der Flugbereich auf eine Geschwindigkeit bis Mach 11 und die Wiedereintrittsphase auf bis zu 60 Sekunden erweitert werden.

Der Schwerpunkt von SHEFEX-II liegt auf der aktiven Kontrolle der Nutzlast in der Wiedereintrittsphase, um hier homogene Anströmbedingungen für die übrigen Experimente zu erzielen. Neben der automatisierten aerodynamischen Kontrolle und entsprechenden keramischen Kontrollflächen, werden Kernexperimente zur Sensorik, aktiven Thermalschutzkühlung, Hochtemperaturantennen und Passagierexperimente in der Nutzlast integriert. Neben Windkanalversuchen werden auch Simulationswerkzeuge zur Bestimmung der Strömungsbedingungen weiterentwickelt.

Diese Kombination und synergetische Ergänzung von Einzeltechnologien und Kompetenzen des DLR ermöglichen es, auf den Gebieten des Raumtransports und der Hyperschalltechnologie eine Spitzenstellung in Europa einzunehmen. Innerhalb des DLR werden die Kompetenzen auf den Gebieten Aerodynamik, Flugregelung, Trägersystem, Thermalsschutz, Struktur und Werkstoffe gebündelt. Es ist weiterhin vorgesehen, Passagierexperimente aus der nationalen und/oder internationalen Industrie oder Forschungseinrichtungen innerhalb von SHEFEX-II mit aufzunehmen. Der Start ist im Frühjahr 2010 wieder von der Andoya Rocket Range in Norwegen aus geplant.