Die Schweiz steht, aufgrund der derzeitigen politischen und technologischen globalen Entwicklungen
auf den Energiemärkten, vor Veränderungen. Von den in der Schweiz jährlich verbrauchten
229 Terrawattstunden Energie entfallen 61 Terrawattstunden auf die Haushalte [1]. Ein Grossteil
dieses Verbrauches ist auf Anwendungen zurückzuführen, die nach dem Prinzip des links- oder
rechtslaufenden Kreisprozesses funktionieren. Konkret handelt es sich dabei um Wärmepumpen
und Kältemaschinen. Die Anzahl Wärmepumpen wird in naher Zukunft mit grosser Wahrscheinlichkeit
steigen, da für die Gebäudeklimatisierung vermehrt auf Wärmepumpen gesetzt wird. Es
liegt im Interesse von Hersteller und Endverbraucher, dass diese Maschinen so effizient wie möglich
zu betreiben sind. Um dies zu ermöglichen, müssen die einzelnen Komponenten im ersten Schritt
untersucht und in einem weiteren Schritt optimiert werden. Eine solche Komponente in einem
linkslaufenden Kreisprozess ist das Expansionsorgan. In dieser Arbeit wird ein Kapillarrohr, das als
Expansionsorgan eingesetzt wird, betrachtet. Es entstanden zwei physikalische Simulationsmodelle
mit der Modellierungssprache Modelica. Bei einem Modell handelt es sich um ein nulldimensionales
Korrelationsmodell, dass die Zustände nicht physikalisch, sondern mit aus Messpunkten ermittelten
Parameter berechnet. Das zweite Modell ist ein eindimensionales Finite-Volumen Modell. In
diesem werden für jedes Kontrollvolumen die Massen-, Impuls- und Energieerhaltungsgleichungen
aufgestellt und gelöst. Beide Modelle wurden mit Messdaten aus der Literatur validiert. Für
eine Verwendung der Modelle gibt es einige Punkte zu beachten. Als Arbeitsmedium kann nur
R600a (Isobutan) verwendet werden. Weiter rechnet das eindimensionale Modell sämtliche Strömungen
nicht gesperrt. Auch werden die Wärmeströme über die Aussenwand vernachlässigt. Für
eine Implementierung in ein Gesamtsystem sollten diese Punkte weiter untersucht und im Modell
berücksichtigt werden.
Due to the current political and technological developments on the global energy markets, Switzerland
is facing changes. Of the 229 terawatt hours of energy consumed annually in Switzerland, 61
terawatt hours are accounted for by households [1]. A large part of this consumption is attributable
to applications that are functioning according to the principle of thermodynamic cycles. Specifically,
these are heat pumps and refrigerators. The number of heat pumps is likely to increase soon,
as heat pumps are increasingly being used for air conditioning in buildings. It is in the interest of
manufacturers and consumers that these machines are operated as efficiently as possible. To make
this feasible, the individual components must first be examined and then optimised. One such component
in a refrigerator is the expansion device. In this thesis, a capillary tube is considered which
is used as an expansion device. Two physical simulation models were developed with the modelling
language Modelica. One model is a zero-dimensional correlation model, which does not calculate
the states physically, but with parameters determined from empirical data. The second model is
a one-dimensional finite-volume model. In this model, the conservation of mass, momentum and
energy is established and equations are solved for each control volume. Both models were validated
with empirical data from literature. There are some points to consider when using the models.
Only R600a (isobutane) can be used as working medium. Further the one-dimensional model calculates
all flows as non-choked flows. The heat flows over the outer wall are also neglected. For a
successful implementation into a refrigeration system, these points should be further investigated
and considered in the model.
Wenn man von 3D-Druckern spricht, denken viele Leute an Teile aus Kunststoff, die in unterschiedlichen Bereichen der Industrie verwendet werden. Dass aber auch Lebensmittel wie Schokolade mit einem Drucker verarbeitet werden können, überrascht die meisten.
Die vorliegende Arbeit behandelt die Konstruktion eines Extruders für Schokoladendrucker, welcher mit Pulver als Ausgangsstoff arbeiten kann, um den Schritt des vorgängigen Schmelzens der Schokolade zu umgehen. Damit das feste Pulver gefördert werden kann, wird eine Pumpe verwendet, die mittels 3D Druck hergestellt werden kann. Es handelt sich dabei um eine exzentrische Schneckenpumpe mit einem Hypozykloidenquerschnitt. Das Schmelzen der Schokolade soll während dem Fördervorgang in der Pumpe selber passieren.
