DE102014007325B3

DE102014007325B3 - Rocket with several stages

Info

Publication number: DE102014007325B3
Application number: DE102014007325.4A
Authority: DE
Inventors: Johannes Sebald; Winfried Oehler; Rainer Kocik
Original assignee: Astrium GmbH
Current assignee: ArianeGroup GmbH
Priority date: 2014-05-14
Filing date: 2014-05-14
Publication date: 2015-10-08
Anticipated expiration: 2034-05-15

Abstract

Bei einer Rakete mit mehreren unabhängig voneinander antreibbaren Stufen werden die Steuer- und/oder Mess- oder andere Signalen zwischen den Sende- und Empfangseinheiten der einzelnen Raketenstufen bzw. mit Sende- und Empfangseinheiten der zugehörigen Bodenanlagen über drahtlosen Verbindungen ausgetauscht. Weiterhin sind autonome elektrische Funktionen auf Stufenebene sowie eine autonome Versorgung mit elektrischer Energie auf Stufenebene am Boden und im Flug vorgesehen. Die einzelnen Raketenstufen sind vorzugsweise jeweils mit einem Computer ausgestattet.In a rocket having a plurality of independently drivable stages, the control and / or measuring or other signals between the transmitting and receiving units of the individual rocket stages or with transmitting and receiving units of the associated ground systems are exchanged via wireless connections. Furthermore, autonomous electrical functions at level level as well as an autonomous supply of electrical energy at stage level on the ground and in flight are provided. The individual rocket stages are preferably each equipped with a computer.

Description

Die Erfindung betrifft eine Rakete mit mehreren unabhängig voneinander antreibbaren Stufen.The invention relates to a rocket with a plurality of independently drivable stages.

Die derzeit verwendeten Raketen-Konzepte mit mehreren Stufen benutzen mittels Kabeln und Steckern realisierte elektrisch leitende Verbindungen zwischen diesen, um elektrische Energie und/oder Steuer- und/oder Mess- oder andere Signale zwischen diesen Stufen zu übertragen. Für die Stufentrennung werden dabei spezielle trennfähige Stecker benötigt. Außerdem werden elektrische Schaltungsmaßnahmen getroffen, um zu verhindern, dass die durch die Stufentrennung entstehenden ”offenen” Leitungen die Funktionsfähigkeit des elektrischen Systems der Rakete nach der Stufentrennung gefährden, einschränken oder behindern.The multi-stage rocket concepts currently in use use electrically conductive interconnections made by cables and connectors to transfer electrical energy and / or control and / or measurement or other signals between these stages. To separate the steps, special separable connectors are required. In addition, electrical circuitry is taken to prevent the "open" lines resulting from the step separation from jeopardizing, restricting or hindering the functionality of the missile electrical system after step separation.

Um die Funktionen mit Beteiligung des elektrischen Systems solcher Raketen auf Systemebene, d. h., einer gesamte Rakete, testen zu können, sind elektrische Bodentests in großem Umfang an der komplett integrierten Rakete erforderlich. Diese Tests sind zeitaufwendig und beschränken die Zahl der in einem Zeitraum von einem Startplatz aus startbaren Raketen. Manche Raketenfunktionen sind überhaupt erst bei diesen Tests überprüfbar, und potentiell fehlerhafte Geräte bzw. elektrische Verbindungen sind erst zu diesem Zeitpunkt identifizierbar und Gegenmaßnahmen einleitbar.To perform the functions involving the electrical system of such missiles at the system level, i. h., an entire rocket, electrical ground tests are required on a large scale on the fully integrated rocket. These tests are time consuming and limit the number of rockets launchable from a launch site in a single time period. Some rocket functions can only be tested in these tests, and potentially faulty devices or electrical connections can only be identified at this time and countermeasures can be introduced.

