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 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 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 Aufbau, Qualifikation und Charakterisierung einer induktiv beheizten Plasmawindkanalanlage zur Simulation atmosphärischer Eintrittsmanöver(2004) Herdrich, Georg; Auweter-Kurtz, Monika (Prof. Dr.-Ing. habil.)Zur elektrodenfreien Erzeugung von Plasmen für die Entwicklung, Untersuchung und Qualifikation von Hitzeschutzmaterialien, die von Raumflugkörpern bei Eintrittsmanövern in die Atmosphären von Venus, Erde und Mars benötigt werden, wurde im Rahmen dieser Arbeit der induktiv beheizte Plasmawindkanal PWK3 des IRS aufgebaut. Die Anlage, die über modular konstruierte induktive Plasmageneratoren zum Betrieb mit den Gasen Kohlendioxid, Luft, Sauerstoff und Stickstoff ver¬fügt, wurde für hohe Plasmaleistungen bis zu 60 kW qualifiziert. Messungen von Plasmaleistungen, Induktorströmen, Betriebsfrequenzen, elektromagnetischen Feldstärken, Wärmeströmen auf Probekörpern, Pitotdrücken und Machzahlen dienen der umfassenden Charakterisierung des Betriebsverhaltens der Plasmageneratoren und der Plasmabedingungen. Neuentwickelte analytische Modelle und numerische Berechnungen, deren Ergebnisse gut mit den experimentellen Daten übereinstimmen, ermöglichen durch die Optimierung der Wandstärke des Entladungsgefäßes, der Spulenwindungszahl und der Anzahl der Kapazitäten im Schwingkreis eine maximale Plasmaleistung bei hoher Betriebszeit für unterschiedliche Gaszusammensetzungen.Item Open Access Modell-basierte Systemsimulation eines Kleinsatelliten mit einem FPGA-basierten On-board-Computer(2009) Falke, Albert; Röser, Hans-Peter (Prof. Dr.-Ing.)Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich schwerpunktmäßig mit der Systemsimulation des Satelliten Flying Laptop unter Weltraumbedingungen, mit dem Ziel die Funktionalitäten des Satellitensystems als Ganzes zu verifizieren. Simulation bezeichnet allgemein das Nachahmen des Verhaltens eines Systems oder Prozesses zum Zwecke der Analyse von Systemen, die für die theoretische oder formelmäßige Behandlung zu kompliziert sind. Auch im Kontext einer Kleinsatellitenmission ist das Satellitensystem bereits so komplex, dass man ohne die systemweite Simulation keine detaillierte Analyse unter Berücksichtigung der vielen miteinander interagierenden Komponenten mehr durchführen kann. Bereits seit einigen Jahren verwenden renommierte Satellitenhersteller Simulationstechnologien, um bereits während der Satellitenentwicklung und Fertigung den größtmöglichen Missionserfolg zu gewährleisten. Eine dieser Technologien ist die Modell-basierte Entwicklungs- und Verifikationsumgebung der Firma EADS Astrium GmbH aus Friedrichshafen. Sie bietet ein systematisches und standardisiertes Entwicklungs- und Verifikationsrahmenwerk im Sinne eines systemweiten Satellitensimulators an, um die Entwicklung von Satelliten, die Verifikation der On-board Software und den Gesamtfunktionsnachweis des Satelliten zu unterstützen. In diesem Simulator können alle Satellitenkomponenten modelliert und die On-board Software somit auf funktionaler Ebene verifiziert werden. Auf diese Weise können aufwendige und kostenintensive Entwicklungsmodelle einzelner Subsysteme und Schlüsseltechnologien wegfallen. Insbesondere sei hier die Verifizierung der Genauigkeit des Lageregelungssystems angesprochen. Als