Die Machbarkeit des genannten Funktionsprinzips soll bewiesen werden. Um dies zu erreichen, wird ein Funktionsdemonstrator konstruiert und in mehreren Iterationen verbessert.
Im Verlaufe der Arbeit stellte sich heraus, dass die mechanischen und festigkeitsbezogenen Anforderungen an den Funktionsdemonstrator sehr komplex sind. Auf Grund dessen konnte lediglich bewiesen werden, dass das Fördern von Pulver mit der besagten Pumpe möglich ist, obwohl auch die Möglichkeit an Werkstoffen sehr beschränkt war.
Um ein Extruder zu erhalten, der alle gewünschten Funktionen umsetzen kann, sollte auf Basis der gewonnenen
Erkenntnisse aufgebaut werden.
When it comes to 3D printers many people think of plastic parts used in various sectors of today’s industry. The fact that even foods like chocolate can be processed with a printer surprises most people.
This thesis contains the development of an extruder for chocolate printers, that is able to use powder as a raw material to avoid the step of pre-melting chocolate. To convey the solid powder, a pump, that can be produced by means of 3D printing, is used. It is an eccentric screw pump with a cross section based on a hypocycloid. The melting of the chocolate should happen during the transport process in the pump itself.
This should prove the feasibility of the mentioned principle of operation. To achieve this, a function demonstrator is constructed and improved in several iterations.
In the course of this thesis, it became clear, that the mechanical and strength-related requirements of the function demonstrator are very complex. Due to this, it could only be proved, that it is possible to convey the solid powder with said pump, although the possibility of materials was very limited.
In order to obtain an extruder, which can implement all desired functions, the next steps should be based on the knowledge acquired during this thesis.
Ein Verfahren wird entwickelt, auf Grundlagen von Wetterdaten und Leistungszeitreihen von Wär-mepumpen, um mittels Simulationsmodellen auf die thermischen Gebäudeeigenschaften zurückzu-schliessen. Dazu wird aus dem elektrischen Verbrauch und temperaturabhängigen COP-Werten die erzeugte Wärmeleistung abgeschätzt. Durch Aufsummieren der Wärmeleistung über ein Jahr wird eine Heizleistungszeitreihe erzeugt. Anschliessend wird ein Simulationsmodell, aus einem Europäi-schen Forschungsprojekt, mit einem Optimierer solange angepasst bis die simulierte Heizleistungs-kurve mit der Geschätzten übereinstimmt. Die Simulation ist von 3 thermischen Gebäudeeigenschaf-ten abhängig. Es werden 17 Liegenschaften in der Schweiz mit Verbrauchszeitreihen vom Jahr 2017 des Industriepartner tiko Energy Solutions untersucht. Die Liegenschaften sind mit Wärmepumpen ohne integrierte Brauchwarmwasseraufbereitung ausgestattet. Die erzielten Resultate sind vielver-sprechend, im Mittel beträgt die Abweichung des simulierten Gesamtwärmebedarfs weniger als 4.6 % zum geschätzten Wert und die Fläche zwischen den Heizleistungskurven ist kleiner als 0.4 ‰ des Integrals unter der Kurve.
In this thesis, a method is developed and validated to estimate the thermal building characteristics based on weather data, power time series of the heat pump consumption with the help of simulation models. In a first step, the heat demand is estimated based on the time series of the heat pump power consumption and estimated values for the coefficient of performance (COP). In a second step, the parameters of a simulation model, developed within a H2020 project, are refined until a good agree-ment between simulated and estimated cumulative heat demand curve is reached. The model de-pends on 3 parameters, which describe the thermal building characteristics. The industrial partner tiko Energy Solutions provided us with the power consumption time series of 17 real buildings of the year 2017. In all these buildings, the heat pump was only employed for space heating. The results are very promising: on average, the simulated annual heat demand deviated less than 4.6 % from the estimated value and the area between the cumulated heat demand deviates less than 0.4 ‰ from the integral under the total curve.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit möglichen Gewichtsoptimierungen für das Hauptfahrwerk des
Kleinflugzeugs vom Typ RV-10. Der Hersteller VANS bietet dieses Flugzeug als Eigenbau-Kit an.