In der US 4,723,736 A ist eine Rakete mit einem unabhängigen Antrieb einzelner Raketenstufen der eingangs genannten Art beschrieben. Daneben wird auch auf der Web Site http://isrohq.vssc.gov.in/isr0dem0v5/index.php/exploration1/chandray aan-1/82-chandrayaan-1/937-chandrayaan-1-the-launcher der Indian Space Research Organisation das PSLV, d. h., das Polar Satellite Launch Vehicle, beschrieben, das über insgesamt vier unabhängige, übereinander angeordnete Raketenstufen verfügt.In the US 4,723,736 A is described a rocket with an independent drive individual rocket stages of the type mentioned. In addition, also on the web site http://isrohq.vssc.gov.in/isr0dem0v5/index.php/exploration1/chandray aan-1/82-chandrayaan-1/937-chandrayaan-1-the-launcher of the Indian Space Research Organization described the PSLV, ie the Polar Satellite Launch Vehicle, which has a total of four independent, superimposed rocket stages.

Weiterer Stand der Technik ist aus der WO2008088330A2 bekannt, welche eine mehrstufige Rakete offenbart. Dabei sind die Stufen physikalisch miteinander koppelbar.Further prior art is known from WO2008088330A2 known which discloses a multi-stage rocket. The stages are physically coupled to each other.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Rakete der eingangs genannten Art so auszubilden, dass auf möglichst einfache Art eine elektrische Trennung der einzelnen Raketenstufen voneinander realisierbar ist.The object of the invention is to provide a rocket of the type mentioned in such a way that in the simplest possible way an electrical separation of the individual rocket stages from each other can be realized.

Die Erfindung löst diese Aufgabe, ausgehend von einer Rakete der eingangs genannten Art, durch den Einsatz von drahtlosen Verbindungen zum Austausch von Steuer- und/oder Mess- oder anderen Signalen zwischen den Sende- und Empfangseinheiten der einzelnen Raketenstufen bzw. durch den Einsatz von drahtlosen Verbindungen zum Austausch von Steuer- und/oder Mess- oder anderen Signalen zwischen einzelnen Raketenstufen und Sende- und Empfangseinheiten der Bodenanlage. Vorteilhafte Weiterbildungen sehen darüber hinaus autonome elektrische Funktionen auf Stufenebene sowie eine autonome Versorgung mit elektrischer Energie auf Stufenebene am Boden und im Flug vor.The invention solves this problem, starting from a rocket of the type mentioned, through the use of wireless connections for the exchange of control and / or measuring or other signals between the transmitting and receiving units of the individual rocket stages or through the use of wireless Connections for the exchange of control and / or measuring or other signals between individual rocket stages and transmitting and receiving units of the ground installation. Advantageous further developments also provide autonomous electrical functions at the level of levels as well as an autonomous supply of electrical energy at the level level on the ground and in flight.

Die Vorteile, die sich aus der erfindungsgemäßen Lösung ergeben, sind dabei:

– der Wegfall von elektrischen Verbindungen, wie einem Kabelbaum und trennfähigen Steckern, zwischen den Stufen,
– eine Reduzierung des Einflusses der Stufentrennung, dem sogenannten Staging, auf das elektrische System, d. h. die Vermeidung des ”offene Leitung”-Problems,
– eine Erhöhung der Testabdeckung der Raketen-Funktionen durch elektrische Tests auf Stufenebene, da die elektrischen Verbindungen zwischen den einzelnen Stufen wegfallen und damit nicht mehr getestet werden müssen,
– eine dazu komplementäre Reduzierung des Testbedarfs auf Raketenebene, da beispielsweise. die elektrischen Verbindungen zwischen den Stufen wegfallen,
– eine Verringerung spät entdeckter Fehler und des damit verbundenen Aufwands an Zeit, Kosten und Qualität,
– die Möglichkeit einer Distanzmessung zwischen den einzelnen Stufen nach erfolgter Stufentrennung
– eine Detektion unvorhergesehener Stufentrennung zur Aktivierung des Sicherheitssystems, d. h. das Entfallen der sogenannten Straps
– die Reduzierung von Fehlerquellen bei der Integration, da die Erstellung von Steckverbindungen zwischen Stufen und oder der Bodenanlage reduziert und/oder beseitigt wird.

