Raccet*

Ein Schülerprojekt am Gymnasium Höchstadt/ Aisch

Bericht vom 31. Juli 2009

* Raccet = Arbeitstitel für eine Wasserraketen - gestützte elektronische Messplattform, Kombination aus den englischen Wörtern „rocket“ (Rakete)

und „acceleration“ (Beschleunigung).

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Präambel

Das vorliegende Papier soll einerseits all-gemein über das Projekt informieren und gleichzeitig eine Projektdokumentation „light“ darstellen.

Um auch „Außenstehenden“ die Technik näher zu bringen, wurde in diesem Teil1 der Beschreibung auf tiefer gehende fachspe-zifische Details bewusst verzichtet.

1) Die fachliche Dokumentation (Konzeptbeschreibung, Schaltpläne, Programmcode, Materialliste, Ansprechpartner) wird im Internet unter http://code.google.com/p/raccet/ geführt.

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Entstehungsgeschichte

Eine Gruppe von Schülern des Höchstadter Gymnasiums2 startete 2008 im Rahmen der „vision-ing21“- Ausschrei-bung3 die Konzeption und den Bau einer „Wasser-Luft-Rakete“, als Kooperationspartner konnten die Erlanger Siemens Professional Education SPE ERL TB gewonnen werden. Im Frühjahr 2009 erfolgten die ersten erfolgreichen Starts.

Inspiriert von der Verfügbarkeit dieser „Trägerrakete“ entstand bei den Gymnasiasten Siegfried Schöfer und Helmut Speri die Idee einer „fliegenden elektronischen Messplattform“ .

2) Technisches Werken ! Aischtalstörche, Projektbegleitung StD Klaus Strienz, Gymnasium Höchstadt, Bergstr. 4, 91315 Höchstadt. 3) Projekt des Förderkreises Ingenieurstudium e.V., Erlangen-Nürnberg. Seite 3

Kernidee

Immer wieder wurde gefragt „wie hoch und wie schnell fliegt die Rakete“ oder „welche Kräfte entstehen bei Start und Landung“.

Eine Video - basierende Auswertung erbrachte nur grobe Abschätzungen, zur Ermittlung exak-ter Werte müssten entsprechende Messgeräte jedoch „mitfliegen“.

Hier setzt die Idee von Siegfried und Helmut auf: eine fliegende elektronische Messplattform.

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Projektphase 1 Konzept

Kernidee: „mitfliegende Elektronik“.

Messung: mittels elektronischer Beschleunigungssensoren.

Verarbeitung & Speicherung: Mikroprozessoren.

On-Board-Steuerung: projektspez. Software.

Realisierung: Miniaturelektronik.

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•  Technische Planung, Auswahl: - geeigneter Sensorik - geeigneter Mikroprozessoren - der geeigneten Programmiersprache - der elektronischen Bauteile - der mechanischen Komponenten.

•  Zeitliche Planung, Ziel: „Erster Messflug bis Ende des Schuljahres 08/ 09“.

•  Budget Planung, Ziel: Budget < 100.- EUR.

Projektphase 2 Planung

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Projektphase 3 Realisierung

-  Materialbeschaffung - Mechanische Gestaltung der Leiterplatte - Elektrische Bestückung der Leiterplatte - Erste elektrische Tests (Stromversorgung) - Entwicklung der Software (Rapid Prototyping)4 - Übertragung der SW auf den Prozessor - Erstellung einer Software zum „Download“ (Daten, Tabellen und Grafik in Excel)

4) „Rapid Prototyping“ = Methode der Softwareentwicklung, schnell erste Ergebnisse, damit frühzeitiges Feedback auf Eignung des Lösungsansatzes.

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-  Funktionstest Prozessor - Erste Messungen (Beschleunigung) - Simulation am Arbeitstisch - Speicherung der Messwerte - Übertragung der Messwerte auf den PC - Auswertung der Messwerte am PC

Projektphase 4 Test/ Flight Qualification

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- Erstflug als „Payload“. - Analyse der Flugergebnisse. - Re-Design als Version 25 (Die Projektphasen 2 bis 5 wurden nochmals durchlaufen).