Das neue Fahrwerk muss die Zulassungsvorschrift CS-23 vollumfänglich erfüllen. In einem ersten Schritt
sind Untersuchungen zur Bestimmung der Eigenschaften des Standard-Fahrwerks durchgeführt worden.
Basierend auf Steifigkeitsbetrachtungen der Fahrwerkstruktur und Energiebilanzen können die maximal
wirkenden Radlasten bestimmt werden. Die Festigkeitsanalyse hat ergeben, dass das Fahrwerk die
Mindestanforderungen nicht erfüllt. Schon eine Belastung mit «limit load» führt im Fahrwerksbein zu
plastischen Deformationen. Dies konnte durch Original-Berechnungsdokumente, die bei der schweizerischen
Zulassungsstelle (EAS) hinterlegt sind, bestätigt werden.
Beim Lösungskonzept welches sich durchgesetzt hat, ist das Fahrwerk als durchgehende Schwinge konzipiert
und besteht komplett aus GFK-Laminaten. Die entstehende kinetische Energie bei der Landung wird zum
grössten Teil durch die elastische Deformation der Fahrwerksschwinge aufgenommen. Aufgrund der
effizienteren Energieaufnahme des neuen Fahrwerks sinken die maximalen Radlasten um 20 Prozent. Neu
wird das Hauptfahrwerk direkt an den Untergurt des Hauptholmens geklemmt. Die neu entwickelte
Fahrwerksaufhängung ist als Fest- und Loslager konzipiert worden. Die Studie hat gezeigt, dass eine
Gewichtsreduktion des Fahrwerks mit hohem Aufwand möglich ist. Das letztendlich eingesparte Fluggewicht
beläuft sich auf acht Kilogramm, was einer Gewichtsreduktion von 35 Prozent entspricht. Der
Industriepartner hat die Absicht geäussert, das Hauptfahrwerk in zweifacher Ausführung herzustellen. Nebst
dem obligatorischen Droptest bei «limit load» soll ein Fahrwerk ebenfalls einem «ultimate load»-Test
unterzogen werden.
The aim of this thesis was to optimize the weight of the main landing gear of the RV-10, a small aircraft
offered by VANS as a self-assembly kit. The new structure must fully meet the CS-23 certification
requirements. In a first step, investigations have been carried out to determine the characteristics of the
standard landing gear. Based on rigidity considerations of the chassis structure and energy balances, the
maximum effective wheel loads could be determined. The strength analysis has shown that the present
structure does not meet the minimum requirements, that means plastic deformations occur in the landing gear
leg even at «limit load». This was confirmed by the original calculation documents deposited at the Swiss
Approval Authority (EAS).
In the proposed concept, the landing gear is designed as a continuous swing arm and consists entirely of GRP
laminates. The occurring kinetic energy during landing is largely absorbed by the elastic deformation of the
landing gear’s swing arm. Due to the more efficient energy absorption of the new structure, the maximum
wheel loads are reduced by 20 percent. The main landing gear is now clamped directly to the lower flange of
the main spar. The newly developed chassis suspension has been designed as a fixed and floating bearing.
The study has shown that it is possible to reduce the weight of the landing gear at great expense. The final
weight saved amounts to eight kilogram, which corresponds to a weight reduction of 35 percent. The
industrial partner has expressed the intention to manufacture the main landing gear in two versions. In
addition to the obligatory drop test at «limit load», one sample will also be subjected to an «ultimate load»
test.
Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen des Moduls Bachelorthesis an der Hochschule Luzern - Technik
& Architektur. Sie befasst sich mit der thermodynamischen Auslegung von doppelwandigen Trinkgläsern mit
Kühleffekt der Firma SCALORIC GmbH. Ausserdem wird der Aufbau eines Prototyps zur Befüllung der
Trinkgläser mit Phasenwechselmaterial (PCM) behandelt. In den Hohlraum der Gläser wird ein
Phasenwechselmaterial gefüllt. Nach dem Laden der Trinkgläser, kühlen diese das eingefüllte Getränk, in
dem der Phasenübergang des PCM von fest zu flüssig ausgenutzt wird. In dieser Arbeit wurde ein Modell
entwickelt, welches den Temperaturverlauf des Getränks beim Abkühlen berechnet. Dadurch, dass es sich
dabei um ein hochkomplexes, instationäres Problem handelt, kann das entwickelte Modell für qualitative
Untersuchungen eingesetzt werden, für quantitative Aussagen ist allerdings eine genauere Betrachtung des
vorliegenden Systems notwendig.
