An interdisciplinary approach to the conceptual design of inhabited space systems

Abstract

The conceptual design (project phase 0/A) of systems for long-duration manned space missions poses a significant challenge to the traditional design approach used for robotic or short-duration missions. Yet the success of planned expeditions to Mars and beyond depends on the ability of system designers to create an overall concept that maximizes crew efficiency and minimizes cost as well as the risk of catastrophic failure, while at the same time integrating a wide array of technological, crew-related and political boundary conditions. The interdisciplinary approach presented in this report proposes putting the focus on the most efficient integration of the crew into a space system as one solution to this conceptual design problem. Thus, human-rated space structures - be they inhabited orbital or planetary stations, or piloted interplanetary transfer vehicles - are treated by the designers not as 'machinery-with-attached-crew' like earlier spacecraft, but primarily as habitats, in order to assure mission success under conditions of long-term isolation, confinement and risk. The proposed approach is based on space systems engineering methodology and associated software tools, with key elements from terrestrial architectural practice added. It also provides software specifically developed for the analysis of life support systems - a crucial component of human-rated space systems - during the early phase of conceptual design. Several examples are given to demonstrate the validity of this truly interdisciplinary approach.

Der Entwurf von Systemen für bemannte Langzeit-Weltraummissionen (Projektphase 0/A) stellt den herkömmlichen Entwurfsansatz, wie er für unbemannte oder Kurzzeit-Missionen verwendet wird, vor erhebliche Herausforderungen. Der Erfolg geplanter Expeditionen zum Mars und darüber hinaus hängt jedoch davon ab, ob es dem Entwurfsteam gelingt, ein Konzept zu entwickeln, welches die Produktivität der Besatzung maximiert und Kosten sowie Risiko minimiert, und das gleichzeitig eine große Anzahl technologischer, finanzieller und politischer Randbedingungen berücksichtigt. Die im vorliegenden Bericht vorgestellte interdisziplinäre Methodik zeigt einen Weg zur Lösung dieses Entwurfsproblems auf. An vorderster Stelle steht dabei die bestmögliche Integration der Besatzung in ein zu entwerfendes Raumfahrtsystem, d.h. die Behandlung bemannter Weltraumstrukturen nicht als 'Maschinen mit angegliederter Besatzung', wie oft bei früheren Raumfahrzeugen, sondern als integrierte Lebensräume. Grundannahme dabei ist, daß die Produktivität und Effizienz der Besatzung durch eine an den Menschen angepaßte Gestaltung der Umgebung erhöht wird. Der vorgestellte neue Ansatz basiert auf einer Ingenieursmethodik zum Vorentwurf von Raumfahrtsystemen samt zugehöriger Computerprogramme, die um wichtige menschenbezogene Entwurfsregeln erweitert worden ist. Hinzu kommen Elemente aus der 'irdischen' Architekturpraxis. In dieser geht es ebenfalls um den Entwurf von Lebens- und Arbeitsräumen für Menschen; sie stellt daher auch entsprechend angepaßte Entwurfswerkzeuge zur Verfügung. Ferner wurde speziell zur Analyse von Lebenserhaltungssystemen und deren synergetischen Verknüpfungspotentialen während der Vorentwurfsphase eine Software entwickelt, die eine frühzeitige Auslegung dieses für bemannte Raumfahrtsysteme unverzichtbaren Subsystems ermöglicht. Die neuentwickelte Methodik wurde in mehreren realistischen interdisziplinären Entwurfsprojekten angewendet, die im Bericht dokumentiert sind.