06 Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie
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Item Open Access Bemannte Missionen zum Mars mit kontinuierlichen Antrieben(2005) Schmidt, Tanja D.; Auweter-Kurtz, Monika (Prof. Dr.-Ing habil.)Im Rahmen dieser Arbeit werden bemannte Missionen zum Mars für unterschiedliche Antriebskonzepte im Hinblick auf Flexibilität, kurze Gesamtmissionsdauern, kurze Transferzeiten und moderate Startmassen untersucht und verglichen. Die untersuchten Antriebskonzepte sind kontinuierliche elektrische Antriebe sowie chemische und nuklear-thermische Antriebe, die zur Kategorie der impulsiven Antriebe gehören. Die im Rahmen dieser Arbeit hierzu erstellten Programme bzw. Routinen zur Bahnsimulation und -optimierung werden vorgestellt. Es werden die Ergebnisse einer detaillierten, systematischen Bahnanalyse für helio- und planetozentrische Bahnen und für Rundreise-Missionen aufgezeigt. Speziell für die kontinuierlichen elektrischen Antriebe werden Variationen der Antriebsparameter (Schub, spezifischer Impuls und Triebwerkswirkungsgrad) durchgeführt und deren Einfluß auf Flugzeit und Startmasse bzw. Treibstoffmasse untersucht. Es werden die hierfür notwendigen minimalen Antriebsparameter für bemannte Marsmissionen ausgearbeitet und verschiedene elektrische Antriebskonzepte hinsichtlich Anwendbarkeit untersucht. Die atmosphärischen Flugsegmente einer solchen Mission werden im Rahmen dieser Arbeit mittels Literaturstudien untersucht. Die in der Literatur diskutierten Konzepte für Schwerlaststartraketen an der Erde, Marsaufstiegsfahrzeuge sowie Aermanöver-Vehikel für Mars und Erde werden hinsichtlich Anwendbarkeit für bemannte Marsmissionen evaluiert und Konzeptvorschläge ausgearbeitet. Neben dem Antriebssystem werden im Rahmen dieser Arbeit die Lebenserhaltung, Habitate und die Energieversorgung untersucht. Es werden Modelle für diese Subsysteme erstellt und verschiedene Konzepte miteinander verglichen. Basierend auf den Ergebnissen dieser Arbeit wird ein Konzeptvorschlag einer bemannten Marsmission mit kurzer Gesamtmissionsdauer unter Verwendung kontinuierlicher elektrischer Antriebe vorgestellt.Item Open Access Optimierung eines Hochdruckelektrolysesystems für regenerative Brennstoffzellensysteme(2023) Fremdling, Fabian; Fasoulas, Stefanos (Prof. Dr.-Ing)Diese Dissertation fasst die Entwicklung eines Hochdruckelektrolysesystems mit einem Betriebsdruck von 100 bar als Teil eines regenerativen Brennstoffzellensystems (RFCS) für Luft- und Raumfahrtanwendungen zusammen. Die Entwicklung basiert auf den zuvor durchgeführten Optimierungsmaßnahmen eines alkalischen Wasserelektrolyseurs, dem ein Zelldesign mit immobilem Elektrolyt und direkter Wasserzufuhr in ein Doppeldiaphragma zugrunde liegt. Die Probleme bei diesem Elektrolyseur liegen in der Unterbrechung der ionischen Leitfähigkeit durch Inhomogenitäten in der Elektrolytkonzentration und Gasansammlungen im Elektrolytbereich, die im Betrieb auftreten, sowie in der Versorgung der Kathode mit Wasser. Dies wird experimentell abgebildet und theoretisch beschrieben. Verschiedene Maßnahmen zur Behebung der Probleme werden vorgestellt, jedoch kann kein zufriedenstellender Betrieb erreicht werden, was zu einer Änderung des Zelldesigns führt. Anstatt einer direkten Wasserversorgung ins Doppeldiaphragma wird eine Elektrolytzirkulation durch den Kathodenraum implementiert und ein Diaphragma entfernt. Diese Änderungen bringen eine Separationseinheit für Wasserstoff vom Elektrolyt sowie eine zusätzliche Pumpe mit sich, der Elektrolyt liegt nun mobil vor. Somit erhöht sich die Systemkomplexität, die uneingeschränkte Raumfahrttauglichkeit ist zunächst nicht gegeben. Dieses neue Elektrolysesystem wird anschließend in zahlreichen Testreihen charakterisiert. Erzielt werden auf Zellebene eine maximale Effizienz von 90.4 % bei 0.509 A/cm², ein möglicher Stromdichtebereich bis 0.76 A/cm², ein Betriebsdruck von 100 bar (Wasserstoff und Sauerstoff) und ein Temperaturbereich von 30-90 °C. Die so gewonnenen Versuchsdaten bilden, zusammen mit theoretischen Grundlagen und weiteren experimentellen Daten, die Basis für eine