Im zweiten Teil dieser Arbeit wird der Aufbau, die Implementation und die Funktionsvalidierung der
entwickelten Befüll Anlage behandelt. Die Herausforderung dabei besteht darin, dass die mundgeblasenen
Gläser in Form und Grösse geringfügig voneinander abweichen und deshalb ist auch die Position des Lochs
zum Befüllen des Glases mit PCM und die Füllmenge nicht konstant. Dies macht ein System nötig, dass
diese zwei Komponenten automatisch erkennt und entsprechend reagiert. Die Position der Einfüllöffnung
wird mittels Bilderkennung lokalisiert, die Erkennung der Füllmenge wurde durch eine Lichtschranke
realisiert, die auf Höhe der gewünschten Füllmenge positioniert wird. Der Prototyp wurde so aufgebaut, dass
auch die neu entwickelten Gläser der Firma darauf befüllt werden können. Der entwickelte Prototyp
funktioniert zuverlässig und befüllt die Gläser nach Knopfdruck automatisch mit dem
Phasenwechselmaterial.
The following paper was written in the scope of the module 'Bachelorthesis' at the Lucerne University of
Applied Sciences and Arts. It deals with the thermodynamic dimensioning of double-walled drinking glasses
that provide a cooling effect. Furthermore, the construction of a prototype to automatically fill the glasses
with a phase-change material (PCM) is discussed. The PCM is filled into the cavity of the glasses. After
charging the glasses, it cools the drink inside it, by using the phase change from solid to liquid. In this paper,
a model was developed, which calculates the Temperature of the drink while cooling down. Since this is a
highly complex and transient problem, the developed model can only be used for qualitive analysis. To
provide quantitative results, a more detailed view of the system is required.
In the second part of the paper, the development, implementation and functional validation of the devised
prototype. The challenge consisted of the fact, that the handblown glasses vary from one another slightly and
therefore the position of the hole to fill the glasses with the PCM and the filling capacity is not constant. This
requires a system, that can detect the position of the hole and the required amount of PCM to fill the glass and
can react properly. Image detection is used to localize the position of the filling hole and the filling capacity
is detected with a light barrier, which is mounted at the height of the desired filling height. The prototype was
designed to be able to fill the new products of the company, which are currently under development, as well.
The built prototype works reliable and can automatically fill the glasses with the PCM after the press of a
button.
In einem kleinmassstäbigen, geschlossenen System wie zum Beispiel in einem Habitat im Weltraum, ist die
Nachhaltigkeit innerhalb des Systems besonders wichtig. Einige Mikroalgen-Arten verfügen über die
Fähigkeit Licht und CO 2 innerhalb des Habitates nutzbar zu machen, um photosynthetisch Sauerstoff zu
generieren. Hier werden das Konzept sowie auch die Konstruktion eines Flachplatten-Bioreaktor (mit einem
Volumen von min. 10 Liter) dokumentiert. Diesen Prototyp kann man für die Forschung im Labormassstab
einsetzen. Die Hauptkomponenten sind der Kultivierungsbehälter und die externe Sensorenkammer. Das
Algenmedium zirkuliert zwischen diesen zwei Hauptkomponenten mit Hilfe einer Membranpumpe. Die
Sensorenkammer besteht aus einem 3d-gedruckten Gehäuse aus PLA und einem Sensoren-Array, welches die
pH-Werte, die Konzentration von gelöstem Sauerstoff im Medium, Temperatur und die optische Dichte
(Fluoreszenz/Chlorophyll-Zellen) misst. Das Gesamtsystem besitzt eine modulare Bauweise und ist teilweise
sterilisierbar. Mit diesem Prototyp ist es möglich, neue Methoden zu entwickeln, die die Wachstumsrate und
Biomassenkonzentration von Mikroalgenzellen verbessern, um einen Carbon-Negativen Prozess zu
erreichen.