Projektphase 5 Einführung/ Lauch Readiness

5) Optimierte Gestaltung der Leiterplatte, zus. externer Datenspeicher, verbesserte PC-Kommunikation.

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- Durchführung weiterer Flüge - Verdichtung der Erkenntnisse - Konzept für eine Version mit

erweiterten Aufgaben (GPS, Kamera, Funkübertragung, etc.)

- Nutzung und Erweiterung durch andere interessierte Gruppen6

Projektphase 6 Nutzung

6) Die Veröffentlichung der Software erfolgte im Internet als öffentlich zugänglich „Open Source“ unter der so genannten GNU General Public License 2: http://code.google.com/p/raccet/ .

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On-Board-Unit

Version 1

Version 2

Beschleunigungssensor

Prozessor

Datenspeicher

PC- Anschluss

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Projektplanung

Mit Unterbrechungszeiten, Abiturprüfung!

Projektziel: Realisierung bis Ende des Schuljahres.

Einschl. Elektronik Version 2.

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Budgetplanung Version 1

Projektkosten für Version 1: EUR 56,61.- , ohne Versandkosten, ohne mechanische Kleinteile.

Projektziel: Budget < 100.- EUR.

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Projektkosten für Version 2: EUR 36,85.- , ohne Versandkosten, ohne mechanische Kleinteile.

Projektziel: Budget < 100.- EUR.

Budgetplanung Version 2

7) Sensor aus Version 1 übernommen.

7)

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Status per 31.07.2009

•  On-Board-Elektronik auf Basis ARDUINO8.

•  512 kBit (=64KB) EEPROM als Datenspeicher.

•  Sensorik ADXL321 Analog Devices (USA).

•  Flug mit Elektronikversion 2 am 28.07.2009 erfolgreich absolviert.

8) ARDUINO = Physical Computing Plattform, „Open Source“.

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Ergebnisse 1 – Flug 1

•  Gemessene maximale Beschleunigung 19,1 g9.

•  Gemessene maximale Verzögerung 10,2 g10.

•  Berechnete Flughöhe ca. 75 m.

•  Berechnete maximale Geschwindigkeit 39,5 m/s = 142,2 km/h.

9) Messbereich des eingesetzten Sensors überschritten, Änderung in der nächsten Version geplant. 10) Abbruch der Messung bei harter Landung, höhere Werte anzunehmen, Maßnahmen geplant.

Beschleu- nigung Medizinische Symptome

Mensch 1-2g uneingeschränkt ertragbar 2-3g beginnende Einengung des Gesichtsfeldes 3-4g röhrenförmiges Gesichtsfeld, Greyout 4-5g Blackout 5-6g Bewusstlosigkeit

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Ergebnisse 2 – Flug 1

Abszisse: Zeiteinheit 8ms, Ordinate: Beschleunigung in g. Es wird die resultierende Beschleunigung dargestellt.

Start

Wasserrückstoß

Apogeum

Abbremsung durch

Gravitation und Luftwiderstand

Harte Landung

Beschleunigung durch

Gravitation

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Ergebnisse 3 – Flug 2

•  Gemessene maximale Beschleunigung 19,1 g11.

•  Gemessene maximale Verzögerung 14,5 g12.

•  Berechnete Flughöhe ca. 101 m.

•  Berechnete maximale Geschwindigkeit 46,4 m/s = 167,0 km/h.

11) Messbereich des eingesetzten Sensors überschritten, Änderung in der nächsten Version geplant. 12) Abbruch der Messung bei harter Landung, höhere Werte anzunehmen, Maßnahmen geplant.

