Delft Aerospace Rocket Engineering

De meeste raketten van DARE draaien op motoren met vaste stuwstof, die zijn ontwikkeld en gebouwd door het Solid Six team en de veiligheidsraad. De toegepaste drijfgassen zijn ofwel een mengsel van sorbitol en kaliumnitraat, bekend als raketsnoep, of een mengsel van ammoniumnitraat en aluminium, Alan-7 genaamd. De geproduceerde stuwkracht van de ontwikkelde motoren varieert van 300 tot 7000 Newton.

Testen van de hybride raketmotor “Phoenix” ontworpen door DARE

Het onderzoek naar hybride raketmotoren binnen DARE begon na de lancering van Stratos I. Na uitgebreid theoretisch onderzoek begonnen kleinschalige testen (variërend van 500 tot 1100 Newton) om ervaring op te doen en om de optimale motorconfiguratie te selecteren. De geselecteerde brandstof was een mengsel van Sorbitol, paraffine en aluminium, gecombineerd met lachgas als oxidatiemiddel. Dit werk heeft geresulteerd in verschillende publicaties in verschillende tijdschriften waaronder het tijdschrift van het American Institute of Aeronautics and Astronautics.[5] Opgeschaalde versies van deze motor werden gebruikt voor het aandrijven van Stratos II+ en III, de vlaggenschipprojecten van DARE.

Terwijl momenteel alle grootschalige motoren die door DARE zijn ontwikkeld op Nitrous Oxide gebaseerde hybride motoren zijn, voorkomt de logistiek en de productie dat dit type motor veel verder wordt opgeschaald. Om deze reden is de ontwikkeling van LOX - Ethanol vloeibaar raketmotoren gestart binnen DARE, met het doel deze voor toekomstige Stratos-missies te voorzien.

Alle DARE-raketten worden passief gestabiliseerd, met vinmaat en locatie in evenwicht zodat de raket in windrichting stuurt zodra deze boven de lanceringstoren is gekomen. Als gevolg hiervan kunnen middelmatige tot hoge zijwinden de hoogte die een raket kan bereiken, ernstig beperken. Het geavanceerde beheersteam ontwikkelt technologie om de raket actief te stabiliseren tijdens het opstijgen.

Alle printplaten en software worden op maat gemaakt en ontwikkeld binnen DARE zelf. Ze worden gebruikt om parachutes uit te vouwen, motoren te besturen en radiogegevens te verzenden tijdens en na de lancering.

Het Small Rocket Project (ook bekend onder de naam Scrambled Eggs Competition) is het programma van DARE om eerstejaars leden en andere geïnteresseerde studenten kennis te laten maken met de basisprincipes van hands-on raketten. Het doel van het project is om een raket tot een hoogte van 1 km te lanceren met een ongekookt ei aan boord en dit ei intact terug te brengen naar de grond. Om studenten te helpen dit doel te bereiken, begint het project met verschillende lezingen waarin de grondbeginselen van raketten, raketstabiliteit en het ontwerp van parachutes worden uitgelegd. Deze lezingen worden gegeven door senior DARE-leden, die eveneens ook mentoren zijn die de groepen tijdens het project adviseren en begeleiden. De groepen zijn grotendeels vrij in hun ontwerp, hoewel elke raket een laatste veiligheidscontrole moet doorstaan en de solide raketmotoren voor de raketten worden geleverd door DARE zelf. Het project wordt afgesloten met een introductiedag op een militair testgebied, waar elk ontwerp op de proef wordt gesteld.

Testen van een drogueparachute, ontworpen door DARE, in de Open Jet Facility van de TU Delft

Het grootste lopende project van DARE gedurende 2008 was het Stratos-project. Doel van Stratos was om in het begin van 2009 een tweetrapsraket in Zweden te lanceren die het Europese hoogterecord voor amateurraketten moest verbreken, dat op dat moment op 10,7 kilometer stond. De Stratos raket wordt aangedreven door een vaste-brandstofmotor werkend op een combinatie van sorbitol en kaliumnitraat. Op 17 maart is de Stratos I op Esrange gelanceerd naar een Europees record van 12,5 kilometer. Na een succesvolle opstijging konden de parachutes niet worden ingezet en stortten beide levels in. De bereikte hoogte en de crashlocatie konden worden verzameld uit de verzamelde vlucht data, waardoor het mogelijk zou zijn om de tweede fase na de lancering op te halen. De eerste fase werd pas acht jaar later per ongeluk teruggevonden, tijdens een routinecontrole van de lanceerplaats.

Stratos I legde het record voor de hoogste hoogte bereikt door een studentenraket, op 12,5 km.[8] Het werd in 2009 gelanceerd door Esrange in Zweden. Het was een solide raket met twee fasen, aangedreven door boosters die werden ontwikkeld en gebouwd in DARE. Na een succesvolle opstijging konden de parachutes niet worden ingezet en stortten beide levels in. De bereikte hoogte en de crashlocatie kunnen worden verzameld uit de uitrusting van het startbereik, waardoor het mogelijk is om de tweede fase na de lancering op te halen. De eerste fase werd pas acht jaar later per ongeluk teruggevonden, tijdens een routinecontrole van de lanceerplaats.

Foto genomen door Stratos II+ bij zijn apogeum

In 2010 is DARE begonnen met het ontwikkelen van een opvolger, genaamd Stratos II. De Stratos II moest een hoogte van ten minste 50 kilometer bereiken. Na ontwerpwijzigingen en bijgewerkte simulaties werd het echter onwaarschijnlijk dat deze hoogte kon worden bereikt. Voor de voortstuwing van Stratos II werd een hybride-brandstofmotor genaamd DHX-200 Aurora gebruikt, die op lachgas (NO2) en een combinatie van sorbitol, paraffine en aluminium poeder loopt. De motor levert een maximale stuwkracht van 12000 Newton en levert een totale impuls van 170000 Newton seconden.