On small-scale, closed system such as a habitat in outer space, the complete sustainability inside the system is
highly sought after. Some microalgae have the ability to harness the light and use the CO 2 from inside the
habitat to photo-synthetically produce oxygen and take up liquid human waste. This work documents the
details of the construction of a ten-liter flat-plate bioreactor system that has been designed for experiments at
the laboratory scale. The system consists of one cultivating vessel, a dedicated sensor chamber. The algal
medium is continuously pumped out of the vessel to the sensor chamber, before routed back into the main
tank via a diaphragm pump. The sensor chamber is fitted with probes that measures pH, dissolved oxygen,
temperature (in main tank and the sensor chamber), the optical density of the medium and the chlorophyll
fluorescence. The reactor is modular and sterilizable. Based on the current reactor design, the operation of the
system should enhance growth rate and biomass concentration of microalgae cells with low power inputs
creating a carbon negative process.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung des mechanischen Aufbaus für das
OoDrop-Experiment von Dr. Simon Wüest der Abteilung Medizintechnik der Hochschule Luzern.
Ziel dabei ist die Auswirkung wechselnder Gravitationsbelastung auf Ionenkanäle innerhalb eines
Froscheis zu untersuchen. Dies geschieht durch Messung der elektrischen Spannung während dem
freien Fall. Dafür muss das Ei sehr präzis mit einer entsprechenden Vorrichtung angestochen
werden. Der mechanische Aufbau soll auf maximal mögliche Steifigkeit ausgelegt werden, um die
Bewegungen der Kapillarenspitze im Innern des Froscheis zu minimieren und somit dessen
Beschädigung zu verhindern. Betreffend der Positioniergenauigkeit soll das Froschei auf einen
Hundertstelmillimeter genau angestochen werden. Um den Einfluss von Relaxationsbewegungen
der Fallkapseletage auf die Kapillarenspitze im Froschei zu eruieren, wird mittels Finite Elemente
Methode die Durchbiegung der Fallkapseletage berechnet und mit einer Handrechnung verifiziert.
Das Ergebnis der Arbeit entsteht auf Grundlage eines morphologischen Kastens, indem Lösungen
für die Teilfunktionen zusammengetragen werden, woraus zwei Konzepte entstehen. Aus dem
favorisierten Konzept wird ein Entwurf als parametrisierte CAD-Baugruppe konstruiert und im 3DDruck
und der mechanischen Werkstatt an der HSLU hergestellt. Als Produkt dieser Arbeit ist ein
funktionsfähiger Prototyp entstanden, der in der Lage ist das Froschei anzustechen. Dieser liefert
die Grundlage für die Herstellung eines hauptsächlich aus Metall bestehenden Aufbaus. Die
Konstruktion des Prototyps ist mit Überzeugung eine optimale Ausgangslage für das OoDrop-
Experiment. Damit trägt sie einen grossen Teil zu einem erfolgreichen Versuch bei.
This thesis deals with the development of the mechanical construction for the OoDrop-Experiment
of Dr. Simon Wüest from the medical engineering department of the Lucerne University of Applied
Science and Arts. The aim is to analyze the effect of changing gravitational load on ion channels
within a frog egg. This is done by measuring the electric voltage inside the egg during free fall. For
this, the egg must be broached very precisely with a suitable device. The mechanical construction
should be designed for maximum stiffness to minimize the movement of the capillary tip inside the
egg and thus prevent its damage. Concerning the positioning accuracy, the frog egg must be
broached within a hundredth millimeter. To determine the influence of relaxation movements of the
falling capsule on the capillary tip in the frog egg, the deflection is calculated using finite element
method. This result will then be verified with a manual calculation. The product of this thesis is
based on a morphological box. Various solutions for each subfunction are then combined to two
concepts. The favored concept will be advanced to a parametrical CAD assembly and manufactured
using 3D printing and the mechanical workshop at the university. The product is a functional
prototype which is able to stab the frog egg. This provides the basis for the production of a metal
construction. The construction of the prototype is with conviction an optimal starting point for the
OoDrop-Experiment and contributes a lot to a successful experiment.
Fly Away Rail Guide
Diese Arbeit wurde für den Studentenverein ARIS – Akademische Raumfahrt Initiative Schweiz erstellt.
Um die Leistungsfähigkeit einer von ARIS gebauten Rakete zu optimieren, sollen die Rail Buttons der
Rakete mit einem Fly Away Rail Guide System ersetzt werden. Im Rahmen dieser Arbeit soll ein Konzept für
ein Fly Away Rail Guide System entworfen, evaluiert und ein Prototyp gebaut werden. In einem ersten
Schritt wird ein Tool erstellt, welches den negativen Einfluss der Rail Buttons bestimmt. Es stellt sich heraus,
dass die Rail Buttons die maximal erreichbare Höhe der Rakete um 40 𝑚 verringern.
