06 Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie
Permanent URI for this collectionhttps://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/7
Browse
14 results
Search Results
Item Open Access Smart ground support equipment : the design and demonstration of robotic ground support equipment for small spacecraft integration and verification(2024) Kottmeier, Sebastian; Wittje, Philipp; Klinkner, Sabine; Essmann, Olaf; Suhr, Birgit; Kirchler, Jan-Luca; Ho, Tra-MiIn order to reduce the costs of integration and verification processes and to optimize the assembly, integration and verification (AIV) flow in the prototype development of small- and medium-sized spacecrafts, an industrial six-axis robot was used as a universal mechanical ground support equipment instead of a tailored prototype specific ground support equipment (GSE). In particular, a robotic platform offers the possibility of embedding verification steps such as mass property determination into the integration process while offering a wider range of ergonomic adaption due to the enhanced number of degrees of freedom compared to a classical static Mechanical GSE (MGSE). This reduces development costs for projects and enhances the flexibility and ergonomics of primarily mechanical AIV operations. In this paper, the robotic MGSE system is described, the operational prospects for in-line verification are elaborated and an example is given showing the possibilities and challenges of its operational use as well as its in-line mass determination capabilities. For this purpose, a method has been developed that allows for the precise measurement of the spacecraft mass using the robot’s existing technology without the need for additional hardware. Subsequent work will extend this to determine the center of gravity and the moments of inertia of the payload on the robotic MGSE.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 Nicht-intrusive Messung der Wärmestromdichte auf transpirationsgekühlte Oberflächen(2024) Hufgard, Fabian; Fasoulas, Stefanos (Prof. Dr.-Ing.)In dieser Arbeit ist die Entwicklung von drei nicht-intrusiven Methoden zur Bestimmung der transienten Wärmestromdichte in eine transpirationsgekühlte Oberfläche beschrieben. Transpirationskühlung ist ein aktives Kühlverfahren, das aufgrund seiner hohen Effektivität für den Einsatz in Luft- und Raumfahrtanwendungen untersucht wird. Bei Transpirationskühlung besteht das Hitzeschild aus einem porösen Material, durch das ein Kühlgas nach außen gedrückt wird. Das bewirkt sowohl die aktive Kühlung der Wand durch Advektion als auch die Reduktion des konvektiven Wärmeeintrags in die Oberfläche durch das Kühlen der Strömungsgrenzschicht. Für die Auslegung solcher Hitzeschilde ist die Oberflächenwärmestromdichte eine wichtige Variable, weil sie die Wandtemperatur diktiert. Die in dieser Arbeit entwickelten Methoden zur Wärmestromdichtebestimmung basieren auf der transienten und nicht-intrusiven Messung des Drucks im Plenum, d.h. dem bedruckten Bereich zwischen dem Durchflussregler und der porösen Wand. Dazu wird das Systemverhalten infolge der Oberflächenwärmestromdichte durch eine Modellgleichung mathematisch abgebildet. Die Modellparameter werden durch einen zerstörungsfreien Kalibrieransatz identifiziert. Die Eingangsgrößen der Modellgleichung sowie deren Nutzung zur Bestimmung der Oberflächenwärmestromdichte unterscheidet sich zwischen den Methoden. Bei der Pressure-based Non-Integer System Identification (NISIp) Methode korreliert die Wärmestromdichte direkt mit dem Plenumsdruck. Die kalibrierte Modellgleichung ermöglicht die Berechnung der Druckimpulsantwort. Mit dieser wird die Wärmestromdichte unter Anwendung inverser Methoden aus der transienten Druckmessung bestimmt. Dazu ist der Emissionsgrad der einzige erforderliche Materialparameter. Durch experimentelle und numerische Analysen der NISIp-Methode wird gezeigt, dass für die Beschreibung des zugrundeliegenden thermodynamischen Prozesses das Plenum als endliches Volumen mitberücksichtigt werden muss. Dadurch kann sich der Massenstrom durch die poröse Wand signifikant ändern, auch wenn der Massenstrom am Durchflussregler konstant ist. Es wird gezeigt, dass die Reduktion der Parameter Plenumsvolumen, Länge sowie spezifische Wärmekapazität der porösen Wand zu einem schnelleren Ansprechen des Plenumsdrucks auf die Oberflächenwärmestromdichte und damit zu einem kleineren Messfehler führt. Für die Parameter Massenstrom, Umgebungsdruck, Querschnittsfläche und Permeabilität der porösen Wand gilt das Gegenteil. Die Anwendung eines NISIp-Sensors im Plasmawindkanal PWK4 ergab für Wärmestromdichten bis ca. 400 kW/m2 eine Messunsicherheit von nur 17%. Der Non-Integer System Identification with Fluid Temperature (NISITf) Ansatz erweitert den Einsatzbereich zu Szenarien mit stark veränderlichem Umgebungsdruck. Dafür wird der Plenumsdruck mit der Darcy-Forchheimer-Gleichung in die mittlere Fluidtemperatur in der porösen Wand umgerechnet. Diese dient als Eingangsgröße in die NISITf-Modellgleichung zur