technologische Voraussetzung bringt gerade diese Entwicklungstechnologie budgetschwache Kleinsatellitenprojekte der Realisierung einen deutlichen Schritt näher und erhöht gleichzeitig die Güte des Systemdesigns des Satelliten. Im Rahmen einer Kooperation wurde diese Simulationsumgebung dem Institut für Raumfahrtsysteme zur Adaption und Anwendung im Stuttgarter Kleinsatellitenprogramm zur Verfügung gestellt. Zur Anwendung der Systemsimulation im Kleinsatellitenprojekt Flying Laptop sind alle relevanten Satellitenkomponenten im Simulator durch entsprechende, detaillierte Softwaremodelle abgebildet worden. Der sukzessiven Entwicklung der Komponentenmodelle ist durch den schrittweisen Aufbau von immer komplexeren Testständen der Software-Verifikations-Einrichtung Rechnung getragen worden. Infolgedessen erweiterten sich die Simulationsfähigkeiten von ersten Orbitsimulationen mit wenigen Komponentenmodellen, aber mit geschlossenem Simulationskreislauf, über die Simulation von Energie- und Thermalbilanzen unter Betriebsbedingungen bis hin zu vollständigen Systemsimulationen unter Einbindung der realen On-board Kontrollalgorithmen auf einem FPGA-Entwicklungsboard. Gerade dieses charakteristische FPGA-basierte On-board Computer System mit den darauf betriebenen Kontrollalgorithmen führt zu einer großen Herausforderung bei der modellhaften Repräsentation derselbigen im Systemsimulator. In diesem Zusammenhang stellt die Einbindung der realen On-board Kontrollalgorithmen auf einem FPGA-Entwicklungsboard in den geschlossenen Simulationskreislauf eine erfolgreich realisierte technische Neuerung dar. Zum Zeitpunkt der Fertigstellung dieser Arbeit steht dem Projekt Flying Laptop durch die Einbindung der realen On-board Kontrollalgorithmen auf dem FPGA-Entwicklungsboard ein umfangreicher Teststand mit großem Potential zur Entwicklung und zum Funktionsnachweis der On-board Kontrollalgorithmen zur Verfügung. Dieser wurde, wie die vorgestellten Simulationsergebnisse zeigen, bereits intensiv zum Testen der ersten Lageregelungsalgorithmen genutzt und kann auch zukünftig sukzessive mit Funktionserweiterungen der On-board Kontrollalgorithmen angewandt werden. Typische Missionsszenarien wie die Transition zwischen zwei Betriebsmodi des Satelliten oder der automatische Übergang in den SAFE Mode bei einem Fehler können jetzt simuliert und getestet werden. Die Ergebnisse dieser Simulationen dienen nicht nur dem reinen Funktionsnachweis der On-board Kontrollalgorithmen, sondern fließen direkt in die Optimierung der Kontrollalgorithmen zurück und führen so zu einem iterativem Verbesserungsprozess. Der Systemsimulator ist mit seiner Datenbank als Teil seiner Infrastruktur ganz gezielt so implementiert worden, dass einzelne Testszenarien einfach und ohne wiederholten Konfigurationsaufwand reproduziert werden können. Somit unterstützt der Systemsimulator den sich in der Softwareentwicklung typischerweise iterativ wiederholenden Verifikationsprozess in einer optimalen Form.Item Open Access Emissionsspektroskopische Untersuchung der Umströmung von Probenkörpern in hochenthalpen Plasmaströmungen(2006) Winter, Michael W. G.; Auweter-Kurtz, Monika (Prof. Dr.