Modellierung des Systems. Diese Modellierung wird in Matlab/Simulink erstellt und bildet das gesamte Elektrolysesystem ab. Mithilfe der Modellierung können Betriebsparameter des Elektrolysesystems optimiert sowie das Verhalten des Systems in bestimmten Betriebspunkten vorhergesagt werden. Das Modell selbst kann in eine RFCS Gesamtsystemmodellierung implementiert werden. Des Weiteren werden in dieser Arbeit Untersuchungen zur Gasreinheit des Elektrolysesystems durchgeführt. Dies beinhaltet theoretische und experimentelle Untersuchungen zur Gasverunreinigung von Elektrolysegasen sowie Konzepte und Untersuchungen zur Reinigung dieser Gase. Für die für regenerative Brennstoffzellensysteme spezifische Anforderung der Passivphase des Elektrolysesystems wird ein Betriebskonzept erarbeitet. Das Elektrolysesystem ist so umfangreich theoretisch abgebildet, was eine akkurate Auslegung und Anpassung zulässt, auch für Anwendungen außerhalb regenerativer Brennstoffzellensysteme.Item Open Access Methode zur Messung von atomarem Sauerstoff mittels katalytischem Prinzip(2016) Steinbeck, Andreas; Fasoulas, Stefanos (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Science planning for the DESTINY+ Dust Analyzer : leveraging the potential of a space exploration instrument(2024) Sommer, Maximilian; Srama, Ralf (Apl. Prof. Dr.-Ing.)The DESTINY+ Dust Analyzer (DDA) is a highly sophisticated planetary science instrument to provide cutting-edge in-situ characterization of individual cosmic dust grains, with respect to their composition, as well as their physical and dynamical properties. As such, it constitutes a critical component of the upcoming JAXA mission DESTINY+, which is scheduled to launch in 2025. After a three-year cruise phase, the spacecraft will perform a flyby of the target asteroid 3200 Phaethon, with the goal of observing the enigmatic Geminids parent body with two camera instruments, and sampling particles released from its surface with the DDA. Until that flyby, DESTINY+ will execute a highly diverse, ion-engine-driven flight plan that allows DDA to extensively study the dust environments of the Earth, Moon, and interplanetary space - a breadth of science opportunities that is unique to this mission and instrument. This dissertation provides a comprehensive study of the dust types and phenomena possibly encountered by DDA during its journey to Phaethon and applies the principles and methods of science planning to prepare for the operational phase of the mission. The work synthesizes technical considerations and scientific analyses of relevant cosmic dust populations, aiming to optimize DDA’s scientific potential. Detailed examinations of spacecraft and instrument factors, such as the dynamic spacecraft attitude during the near-Earth phase or the instrument’s two-axis pointing mechanism, lay the groundwork for the scientific planning. The thorough analysis of known (and lesser known) dust populations in the inner solar system and of previous relevant measurements by other dust instruments form the core of the study. Finally, the findings are consolidated into a draft science activity plan for the entire mission, as well as exemplary pointing timelines to be executed by the instrument for optimal scientific return. The latter is accomplished with the DOPE tool, which aids in intuitive and efficient planning of DDA observations, having been developed in the scope of this project. The presented work builds the foundation for the scientific operations of DDA, setting it up for a successful and scientifically impactful mission. The findings of this study also provide a valuable perspective for other ventures of in-situ dust astronomy to the inner solar system and contribute to the field of cosmic dust as a whole.Item Open Access Entwicklung und Untersuchung eines Partikelverfahrens zur Simulation elektromagnetischer Wechselwirkungen in verdünnten Plasmaströmungen(2015) Stindl, Torsten; Auweter-Kurtz, Monika (Prof. Dr.