The advantages that result from the solution according to the invention are:

The elimination of electrical connections, such as a wiring harness and separable plugs, between the steps,
A reduction of the influence of stage separation, so-called staging, on the electrical system, ie the avoidance of the open-line problem,
- An increase in the test coverage of the rocket functions by electrical tests at the level of stages, since the electrical connections between the individual stages are eliminated and therefore no longer need to be tested,
- A complementarily complementary reduction of test requirements at rocket level, for example. the electrical connections between the steps disappear,
- a reduction in late detected errors and the associated time, cost and quality effort,
- The possibility of a distance measurement between the individual stages after stage separation
- Detection of unforeseen stage separation for activation of the security system, ie the elimination of so-called straps
The reduction of integration error sources by reducing and / or eliminating plug-in connections between steps and ground system.

Darüber hinaus können die Bodentest-Anlagen bis auf Energieversorgung weitgehend kabellos angebunden und einfach an geänderte Konfiguration angepasst werden. Auf der Bodenseite ist dadurch nur eine Software Anpassung erforderlich. Für die Telemetrie ist zum Beispiel im optimalen Fall nur eine Anpassung des Messstellenplanes erforderlich, eine geänderte Sensorkonfiguration könnte bei Einsatz von ”Smart Sensor”-Funktionalitäten sogar automatisch erkannt und der Messstellenplan automatisch aktualisiert werden. Nur die Testgrenzen wären dann gegebenenfalls manuell zu ergänzen.In addition, the floor test systems can be largely wirelessly connected except for energy supply and easily adapted to a changed configuration. On the bottom side, this only requires software adaptation. For telemetry, for example, in the optimal case, only an adaptation of the measuring point diagram is required, a modified sensor configuration could even be automatically detected when using "smart sensor" functionalities and the measuring point diagram is automatically updated. Only the test limits would then have to be supplemented manually if necessary.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigenThe invention will be explained in more detail with reference to an embodiment shown in the drawing. Show it

1 die Kommunikation zwischen zwei elektrisch unabhängigen Raketenstufen, 1 the communication between two electrically independent rocket stages,

2 die Kommunikation zwischen einer Raketenstufe und einer Bodenanlage und 2 the communication between a rocket stage and a ground facility and

3 die Kommunikation zwischen einer Rakete, mehreren Raketenstufen und einer Bodenanlage. 3 the communication between a rocket, several rocket stages and a ground system.

Die Abbildung gemäß 1 zeigt zwei elektrisch unabhängige Raketenstufen 1, 2, die über kombinierte Sende- und Empfangseinheiten 3 bzw. 4 Steuersignale an die jeweils andere Stufe übermitteln, die dort weiter verarbeitet werden, und damit verbundene Steuerungsaufgaben erfüllen können. Die beiden Sende- und Empfangseinheiten 3 und 4 tauschen dabei Steuer- und/oder Mess- oder andere Signale drahtlos zwischen diesen beiden Stufen 3 und 4 aus, wobei unterschiedliche Verfahren, wie beispielsweise Hochfrequenz oder IR/UV/Vis, eingesetzt werden können.The picture according to 1 shows two electrically independent rocket stages 1 . 2 , via combined transmitting and receiving units 3 respectively. 4 Transmit control signals to the other stage, which are further processed there, and can fulfill associated control tasks. The two transmitting and receiving units 3 and 4 Switch control and / or measuring or other signals wirelessly between these two stages 3 and 4 from where different methods, such as high frequency or IR / UV / Vis, can be used.

Die beiden Raketenstufen 1 und 2 können durch stufeneigene, jeweils optional vorgesehene Computer 5 und 6 aber auch autonome Steueraufgaben erfüllen bzw. über diese Computer 5 und 6 die Steuersignale über die Sende- und Empfangseinheiten 3 bzw. 4 an die jeweils andere Raketenstufe 2 bzw. 1 übermitteln und die damit verbundenen Steueraufgaben erfüllen. Damit die beiden Raketenstufen 1 und 2 elektrisch unabhängig voneinander arbeiten können, ist eine stufeneigene Stromversorgung 7 bzw. 8 vorgesehen.The two rocket stages 1 and 2 can be used by stage-specific, optional computers 5 and 6 but also autonomous control tasks meet or on this computer 5 and 6 the control signals via the transmitting and receiving units 3 respectively. 4 to the other rocket stage 2 respectively. 1 and fulfill the associated tax responsibilities. So that the two rocket stages 1 and 2 can work independently of each other, is a stage-own power supply 7 respectively. 8th intended.