Stratos II+ werd met succes gelanceerd op 16 oktober 2015 vanuit El Arenosillo van het Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial, dicht bij de stad Sevilla in Spanje. Het bereikte een hoogte van 21,5 km, waarmee het vorige record voor studentraketten werd verbroken.[9] De raket was oorspronkelijk bekend als de Stratos II, maar kon niet worden gelanceerd in oktober 2014. Er werden ontwerpverbeteringen doorgevoerd, waarna de raket Stratos II+ werd genoemd.

Stratos II+ werd aangedreven door een eentraps hybride motor, de DHX-200 Aurora met een piekoutput van 11 kN. De motor heeft een totale impuls van 180 kNs en brandt ongeveer 23 seconden.[10] Hierna wordt de motor afgescheiden en de raket bleef door vliegen tot aan zijn toppunt. Stratos II+ had verschillende wetenschappelijke ladingen aan boord om metingen in de hogere atmosfeer uit te voeren. Waaronder een experiment met radioastronomie van de Radboud Universiteit Nijmegen,[11] een camerasysteem met videolink van het bedrijf DelftDynamics[12][13] en een geigerteller van het Centre for Energy Research van de Hongaarse Academie van Wetenschappen.

Een overzicht van de startpogingen van Stratos II en II+ wordt weergegeven in de onderstaande tabel.

Stratos III is een sondeerraket, ontworpen en gebouwd door het studententeam Delft Aerospace Rocket Engineering van de TU Delft. Het project is gestart in 2016 als een opvolger van Stratos II+, met als doel het Europeese hoogterecord opnieuw te verbreken, wat op dit moment in handen is van het Duitse team HyEnD.

De Stratos III raket is 8,2 m. hoog en wordt voortgestuwd door de DHX-400 Nimbus, een 400 kNs impuls hybride raketmotor. De Nimbus gebruikt lachgas als oxidator en een mix van kaarsvet, sorbitol en aluminium poeder als brandstof. De tank is gemaakt van koolstofvezel met een aluminium liner en is in staat om 174 kg lachgas op te slaan onder een druk van 60 bar. De Nimbus is krachtigste door studenten gebouwde hybride raketmotor, met een maximale stuwkracht van 25 kN[14].

De raket lanceert een prototype vluchtcomputer van het NLR welke mogelijk gebruikt kan worden voor het toekomstige Europeese SMILE lanceervoertuig.[15] Hiernaast heeft Stratos III een livestream-mogelijkheid, waardoor iedereen over de wereld de recordpoging kon volgen.

Stratos III wordt gelanceerd van El Arenosillo van Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial, dicht bij Sevilla in Spanje. Het lanceervenster opent 16 juli 2018 en sluit 27 juli 2018.

Op apogeum scheidt de neuskegel met zijn lading zich van de oxidatortank en het voortstuwingssysteem. Hierna opent een drogueparachute en een hoofdparachute om te zorgen voor een veilige landing van 13 m/s in de Atlantische Oceaan. Stratos III werd gelanceerd vanaf El Arenosillo, net zoals bij Stratos II+ het geval was. Het startvenster was geopend op 16 juli 2018 en sluit op 27 juli 2018. Een overzicht of de lanceerpogingen kan gezien worden in de tabel hieronder.

De tweede startpoging was oorspronkelijk gepland op 25 juli om 11 PM CEST. Met een 100% weer-GO trad echter een aanzienlijke vertraging op bij het onder druk zetten van de lachgas tank. Dit leidde ertoe dat de lancering werd uitgesteld tot 26 juli 03.30 uur. Na een succesvolle lancering faalde de raket na 20 seconden in vlucht, waardoor het voertuig verloren ging.[16].

Na de lanceercampagne is direct een interne onderzoekscommissie opgezet om de root cause van het verlies aan het licht te brengen. Desondanks dat het voertuig verloren is gegaan, is erg veel data verzameld tijdens de eerste 20 seconden van de vlucht, door middel van de telemetrie systemen aan boord, welke data van een versnellingsmeter en gyroscoop terug naar aarde zonden. Hiernaast zijn ook een grote serie grondmetingen gedaan tijdens de lanceering middels radar en Doppler verschuivingen. Uit alle data die het team heeft kunnen verzamelen werd duidelijk dat het voertuig tijdens de vlucht onderhevig was aan een traagheidskoppel. Hierin is de frequentie waarin de raket om zijn lengteas rolt gelijk aan de frequentie waarmee de neus van de raket op en neer beweegt. Hierdoor is de raket instabiel geworden, wat gezien wordt als de root cause tot het falen van de Stratos III gedurende haar vlucht.

Stratos IV raket op Corvette C7 tijdens de onthulling van het voertuig in juni 2019.

Na de vlucht van Stratos III is het Stratos IV project gestart, met als doel het behalen van de ruimte in de zomer van 2019. De Stratos IV raket bouwt voor op het succesvolle motorontwerp van Stratos III, maar voegt een aantal features toe om de raket meer stabiel te maken en te voorkomen dat een traagheidskoppel aanwezig is tijdens de vlucht. Dit bestaat uit het vliegen met grotere vinnen, een motorsysteem waarmee de rolsnelheid van de raket gecontroleerd kan worden en een stijvere interface tussen de raketmodules. Hiernaast is ook gewerkt aan het lichter maken van componenten van de raket, om er zeker van te zijn dat het voertuig 100 km kan halen.

In mei 2019 werd bekend dat de lancering van Stratos IV, gepland vanaf de Denel Overberg Test Range in Zuid-Afrika was uitgesteld naar de zomer van 2020, om reden van de technische als financiële gereedheid van het voertuig.