-Ing. habil.)In dieser Arbeit werden emissionsspektroskopische Messungen im Freistrahl als auch in der kör-pernahen Probenumströmung eines magnetoplasmadynamischen Generators analysiert. Rotations- und Vibrationstemperaturen der Moleküle NO, O2, N2 und N2+ sowie elektronische Anregungstem-peraturen von atomarem Sauerstoff und Stickstoff und von NO wurden aus den Messungen be-rechnet. Zu diesem Zweck wurde ein Programmpaket zur theoretischen Simulation der Molekül-strahlung zweiatomiger Moleküle entwickelt und zur Untersuchung der Moleküle eingesetzt. Zur Überprüfung dieses Programms wurden am Plasmawindkanal und an einem Mikrowellengenerator die Strahlung von NO, N2 und N2+spektral hoch aufgelöst gemessen. Zusätzlich zu den emissions-spektroskopischen Untersuchungen wurden unterstützende Messungen mit elektrostatischen Son-den zur Ermittlung von Elektronentemperatur und –dichte und mit einem Fabry-Perot Interferome-ter zur Bestimmung von Translationstemperatur durchgeführt. Zur Interpretation der Ergebnisse wurde eine numerische Simulation der Probenumströmung herangezogen. Für diese Simulation wurde aus schon vorliegenden Messwerten für die Plasmaenthalpie unter Annahme von thermody-namischem Gleichgewicht ein Anströmzustand berechnet, der angepasst wurde, bis die Numerik die gemessenen Oberflächenlasten reprodizierte. Die Ergebnisse der numerischen Simulation der Probenumströmung wurden auf der Staustromlinie mit den Messergebnissen verglichen. Die emissionsspektroskopischen Experimente fanden sowohl vor einer wassergekühlten Sonde mit Kupferoberfläche als auch vor einer bei 1700°C glühenden Siliziumkarbid (SiC) Materialprobe statt. Die Berechnung von Molekültemperaturen war jedoch bedingt durch die in der Simulation nicht berücksichtigten Einflüsse der Strahlung der Erosionsprodukte nur vor der gekühlten Ober-fläche möglich. Die Messergebnisse wurden zudem durch hochfrequente Plasmaoszillationen be-einträchtigt, deren Einfluss durch zeitlich aufgelöste emissionsspektroskopische Messungen und durch Messungen mit elektrostatischen Sonden abgeschätzt wurde. Abschließend wurde ein Wiedereintrittsspektrometersystem (RESPECT) vorgeschlagen und für den Einsatz auf der Wiedereintrittskapsel EXPERT der ESA ausgelegt. In enger Kopplung an die Numerik sind die Ergebnisse des für 2008 vorgesehenen Fluges zur Überprüfung der verwendeten Chemiemodelle unter besonderer Berücksichtigung von Nichtgleichgewicht vorgesehen.Item Open Access Können wir dem Schicksal der Dinosaurier entgehen? : ein Beitrag der Raumfahrttechnik zu unserem Überleben(2003) Auweter-Kurtz, MonikaErst seit wenigen Jahren ist bekannt, welches Ereignis zum Aussterben der Dinosaurier geführt hat. Aufnahmen aus dem Weltall haben zur Klärung dieser Frage wesentlich beigetragen. Zunehmend wird man sich der Bedrohung durch andere Himmelskörper bewusst, nicht nur unter Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern. Auch die politisch Verantwortlichen in den USA und Europa reagieren, und die Wirtschaft horcht auf Die Überwachung unserer Umgebung, die Erforschung erdnaher Objekte und die Entwicklung effizienter Abwehrstrategien sollten in naher Zukunft zu wichtigen Gemeinschaftsaufgaben aller Menschen werden. Die Raumfahrttechnik wird hierfür eine Schlüsseltechnologie sein.Item Open Access Entwurf und Analyse eines prädiktiven Lenkkonzepts für Rückkehrmissionen auftriebsgestützter Raumfahrzeuge(2004) Gräßlin, Michael H.; Messerschmid, Ernst (Prof. Dr. rer. nat.)Entwurf und Analyse eines prädiktiven Lenkkonzepts für Rückkehrmissionen auftriebsgestützter Raumfahrzeuge: Zukünftige Raumtransportsysteme werden aus mehreren Gründen teilweise