Während des Fluges können von den in der Raketenstufe 1 angebrachten Sensoren Daten, beispielsweise Trägheitsnavigationsdaten, an die Raketenstufe 2 übermittelt werden, um im Computer 6 realisierte GNC-Aufgaben (Guidance-, Navigation- and Control-Aufgaben) zu unterstützen. Überdies kann während der Stufentrennung der Abstand der beiden Raketenstufen 1 und 2 durch Laufzeitmessungen, sogenannte Time of Flight-Messungen, der bei der Signalübertragung zwischen den Sende- und Empfangseinheiten 3 und 4 entstehenden Verzögerung ermittelt werden. Dies ist beispielsweise. wichtig, um zu vermeiden, dass eine Triebwerkszündung zu früh nach der Stufentrennung erfolgt.During the flight can from the in the rocket stage 1 attached sensors, such as inertial navigation data, to the rocket stage 2 be transmitted to the computer 6 realized GNC tasks (Guidance, Navigation and Control tasks). Moreover, during the step separation, the distance of the two rocket stages 1 and 2 by transit time measurements, so-called time of flight measurements, the signal transmission between the transmitting and receiving units 3 and 4 resulting delay are determined. This is for example. important to avoid that engine ignition occurs too early after stage separation.

Die Abbildung gemäß 2 zeigt die Kommunikation zwischen einer Raketenstufe 9 und einer Bodenanlage 10. Über einen während des Raketenstarts trennbaren Stecker 11 wird die Raketenstufe 9 von der Bodenanlage 10 über eine elektrische Leitung 12 mit elektrischer Energie aus einer bodengebundenen elektrischen Energieversorgungsanlage 13 versorgt. Eine elektrische Energieversorgungseinheit 14 der Raketenstufe 9 wird in dieser Phase zwar nicht benötigt, eventuell in dieser elektrischen Energieversorgungseinheit 14 vorhandene Speicherelemente können bei dieser Gelegenheit jedoch aufgeladen werden.The picture according to 2 shows the communication between a rocket stage 9 and a ground facility 10 , About a disconnectable during the rocket launch plug 11 becomes the rocket stage 9 from the ground system 10 via an electrical line 12 with electrical energy from a ground-based electrical energy supply system 13 provided. An electrical energy supply unit 14 the rocket stage 9 is not needed in this phase, possibly in this electrical power unit 14 however, existing storage elements may be charged on this occasion.

Zwei Sende- und Empfangseinheiten 15 und 16 tauschen drahtlos Steuer- und/oder Mess- oder andere Signale zwischen der Bodenanlage 10 und der Raketenstufe 9 aus, wobei wiederum unterschiedliche Verfahren, wie beispielsweise Hochfrequenz oder IR/UV/Vis, eingesetzt werden können. Dabei kann die gleiche Sende- und Empfangseinheit 4 aus 1, die auch im Flug benutzt wird, verwendet werden, um die Funktion der Sende- und Empfangseinheit 16 dieser Raketenstufe 9 am Boden zu realisieren.Two transmitting and receiving units 15 and 16 wirelessly exchange control and / or measuring or other signals between the ground system 10 and the rocket stage 9 in turn, in turn, different methods, such as high frequency or IR / UV / Vis, can be used. In this case, the same transmitting and receiving unit 4 out 1 , which is also used in flight, can be used to control the function of the transmitting and receiving unit 16 this rocket stage 9 to realize on the ground.

Ein am Boden vorhandener Computer 17 kann sowohl die für den Flug vorgesehenen Steueraufgaben eines stufeneigenen Computers 18 – sofern ein solcher vorhanden ist – prüfen und überwachen, als auch eigene Steuer- und/oder Mess- oder andere Signale an die Raketenstufe 9 übertragen bzw. von dieser empfangen. Somit ist es auch möglich, dass die Bodenanlage 10 das Verhalten einer im Flug benachbarten Stufe simuliert und so das Flugverhalten der Raketenstufe 9 in großem Umfang prüfen kann.A computer available on the ground 17 can both control the flight tasks of a stage computer 18 - if one exists - check and monitor, as well as own control and / or measuring or other signals to the rocket stage 9 transmitted or received by this. Thus, it is also possible that the ground system 10 simulates the behavior of a stage adjacent to the flight and thus the flight behavior of the rocket stage 9 can test on a large scale.