-Ing. habil.)In einer Vielzahl von technischen Prozessen und Geräten, insbesondere in der Raumfahrt, spielen verdünnte Plasmaströmungen eine signifikante Rolle. Zur Erforschung, Auslegung und Optimierung dieser Prozesse und Geräte können numerische Plasmasimulationen einen wertvollen Beitrag liefern. Aufgrund der dünnen Plasmen und der damit verbundenen Ungültigkeit der Kontinuumsannahme werden Partikelverfahren verwendet. Gekoppelte PIC-DSMC-Verfahren zur Approximation der Boltzmanngleichung können sowohl elektromagnetische Interaktionen als auch Kollisionen der Partikel behandeln. Ein solches Verfahren wird derzeit in einer Kooperation zwischen dem Institut für Raumfahrtsysteme (IRS) und dem Institut für Aerodynamik und Gasdynamik (IAG) der Universität Stuttgart entwickelt, mit früheren Beteiligungen des Karlsruher Institut für Technologie (KIT), des Höchstleistungsrechenzentrums Stuttgart (HLRS) und der German Research School der RWTH Aachen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und Untersuchung von Teilen der PIC-Komponente dieses gekoppelten PIC-DSMC-Verfahrens und stellt die implementierten Verfahren und Techniken sowie die durch die Verifizierung und Untersuchung gewonnenen Erkenntnisse vor. Die theoretischen Grundlagen und physikalischen Zusammenhänge sowie die grundlegenden Gleichungen werden vorgestellt. Die Modellierung und Implementierung des PIC-Verfahrens wird erläutert und die räumlichen und zeitlichen Diskretisierungsmethoden sowie Randbedingungen des Verfahrens werden präsentiert. Der Fokus der Arbeit liegt auf der Partikelbehandlung. Dazu gehören unter anderem die Partikellokalisierung und -verfolgung bezüglich des Rechengitters sowie die Randbehandlung der Partikel. Die entwickelten und vorgestellten Methoden ermöglichen eine zuverlässige und schnelle Verfolgung der Partikel auf unstrukturierten Gittern mit nicht planaren Flächen zwischen Gitterelementen. Dadurch wird allgemein die sichere Anwendung von Randbedingungen, für das PIC-Verfahren die korrekte Zuordnung der Partikel zu den Rechengitterelementen und für das DSMC-Verfahren die schnelle Erfassung der in einem Element befindlichen Partikel gewährleistet. Ein weiterer Aspekt der Partikelbehandlung ist die Deposition der Ladungen von den Partikeln auf das Rechengitter selbst, für die verschiedene Methoden präsentiert werden. Durch eine grundlegende Untersuchung dieser Methoden hinsichtlich Rechenaufwand, Ladungserhaltung und -verteilung wird deren Eignung für verschiedene Anwendungsbereiche und deren spezifischen Anforderungen identifiziert. Für die bisher verwendete Formfunktionsmethode wurde eine Alternative hoher Ordnung auf der Basis von B-Splines eingeführt, die durch die Verwendung eines kartesischen Hintergrundgitters zur Deposition zu einer signifikanten Reduzierung des Rechenaufwands führt. Da die Simulation der meisten Anwendungsfälle aufgrund der Notwendigkeit von hohen Partikelzahlen und hochaufgelösten Rechengittern sehr rechenintensiv ist und somit die Verwendung von parallelen Hochleistungsrechnern erfordert, ist das Verfahren voll parallelisiert. Die Methoden zurParallelisierung der einzelnen Teile des Verfahrens werden vorgestellt. Darüber hinaus wird die Skalierbarkeit und die Verteilung der Rechenlast gezeigt. Das PIC-Verfahren wird verifiziert und die Anwendbarkeit des Verfahrens am Beispiel der Simulation einer Strömung durch das Gitter eines Ionentriebwerks demonstriert. Die in dieser Arbeit vorgestellten Verfahren und Techniken ermöglichen die parallele Simulation von dreidimensionalen verdünnten Plasmaströmungen auf komplexen Geometrien unter Verwendung des Discontinuous Galerkin Verfahrens hoher Ordnung, wofür die hierfür entwickelten und untersuchten Partikelbehandlungsmethoden einen wesentlichen Beitrag leisten.Item Open Access Konzeptioneller Systementwurf und Missionsanalyse für einen auftriebsgestützten Rückkehrkörper(2001) Burkhardt, Johannes; Messerschmid, Ernst W. (Prof. Dr.rer.nat.)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.Item Open Access Active removal of space debris with space-based lasers : performance and requirements(2016) Schmitz, Manuel; Fasoulas, Stefanos (Prof. Dr.