Konzeptioneller Systementwurf und Missionsanalyse für einen auftriebsgestützten Rückkehrkörper

Abstract

Die Arbeit diskutiert die Vorgehensweise des konzeptionellen Entwurfs von Rückkehrsystemen am Beispiel einer auf wissenschaftlich-technologische Fragestellungen ausgerichteten Mission eines auftriebsgestützten Flugkörpers. Für diese Aufgabenstellung werden Entwurfs- und Analyseverfahren der Fachdisziplinen Aerodynamik, Aerothermodyamik, CAD-Entwurf und Missionanalyse entwickelt bzw. bereitgestellt und angewandt. Die Festlegung des Fahrzeugkonzepts und der Mission verwendet die multidisziplinäre, iterativ-sequentielle Methodik, in deren Verlauf ein Anfangsentwurf bis zur endgültigen Systemauslegung stetig verbessert wird. Im ersten Entwurfsschritt wird eine Fahrzeugform mit abgeflachter Körperunterseite und am Heck angeordneten Trimmklappen als besonders geeignet für die Erfüllung der vorgegebenen Missionsziele identifiziert. Als Referenzmission für dieses Flugkörperkonzept COLIBRI (engl.: Concept of a Lifting Body for Reentry Investigations) ist ein Mitflug als externe Nutzlast auf der russischen FOTON-Kapsel vorgesehen. Das Fahrzeugkonzept wird im nächsten Entwurfsschritt als CAD-Entwurf detailliert und auf der Basis von numerischen Detailverfahren und Windkanalmessungen abgesichert. Hierbei können die wichtigsten Parameter des konzeptionellen Entwurfs von Rückkehrfahrzeugen identifiziert, ihre gegenseitigen Wechselwirkungen aufgezeigt und damit auch die für ein ausgewogenes Flugkörper-Gesamtkonzept erforderliche bzw. zweckmäßige Modell-Detaillierungstiefe bestimmt werden. Damit trägt die Arbeit zum tieferen Verständnis der komplexen Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Fachdisziplinen bei, die bereits im frühen Stadium der Entwicklung von Rückkehrsystemen, bzw. von Raumtransportsystemen generell, beachtet werden müssen, um aufwendige Modifikationen im Verlauf eines Projekts gering zu halten.

The thesis addresses the conceptual design and the mission analysis of reentry vehicles. Subject of the investigations is a medium lift-to-drag vehicle to be conceived as a testbed to perform scientific and technology experiments. For this purpose aerodynamic, aerothermodynamic, CAD, and mission analysis tools have been developed and applied, respectively. The multi-disciplinary vehicle and mission design problem is solved by means of iterative, sequential design steps to improve the first concept towards a converged system. Within the first design step simplified assumptions and models have been applied to define a reference mission and a vehicle which meet best the given mission requirements and limitations. For a low-cost approach a piggy-back flight opportunity on the Russian FOTON capsule has been chosen. The vehicle shape selected is a sphere-cone with an oblate bottom surface and a two-segment body flap, which is termed COLIBRI (Concept of a Lifting Body for Reentry Investigations). This first concept is substantiated within the subsequent design steps, including CAD design, more detailed numerical prediction tools, and wind tunnel data. The results of these analyses allow to identify the most important design parameters for the conceptual design of reentry vehicles, to point out the interactions between the different disciplines involved, and therefore to determine the respective model accuracy suitable to obtain a balanced overall vehicle design. In this context the thesis is a contribution to the efficient design of reentry vehicles and of space transportation systems in general, avoiding expensive misleading concepts in the development of space vehicles already in the early phases of a project.