In einem nächsten Schritt wird ein rein mechanisches Konzept entworfen. Das Konzept der Konstruktion
basiert auf einer Grundstruktur eine zwei-Mal-zwei-Halbschalen Systems. Damit die Rakete weiterhin im
Launch Rail geführt wird, sind an der Konstruktion Rail Buttons angebracht. Der Fly Away Rail Guide löst
sich von der Rakete durch Druckfedern, welche vor dem Start vorgespannt werden. Es werden die durch die
Konstruktion zusätzlich entstandenen Verluste mit den Verlusten der Rail Buttons verglichen und es stellt
sich heraus, dass durch das Verwenden des Fly Away Rail Guides ein Höhengewinn der Rakete von bis zu
12 𝑚 erzielt werden kann.
Fly Away Rail Guide
This thesis was written for the student association ARIS – Akademische Raumfahrt Initiative Schweiz
For the optimization of the performance of a rocket by ARIS, the rocket’s Rail Buttons should be replaced by
a Fly Away Rail Guide system. The goal of this thesis is to develop and evaluate a concept for a Fly Away
Rail Guide system and built a prototype. In a first step, a tool was created, which could determine the
negative effect of the Rail Buttons. It turned out, that the Rail Buttons lower the rocket’s maximum
achievable height by 40 𝑚. In a next step, a pure mechanical concept was designed. The concept is based on
a basic structure of a two-times-two-half-shell system. For the rocket to still be guided in the Launch Rail,
Rail Buttons were attached to the construction. The Fly Away Rail Guide releases itself from the rocket with
prestressed compression springs. The new power losses due to the construction were compared to the power
losses due to the Rail Buttons. It turns out, that by using this Fly Away Rail Guide system the maximum
achievable height increases by up to 12 𝑚.
Für den Verein ARIS soll ein einfaches, wiederverwendbares und sicheres Fallschirmlandesystem für
selbstgebaute Forschungsraketen in Form eines „Reefed-Parachutes“ entwickelt werden. Das Ziel ist es die
vorgegebenen Fallgeschwindigkeiten der IREC einzuhalten. Der Fokus dieser Bachelorarbeit liegt daher auf
der Entwicklung und Herstellung eines Kreuzfallschirmes mit integriertem Skirt-Reefing.
Ein „Reefed-Parachute“ vereint die Eigenschaften eines Pilotfallschirmes mit denen des Hauptfallschirmes.
Das heisst, dass mit nur einem Fallschirm zwei verschiedene und konstante Fallgeschwindigkeiten erreicht
werden können.
In dieser Thesis wird zuerst eine Konzeptstudie durchgeführt und das Konzept mit der besten Bewertung
weiterentwickelt. Es wird gezeigt, wie ein Kreuzfallschirm mit Skirt-Reefing dimensioniert, hergestellt und
geprüft wird. Im Vordergrund steht die Ermittlung des Zugkraftkoeffizienten 𝐶𝐷 des Fallschirmes im offenen
und gereeften Zustand.
Dabei stützt sich die Arbeit auf das “Parachute Recovery System Design Manual” von T.W. Knacke und die
Testreihe “Effects Of Canopy Geometry On The Drag Coefficient Of A Cross Parachute In The Fully Open
And Reefed Conditions For A W/L Ratio of 0.264” von W.P. Ludtke.
Die Tests haben gezeigt, dass der hergestellte Kreuzfallschirm einen 𝐶𝐷-Offen von 0.57 und einen 𝐶𝐷-Reefed
von 0.109 aufweist. Damit werden eine Landegeschwindigkeit von 8.5 m/s und eine Fallgeschwindigkeit in
der ersten Flugphase von 19.44 m/s erreicht.
Die Vorgabegeschwindigkeit der IREC liegt in der ersten Phase zwischen 23 m/s und 45 m/s und die
Landegeschwindigkeit soll weniger als 9 m/s betragen. Damit wurde nur eine der beiden Hauptanforderungen
erfüllt. Um beide Anforderungen erfüllen zu können muss die Dimensionierung des Fallschirmes optimiert und
erneut getestet werden.