-Ing.)Space debris has recently become a topic of elevated interest. As the threat of an uncontrollable collision cascade among defunct space objects, known as the Kessler syndrome, is being discussed, the stakeholders and decision-makers have begun to consider the active removal of orbital debris. Thus motivated, the space community has begun conceiving and studying technical concepts for the realization. The bulk of them address the removal of larger bodies from orbit. These are catalogued and have the potential of fragmenting into a high number of new, dangerous objects. This thesis, however, treats a concept for the removal of the medium-sized (1 cm to 10 cm) debris objects. These are by far more numerous and are not catalogued. They have a comparable destructive potential but may be even harder to pick from their orbits. The remediation concept treated herein employs a space-based, high-power laser. By engaging objects in the size regime of 1 cm to 10 cm, and causing laser-induced surface ablation on a substantial subset of the debris population, the objects' perigees shall be reduced, so that they will re-enter the atmosphere quickly and eventually burn up. Although this mission concept has been studied in the past, essential key aspects have not yet been analysed in sufficient depth. In fact, important parts have only been covered by rough estimates and rule-of-thumb calculations. Among these topics are: The number of reachable debris objects, the necessity for orbital manoeuvres to be performed by the laser, the impact of the relative motion between laser and debris in the near field, and the connection between the laser optics and orbital mechanics. This thesis determines the boundaries in which a space-based laser debris removal can be performed. It identifies the necessary assumptions and the prerequisites, and derives technical system requirements for an implementation. For this purpose, a generic and comprehensive mission performance model is established. The model employs a discrete element approach, which is implemented as a numerical code. It allows performing case studies of individual missions as well as systematic parameter scans and optimizations. Additionally, it provides insight into the relevant mechanisms that are driving the performance: The user can tell why a particular scenario is strong or weak, and iteratively tune the mission and system parameters of the orbital debris sweeper platform. Three performance-driving quantities have been identified: The laser range, the tracking agility and the laser's power. This computer-based model is used to identify the constraints and the boundary conditions of the mission concept in general, framing a "design space" of missions. Finally, three exemplary sweeper missions are presented as a demonstration of the model's capabilities. Requirements for their technical implementation are estimated, along with an analysis of their remediation performance. The balanced scenario is shown to be capable of reducing the debris density in the most polluted orbital regions by 23% in 10 years.Item Open Access Merging spacecraft software development and system tests : an agile verification approach(2021) Bucher, Nico; Eickhoff, Jens (Prof. Dr.-Ing.)In this dissertation, the author describes an agile verification approach for spacecraft onboard software that allows for software development guided by system tests performed with the actual spacecraft. The approach was applied for the Flying Laptop small satellite, built and operated by the Institute of Space System (IRS) at the University of Stuttgart, Germany. This work contains examples of practical experience gathered during the system testing campaign of Flying Laptop.Item Open Access Untersuchungen zur experimentellen Simulation des Eintritts von Raumflugkörpern in die Marsatmosphäre(2008) Endlich, Pia; Auweter-Kurtz, Monika (Prof. Dr.-Ing. habil.)Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung der Plasma-Wand-Wechselwirkung von drucklos gesintertem Siliziumkarbid als Hitzeschutzmaterial für Eintrittsmanöver von Raumflugkörpern in die Atmosphäre des Mars. Als Basis dazu werden geeignete Plasmabedingungen, die mittels des induktiv beheizten Plasmagenerators IPG4 am Plasmawindkanal PWK3 des IRS erzeugt werden, charakterisiert. Als Arbeitsgas für das Plasma wird ein der Marsatmosphäre ähnliches Gasgemisch aus 97 % CO2 und 3 % N2 verwendet. Die Bestimmung der Eigenschaften des Plasmastrahls wird hinsichtlich Wärmestromdichte, Pitotdruck, Plasmageschwindigkeit und Plasmazusammensetzung messtechnisch durchgeführt. Analytische Modelle, die auf einer vorangegangenen theoretischen Beschreibung des axialsymmetrischen Plasmafreistrahles mit einer unterexpandierten Düsenströmung basieren, ermöglichen es, die Länge der Strahlanfangszone und der ersten Strahlzellen zu bestimmen. In Kombination mit den experimentellen Ergebnissen wird weiterhin die qualitative Verteilung der spezifischen Enthalpie im Plasmaquerschnitt ermittelt. Das Einblasen von Eisenoxidpartikeln in den Plasmastrahl, wie sie durch Staubstürme in der Marsatmosphäre in höheren Atmosphärenschichten vorkommen können, zeigt eine deutliche Erhöhung der Wärmestromdichte auf einen Probenkörper im Plasmastrahl. Tests mit SSiC--Hitzeschutzmaterialproben deuten unter Einsatz der Untersuchungsmethoden Photoelektronenspektrometrie und REM-Aufnahmen auf eine aktive Oxidation der Hitzeschutzmaterialprobe aus drucklos gesintertem Siliziumkarbid im Plasma bei hohen Wärmestromdichten hin.Item Open Access Entwicklung und Schaffung eines in-situ Feuchtemessgerätes für den Mars im Zusammenhang mit der ESA Marsmission ExoMars(2012) Koncz, Alexander; Röser, Hans-Peter (Prof. Dr. rer. nat.)Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurden mehrere Sensoren zur Detektion des atmosphärischen Wassergehaltes entwickelt und für ihren Einsatz auf dem Mars im Zuge der ESA ExoMars Mission optimiert und teilweise qualifiziert. Die Arbeiten am als MiniHUM bezeichneten Instrument umfassten sowohl die Charakterisierung und Entwicklung eines coulometrischen Sensorsystems als auch den Test und die Auswahl von kommerziell erhältlichen kapazitiven Polymerfeuchtesensoren. Zudem wurde ein Sensor zur Detektion der Phasenumwandlungstemperatur qualitativ untersucht. In der vorliegenden Arbeit standen insbesondere die wissenschaftlichen Problem- und Fragestellungen des coulometrischen Sensors im Fokus. Durch eine Veränderung von Sensorbeschichtung, Sensorlayout und Betriebsart ist es während der Dissertation gelungen, dessen Reproduzierbarkeit, Genauigkeit und Langzeitstabilität bei Unterdruck und Tieftemperaturen, aber auch unter Normalbedingungen signifikant zu erhöhen und die Standzeiten deutlich zu verlängern. Die gefundenen Ergebnisse und Technologien konnten als Spin-off im Projekt HUMITRACE in Zusammenarbeit mit einem KMU dazu verwendet werden, eine neue Generation von industriellen Spurenfeuchtetransmittern bis zur Marktreife zu entwickeln. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit war die Erstellung und experimentelle Validierung eines numerischen CFD-Modells, mit dem die Wasserdampfdiffusion durch die am coulometrischen Sensor verwendete permeable Membran und die Auswirkungen der elektrolytischen Aufspaltung des Wassers am Sensor simuliert werden können. Somit wird es möglich, den Sensor in komplexe Simulationen einzubinden und so beispielsweise die Auswirkungen von Landeraufbauten, Airbag und unterschiedlichen thermischen Umgebungen auf das Sensorsignal zu untersuchen. Neben den coulometrischen Sensoren wurden auch zwei kommerzielle kapazitive Polymerfeuchtesensoren sowohl unter Marsbedingungen als auch im Thermalzyklustest geprüft und charakterisiert. Die verwendeten Modelle zeigten trotz der extremen Bedingungen eine stabile Kennlinie und bewiesen, dass die Sensoren in Umgebungen einsetzbar sind, welche deutlich von dem Messbereich abweichen, für den sie entwickelt wurden. Zusätzlich zu den Entwicklungsarbeiten wurde im Zuge der ExoMars Mission ein erster Prototyp des MiniHUM Instrumentes konstruiert und gebaut. Zusammen mit der für ein Raumfahrtprojekt nötigen Dokumentation nach ECSS Standard, mit deren Hilfe der Nachweis geführt wurde, dass das Instrument den raumfahrttechnischen Anforderungen entspricht und alle Management-, Produkt- und Qualitätssicherungsmaßgaben eingehalten wurden, konnte in einem Gutachten der ESA ein Technologiereifegrad von 5 erreicht werden.