Im Rahmen der Integration der Raketenstufe 9, die nicht unbedingt am späteren Startplatz der Rakete erfolgen muss, können elektrische Tests am Boden durch die Bodenanlage 10 erfolgen. Hierbei kann die spätere Kommunikation zwischen den Stufen simuliert werden und es kann damit die korrekte Kommunikation der Raketenstufe 9 über die Sende- und Empfangseinheit 16 geprüft werden. Außerdem kann vom Computer 17 über die Sende- und Empfangseinheiten 15 und 16 mit dem stufeneigenen Computer 18 eine Verbindung hergestellt werden, die eine Überprüfung der Stufenfunktionen erlaubt.As part of the integration of the rocket stage 9 , which does not necessarily have to be done at the later launch site of the rocket, can electrical tests on the ground by the ground system 10 respectively. Here, the later communication between the stages can be simulated and it can thus the correct communication of the rocket stage 9 via the transmitting and receiving unit 16 being checked. It can also be from the computer 17 via the transmitting and receiving units 15 and 16 with the stage computer 18 established a connection that allows a check of the step functions.

Die Abbildung gemäß 3 zeigt schließlich die Kommunikation zwischen einer Rakete 19, mehreren Raketenstufen 20, 20' und 20'' sowie einer Bodenanlage 21. Über während des Raketenstarts trennbare Stecker 22, 22' und 22'' werden die Raketenstufen 20, 20' und 20'' von der Bodenanlage 21 über eine oder mehrere elektrische Leitungen 23 mit elektrischer Energie aus einer bodengebundenen elektrischen Energieversorgungsanlage 24 versorgt.The picture according to 3 finally shows the communication between a rocket 19 , several rocket stages 20 . 20 ' and 20 '' as well as a ground installation 21 , About connectors that can be disconnected during rocket launcher 22 . 22 ' and 22 '' become the rocket stages 20 . 20 ' and 20 '' from the ground system 21 via one or more electrical lines 23 with electrical energy from a ground-based electrical energy supply system 24 provided.

Die elektrischen Energieversorgungseinheiten 25, 25' und 25'' der einzelnen Raketenstufen 20, 20' und 20'' werden in dieser Phase zwar nicht benötigt, eventuell in diesen elektrischen Energieversorgungseinheiten 25, 25' und 25'' vorhandene Speicherelemente können bei dieser Gelegenheit jedoch aufgeladen werden.The electrical energy supply units 25 . 25 ' and 25 '' the individual rocket stages 20 . 20 ' and 20 '' are not needed in this phase, possibly in these electrical power units 25 . 25 ' and 25 '' however, existing storage elements may be charged on this occasion.

Sende- und Empfangseinheiten 26 bis 26'''' tauschen jeweils drahtlos Steuer- und/oder Mess- oder andere Signale zwischen den Raketenstufen 20, 20' und 20'' aus, und die Sende- und Empfangseinheit 27 der Bodenanlage 21 tauscht über die Sende- und Empfangseinheit 26'''' jeweils drahtlos Steuer- und/oder Mess- oder andere Signale mit den Raketenstufen 20, 20' und 20'' aus, wobei wiederum unterschiedliche Verfahren, wie beispielsweise Hochfrequenz oder IR/UV/Vis, eingesetzt werden können. Dabei können die gleichen Sende- und Empfangseinheiten 26 bis 26''', die im Flug benutzt werden, verwendet werden, um auch die Funktion am Boden zu realisieren.Transmitting and receiving units 26 to 26 '''' each wirelessly exchange control and / or measuring or other signals between the rocket stages 20 . 20 ' and 20 '' off, and the transmitting and receiving unit 27 the ground system 21 exchanges over the transmitting and receiving unit 26 '''' each wireless control and / or measuring or other signals with the rocket stages 20 . 20 ' and 20 '' in turn, in turn, different methods, such as high frequency or IR / UV / Vis, can be used. In this case, the same transmitting and receiving units 26 to 26 ''' used in flight, can be used to also realize the function on the ground.