The objective of this thesis is to develop a simple, reusable and save recovery system in the form of a reefed
parachute for the self-constructed rockets of the student association ARIS. Therefore the requirements of IREC
regarding the descent rate must be met. Special focus was set on the development and manufacture of a
cruciform parachute with integrated skirt-reefing.
A reefed parachute combines the properties of a drogue parachute with those of a main parachute. That is to
say that only one parachute can realize two different constant descent rates.
In this thesis a concept study was made and the best assessed solution was enhanced. It was shown, how a
cruciform parachute with skirt-reefing was dimensioned, manufactured and tested. The determination of the
drag coefficient 𝐶𝐷 for the open and reefed parachute were emphasized.
This thesis was based on the “Parachute Recovery System Design Manual” by T.W. Knacke and on the
technical report “Effects Of Canopy Geometry On The Drag Coefficient Of A Cross Parachute In The Fully
Open And Reefed Conditions For A W/L Ratio of 0.264” by W.P. Ludtke.
A 𝐶𝐷of 0.57 in the open stage was determined by the conducted drop test out of 60 meters and a 𝐶𝐷 of 0.109
in the reefed stage was extracted by the translational drive test. With these performance values a touchdown
velocity of 8.5 m/s and a constant descent rate in the first stage of 19.44 m/s can be reached.
The required descent rate of IREC is in between 23 m/s and 45 m/s during the first stage and the touchdown
velocity must be less than 9 m/s. Thereby only one of both main requirements was met. To satisfy both
requirements the dimensioning of the canopy must be optimized and tested again.
Startrampe ARIS
Diese Arbeit wurde für den Verein ARIS – Akademische Raumfahrt Initiative Schweiz erstellt.
Ziel der Arbeit ist es, eine Startplattform für Forschungsraketen zu entwickeln und deren Funktionalität zu
verifizieren, um das Konzept anschliessend in Zusammenarbeit mit externen Partnern herzustellen.
In einem ersten Schritt wurden die Anforderungen an eine neue Startrampe genau untersucht. Aus den
gewonnenen Erkenntnissen ist ein umfangreicher Funktions- und Anforderungskatalog entstanden, der als
Grundlage für das neue Konzept dient.
Mit einem morphologischen Kasten wurden möglichst vielfältige Lösungsansätze gesucht und verglichen.
Daraus wurde ein Konzept zur weiteren Entwicklung ausgewählt.
Die entwickelte Lösung ist eine transportierbare Startrampe für Forschungsraketen. Durch einen modularen
Turmaufbau lassen sich Führungslängen von 1 – 5.2 m umsetzen. Die Elevation lässt sich im Bereich von 0-
15° per Handkurbel einstellen und fixieren. Durch den innovativen Aufbau lässt sich der Azimutwinkel 360°
stufenlos einstellen.
Für alle kritischen Bauteile wurde ein Festigkeitsnachweis gemacht, alle Bauteile haben die geforderten
Sicherheiten erfüllt. Die Standsicherheit der Plattform beträgt bei allen Betriebsfällen mindestens 6.
Launchpad ARIS
This thesis was written for the association ARIS - Akademische Raumfahrt Initiative Schweiz.
The goal of the thesis is to develop and verify a launch platform for research rockets, in order to subsequently
realise the concept in cooperation with external partners.
In a first step, the requirements for a new launch pad were examined in detail. Based on the gained
knowledge, a comprehensive catalogue of functions and requirements was drawn up, building the basis of the
newly designed condept.
A morphological box was used to search and compare as many approaches as possible. From this, one
concept was selected for further development.
The result is a transportable launch pad for research rockets. Thanks to a modular tower construction, guide
lengths of 1 - 5.2 m can be realized. The elevation can be adjusted and fixed in the range of 0-15° using a
hand crank. The innovative design allows for the azimuth angle to be infinitely adjusted 360°.
For all critical components a proof of strength has been made, all components have fulfilled the required
safety requirements. The stability of the platform is at least 6 in all operating cases.
Startrampe ARIS
Diese Arbeit wurde für den Verein ARIS – Akademische Raumfahrt Initiative Schweiz erstellt.
Ziel der Arbeit ist es, eine Startplattform für Forschungsraketen zu entwickeln und deren Funktionalität zu
verifizieren, um das Konzept anschliessend in Zusammenarbeit mit externen Partnern herzustellen.