oder kom-plett wiederverwendbar sein und längerfristig die Verlustträger vom Markt verdrängen. Spricht man von Wiederverwendung stellt sich automatisch die Frage nach einem kon-trollierten Wiedereintritt in die Erdatmosphäre mit anschließender sicherer Ziellandung. Die technologischen Problemstellungen für diesen Missionsabschnitt sind vielfältig und stark interdisziplinär. Ein Teilgebiet betrifft die Flugführung des Fahrzeugs während des Wiedereintritts- und Rückkehrfluges. Die Thematik ist eine Schlüsseltechnologie für zu-künftige Raumtransportsysteme. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird am Beispiel der geplanten Rückkehrmission des Experimentalraumgleiters X-38 der NASA ein am IRS entwickeltes prädiktives und bordautonomes Lenkkonzept vorgestellt, das gegenüber klassischen Lenkansätzen, z.B. des Space Shuttle-Orbiters, Methoden der Bahnoptimierung zur bordautonomen Bahn-planung und Flugführung anwendet. Anhand eingehender Bahnanalysen wird hierzu zunächst das Leistungspotenzial des Fahrzeugs charakterisiert. Hierzu gehört auch der Rückkehrkorridor, innerhalb dessen Grenzen das Fahrzeug gelenkt werden muss, der vor allem durch aerothermodynami-sche Gesichtspunkte bestimmt wird. Es werden Möglichkeiten aufgezeigt, diesen Flug-korridor durch geeignete Flugsteuerungen und Orbitmanöver zu erweitern. Anschließend erfolgt die Umsetzung der prädiktiven und bordautonomen Lenkstrategie auf dieses Fahrzeug für mehrere Flugphasen. Neben den spezifischen Problemen in je-der Flugphase wird auch auf die Schnittstellenproblematik zwischen den Flugphasen eingegangen und es werden Lösungsansätze beschrieben. Eine ausführliche Sensitivitäts- und Robustheitsanalyse zeigt das Leistungsvermögen des Lenkverfahrens unter der An-nahme realistischer Störgrößen auf. Hierzu werden Flugsimulationen mit einem leis-tungsfähigen Flugsimulator (CREDITS) durchgeführt. Die erkannten Stärken und Schwächen werden mit einem anderen Ansatz zur Lenkung verglichen.Item Open Access An interdisciplinary approach to the conceptual design of inhabited space systems(2002) Osburg, Jan; Messerschmid, Ernst (Prof. Dr. rer. nat.)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.Item Open Access Ein Finite-Volumen-Verfahren zur Lösung magnetoplasmadynamischer Erhaltungsgleichungen(2002) Heiermann, Jörg; Auweter-Kurtz, Monika (Prof. Dr.-Ing. habil.)Zur Lösung der Erhaltungsgleichungen für Argonplasmaströmungen in magnetoplasmadynamischen Eigenfeldbeschleunigern, die in der Raumfahrt aufgrund ihres hohen spezifischen Impulses und ihrer hohen Schubdichte als Antriebe für interplanetare Raumflugmissionen eingesetzt werden können, wurde in dieser Arbeit ein Finite-Volumen-Verfahren entwickelt. Für verschiedene Düsengeometrien durchgeführte Berechnungen zeigen, daß die Diffusion aufgrund des Elektronendrucks den Lichtbogen aus düsenförmigen Eigenfeldbeschleunigern heraustreibt und den Lichtbogenansatz auf der Anode maßgeblich bestimmt. In Übereinstimmung mit dem Experiment kann gezeigt werden, daß eine primäre Ursache für Plasmainstabilitäten bei hohen Strömen die durch den Pinch-Effekt hervorgerufene Dichte- und Ladungsträgerverarmung vor der Anode ist. Die berechneten Schübe stimmen mit experimentellen Werten gut überein, so daß das neuentwickelte Verfahren zum Entwurf und zur Optimierung neuer Triebwerke benutzt werden kann.
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