Die elektrische Bodenanlage 21 kann sowohl die für den Flug vorgesehenen Steueraufgaben der stufeneigenen Computer 28, 28' und 28'', falls solche vorhanden sind, prüfen und überwachen als auch eigene Steuer- und/oder Mess- oder andere Signale an die Raketenstufen 20, 20' und 20'' übertragen bzw. von diesen empfangen. Dadurch ist es auch möglich, dass die Bodenanlage 21 das elektrische Verhalten der Rakete 19 für verschiedene Flugphasen am Boden in großem Umfang prüft.The electric ground system 21 can handle both the control tasks of the stage computer for the flight 28 . 28 ' and 28 '' if any, check and monitor as well as own control and / or measuring or other signals to the rocket stages 20 . 20 ' and 20 '' transmitted or received by them. This also makes it possible for the ground system 21 the electrical behavior of the rocket 19 for various phases of flight on the ground to a large extent checks.

Im Rahmen der Integration der Rakete 19 aus den einzelnen Raketenstufen 20, 20' und 20'' können elektrische Tests am Boden durch die Bodenanlage 21 erfolgen. Hierbei kann die spätere Kommunikation zwischen den einzelnen Raketenstufen 20, 20' und 20'' geprüft werden und es kann damit die korrekte Kommunikation der Raketenstufen 20, 20' und 20'' über die jeweiligen Sende- und Empfangseinheiten 26 bis 26''' geprüft werden. Außerdem kann von der elektrischen Bodenanlage 21 über die Sende- und Empfangseinheiten 26 bis 26'''' sowie 27 eine Verbindung zu allen Raketenstufen 20, 20' und 20'' erstellt werden, die eine Überprüfung der Funktionen auf Raketenebene erlaubt.As part of the integration of the rocket 19 from the individual rocket stages 20 . 20 ' and 20 '' can do electrical tests on the ground through the ground system 21 respectively. This can be the later communication between the individual rocket stages 20 . 20 ' and 20 '' be checked and it can thus ensure the correct communication of the rocket stages 20 . 20 ' and 20 '' via the respective transmitting and receiving units 26 to 26 ''' being checked. In addition, from the electric ground system 21 via the transmitting and receiving units 26 to 26 '''' such as 27 a connection to all rocket stages 20 . 20 ' and 20 '' which allows a review of missile-level functions.

Durch die Vereinheitlichung der drahtlosen Schnittstellen und deren Konfiguration durch Software ist es sehr einfach, auch in einer späten Integrationsphase noch einzelne Stufen auszutauschen (Performance, Fehler, etc.)By standardizing the wireless interfaces and their configuration by software, it is very easy to exchange individual stages even in a late integration phase (performance, errors, etc.)

Claims

Multi-stage rocket independently drivable, characterized by the use of wireless links for exchanging control and / or measuring or other signals between the transceivers ( 3 . 4 . 16 . 26 - 26 '''' ) of the individual rocket stages ( 1 . 2 . 9 . 20 . 20 ' . 20 '' ) or by the use of wireless connections for the exchange of control and / or measuring or other signals between individual rocket stages ( 1 . 2 . 9 . 20 . 20 ' . 20 '' ) and transmitting and receiving units ( 15 . 27 ) of the ground installation ( 10 . 21 ).

Rocket according to claim 1, characterized in that the individual rocket stages ( 1 . 2 . 9 . 20 . 20 ' . 20 '' ) each with a computer ( 5 , 6 . 18 . 28 . 28 ' . 28 '' ) are equipped.

Rocket according to claim 1 or 2, characterized in that autonomous electrical functions ( 5 . 6 . 18 . 28 . 28 ' . 28 '' ) at level level and an autonomous supply of electrical energy at the level of the ground ( 13 . 24 ) and in flight ( 7 . 8th . 14 . 25 . 25 ' . 25 '' ) are provided.