In einem ersten Schritt wurden die Anforderungen an eine neue Startrampe genau untersucht. Aus den
gewonnenen Erkenntnissen ist ein umfangreicher Funktions- und Anforderungskatalog entstanden, der als
Grundlage für das neue Konzept dient.
Mit einem morphologischen Kasten wurden möglichst vielfältige Lösungsansätze gesucht und verglichen.
Daraus wurde ein Konzept zur weiteren Entwicklung ausgewählt.
Die entwickelte Lösung ist eine transportierbare Startrampe für Forschungsraketen. Durch einen modularen
Turmaufbau lassen sich Führungslängen von 1 – 5.2 m umsetzen. Die Elevation lässt sich im Bereich von 0-
15° per Handkurbel einstellen und fixieren. Durch den innovativen Aufbau lässt sich der Azimutwinkel 360°
stufenlos einstellen.
Für alle kritischen Bauteile wurde ein Festigkeitsnachweis gemacht, alle Bauteile haben die geforderten
Sicherheiten erfüllt. Die Standsicherheit der Plattform beträgt bei allen Betriebsfällen mindestens 6.
Launchpad ARIS
This thesis was written for the association ARIS - Akademische Raumfahrt Initiative Schweiz.
The goal of the thesis is to develop and verify a launch platform for research rockets, in order to subsequently
realise the concept in cooperation with external partners.
In a first step, the requirements for a new launch pad were examined in detail. Based on the gained
knowledge, a comprehensive catalogue of functions and requirements was drawn up, building the basis of the
newly designed condept.
A morphological box was used to search and compare as many approaches as possible. From this, one
concept was selected for further development.
The result is a transportable launch pad for research rockets. Thanks to a modular tower construction, guide
lengths of 1 - 5.2 m can be realized. The elevation can be adjusted and fixed in the range of 0-15° using a
hand crank. The innovative design allows for the azimuth angle to be infinitely adjusted 360°.
For all critical components a proof of strength has been made, all components have fulfilled the required
safety requirements. The stability of the platform is at least 6 in all operating cases.
Startrampe ARIS
Diese Arbeit wurde für den Verein ARIS – Akademische Raumfahrt Initiative Schweiz erstellt.
Ziel der Arbeit ist es, eine Startplattform für Forschungsraketen zu entwickeln und deren Funktionalität zu
verifizieren, um das Konzept anschliessend in Zusammenarbeit mit externen Partnern herzustellen.
In einem ersten Schritt wurden die Anforderungen an eine neue Startrampe genau untersucht. Aus den
gewonnenen Erkenntnissen ist ein umfangreicher Funktions- und Anforderungskatalog entstanden, der als
Grundlage für das neue Konzept dient.
Mit einem morphologischen Kasten wurden möglichst vielfältige Lösungsansätze gesucht und verglichen.
Daraus wurde ein Konzept zur weiteren Entwicklung ausgewählt.
Die entwickelte Lösung ist eine transportierbare Startrampe für Forschungsraketen. Durch einen modularen
Turmaufbau lassen sich Führungslängen von 1 – 5.2 m umsetzen. Die Elevation lässt sich im Bereich von 0-
15° per Handkurbel einstellen und fixieren. Durch den innovativen Aufbau lässt sich der Azimutwinkel 360°
stufenlos einstellen.
Für alle kritischen Bauteile wurde ein Festigkeitsnachweis gemacht, alle Bauteile haben die geforderten
Sicherheiten erfüllt. Die Standsicherheit der Plattform beträgt bei allen Betriebsfällen mindestens 6.
Launchpad ARIS
This thesis was written for the association ARIS - Akademische Raumfahrt Initiative Schweiz.
The goal of the thesis is to develop and verify a launch platform for research rockets, in order to subsequently
realise the concept in cooperation with external partners.
In a first step, the requirements for a new launch pad were examined in detail. Based on the gained
knowledge, a comprehensive catalogue of functions and requirements was drawn up, building the basis of the
newly designed condept.
A morphological box was used to search and compare as many approaches as possible. From this, one
concept was selected for further development.
The result is a transportable launch pad for research rockets. Thanks to a modular tower construction, guide
lengths of 1 - 5.2 m can be realized. The elevation can be adjusted and fixed in the range of 0-15° using a
hand crank. The innovative design allows for the azimuth angle to be infinitely adjusted 360°.
For all critical components a proof of strength has been made, all components have fulfilled the required
safety requirements. The stability of the platform is at least 6 in all operating cases.