Beschleu- nigung Medizinische Symptome

Mensch 1-2g uneingeschränkt ertragbar 2-3g beginnende Einengung des Gesichtsfeldes 3-4g röhrenförmiges Gesichtsfeld, Greyout 4-5g Blackout 5-6g Bewusstlosigkeit

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Ergebnisse 4 – Flug 2

Abszisse: Zeiteinheit 8ms, Ordinate: Beschleunigung in g. Es wird die resultierende Beschleunigung dargestellt.

Start

Wasserrückstoß

Apogeum

Abbremsung durch

Gravitation und Luftwiderstand

Harte Landung

Beschleunigung durch

Gravitation

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Ergebnisse 5 - Kernerkenntnis

•  Der Raketentreibstoff wird innerhalb einer 10tel Sekunde komplett ausgestoßen => sehr kurze Zeit.

•  In dieser Zeit erfolgt eine sehr große Be- schleunigung vom Boden weg.

•  Die Rakete ist dadurch keine „klassische Rakete“ sondern mehr ein Projektil, das wie von einem Gewehr abgeschossen wird.

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Fazit Die Umsetzung einer innovativen Idee in ein „reales Produkt“ ist den Schülern in einem erstaunlich kurzen Zeitraum gelungen.

Das Projekt wurde von zwei Coaches13 begleitet, welche sich bewusst auf die bare Funktion der Fachberatung reduzierten.

Alle wesentlichen Prozess-Stufen einer Ent-wicklung, wie sie in Industrie oder Forschung eingeführt sind, wurden durchlaufen.

13) Fazit der Coaches Chris Bentley (Software) und Dieter Flasch (Logistik, Elektronik), beide Mitglieder des Deutscher Amateur-Radio-Club e.V., Ortsverband Höchstadt : „Bemerkenswert finden wir auch, dass nicht nur mentale und kognitive Fähigkeiten, sondern auch praxisbezogene, „taktile“ Anfor- derungen wie mechanische Arbeiten oder das Löten kleinster Bauteile für den Erfolg gefordert wurden.

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Bilddokumentation

Blick auf die Elektronikplatine, einge-baut in eine Elektroverteilerdose aus dem Baumarkt. Die Elektronik wird kurz vor dem Start aktiviert und dann im oberen Teil der Rakete installiert. Wir nannten diesen Raum Payload-Bay, vergleichbar dem Transport-bereich des „Space Shuttle“.

Hier wird die Elektronik der Version 2 getestet. Ein erheblich erweiterter Speicherbereich soll Datenkapazität für weitere Sensoren und Bildwandler bereitstellen.

Von links: Chris Bentley (Coach), Helmut Speri (Trägerrakete/ Payload-Bay/ Mechanik), Siegfried Schöfer (Gesamtkonzept/ Elektronik/ Software).

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Bilddokumentation

Am Startplatz erfolgt die mechanische Flugvorbe- reitung der Trägerrakete: Die Payload-Bay, in wel-cher sich die Elektronik befindet, wird vorbereitet.

Zeitgleich wird die „On - Board - Unit“ nochmals mit einem Laptop verbunden und ein letzter Funktionstest vor dem Start durchgeführt.

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Bilddokumentation

Das Payload - Modul, welche die Elektronik enthält, wird hier in die Rakete eingesetzt.

Die Rakete ist nun, mit aktivierter Elektronik, startbereit.

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Bilddokumentation

Letzte Vorbereitungen an der Startrampe: Nachdem ein Drittel des Raketentanks mit Wasser befüllt wurde, wird jetzt der Start - Luftdruck von ca. 8 bar mittels einer normalen Fahrradpumpe aufgebaut.

„Lift off“

Start in den Nachthimmel über Höchstadt.

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Das Team

Klaus Strienz … er hat als „Kommunikator“ das Ganze ein-gefädelt …

Dieter Flasch Coach

Chris Bentley Coach Siegfried Schöfer

Gesamtkonzept Raccet/ Elektronik/ Software

Helmut Speri Entwicklungsteam Rakete/ Payload-Bay Florian Toifl

Entwicklungsteam Rakete

Christian Binkowski Entwicklungsteam Rakete

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