Korrelation mit der Oberflächenwärmestromdichte. Die Bestimmung der Wärmestromdichte aus der kalibrierten Modellgleichung erfolgt analog zur NISIp-Methode. Mit einem NISITf-Sensor wurden im Plasmawindkanal PWK1 Wärmestromdichten von bis 13,9MW/m2 gemessen. Mit der Cooling Adjustment for Transpiration Systems (CATS) Technologie wird die Oberflächenwärmestromdichte in Echtzeit bestimmt und entsprechend die Kühlintensität der Transpirationskühlung angepasst. Dazu werden ausschließlich nicht-intrusive Messgrößen erfordert. Die Wärmestromdichte wird direkt aus einer kalibrierten Modellgleichung bestimmt. Mit der Anwendung eines CATS-Regelsystems im PWK4 wurde erstmals die Funktionalität eines Reglers zur automatischen Anpassung der Kühlintensität der Transpirationskühlung auf die aktuell wirkende Oberflächenwärmestromdichte nachgewiesen. Darüber hinaus wurde ein CATS-System erfolgreich auf der HIFLIER1-Höhenforschungsrakete getestet. Das HIFLIER1-CATS-System bestimmte dieWärmestromdichte während des Hyperschallflugs und passte entsprechend den Kühlgasmassenstrom wie vorgesehen an.Item Open Access Experimentelle Untersuchungen zum Versagen von Raumfahrtstrukturen beim atmosphärischen Wiedereintritt(2024) Leiser, David; Fasoulas, Stefanos (Prof. Dr.-Ing.)In der vorliegenden Dissertation wird der Einfluss mechanischer Lasten auf den destruktiven Wiedereintritt großer Raumfahrtstrukturen experimentell analysiert. Dabei wird der Einfluss mechanischer Lasten insbesondere auf die Break-Up Höhe untersucht, da diese für weitere Fragmentierungsprozesse und Verglühen von entscheidender Bedeutung ist. Dazu wird ein neuer mechanischer Aufbau beschrieben, der mechanische Lasten in Bodentests aufbringen kann. Der Aufbau basiert auf einem elektromechanischen Lastzylinder, der in den Plasmawindkanal PWK4 integriert wurde. Dieses neuartige Konzept weist eine Probenform auf, für die eine erweiterte Umrechnungsmöglichkeit von Flugsituationen in Bodensimulationen erforderlich ist. Dazu wird die bekannte LHTS Ähnlichkeit um eine axialsymmetrisch planare Transformation erweitert. Diese Methode wird durch Wärmestromdichtemessungen im Plasmawindkanal validiert. Die mechanischen Lasten auf die Modulverbindungselemente der Internationalen Raumstation werden durch Freiflugexperimente im Stoßwindkanal TUSQ der University of Southern Queensland untersucht. Die ermittelten Lasten werden zum Flugfall skaliert und entlang einer typischen Wiedereintrittstrajektorie extrapoliert. Als Versuchsbedingung werden drei Trajektorienpunkte in 90 km, 75 km und 65 km Höhe entlang einer typischen Wiedereintrittstrajektorie aus dem niedrigen Erdorbit untersucht. Diese entsprechen der frühen Eintrittsphase, der Höhe des typischen Break-Up und der Höhe der maximalen Wärmelast. Dabei werden sowohl die Plasmabedingung als auch die mechanische Last auf diese Trajektorienpunkte angepasst. Vier typische, metallische Strukturmaterialien werden untersucht; zwei verschiedene Aluminiumlegierungen, eine Edelstahllegierung sowie eine Titanlegierung. Um das Materialverhalten vergleichen zu können, werden die Proben sowohl unbelastet als auch belastet getestet. Die Materialversuche weisen deutliche Unterschiede sowohl zwischen den unterschiedlichen Materialien als auch zwischen den Versuchsbedingungen auf. Die Hochtemperaturmaterialien Edelstahl und Titan versagen nie unter den nominellen Bedingungen; eine Lasterhöhung führt zur Einschnürung und schlussendlich zum Versagen der Materialien. Bei den Aluminiumlegierungen können je nach Bedingung und Last drei unterschiedliche Versagensarten beobachtet werden, Einschnüren mit Bruch, Sprödbruch, und Schmelzen. Die mechanischen, thermischen und spektroskopischen Analysen der Proben zeigen Eigenschaften wie Deformation, Oxidation und spektrale Emission. Eine Analyse des Oxidationsverhaltens, gekoppelt mit der spektralen und visuellen Analyse zeigt, dass das atypische Verhalten der gemessenen Oberflächentemperatur, einer Veränderung des Emissionsgrads infolge von chemischen Reaktionen zugeordnet werden kann. Spektrale Merkmale werden mit den Daten aus Beobachtungsmissionen verglichen. Dabei zeigt sich, dass bisherige Korrelationen zu spektralen Ereignissen und dem Zerfall einzelner Komponenten nicht gültig sind. Der Nachweis von Alkalimetallen ist dabei, nicht auf Komponenten zurückzuführen, sondern als Spurenelement in allen Strukturelementen vorhanden. Vor allem in Edelstahl und Titan sind die spektralen Signaturen eher durch Änderungen des Oxidationsverhaltens erklärbar als durch strukturelles Versagen. Ein Modell auf Basis der Meteorforschung wird genutzt, um den Massenverlust eines beobachteten Wiedereintritts abzuschätzen. Die Materialparameter werden dafür experimentell ermittelt. Die daraus errechnete Gesamtmasse weicht dabei maximal 20 % von der Gesamtmasse des Raumtransporters Cygnus beim Wiedereintritt ab. Diese Arbeit zeigt, dass mechanische Lasten beim destruktiven Wiedereintritt eine signifikante Rolle spielen. Versuche in Bodentestanlagen unter kombinierten Lasten stellen für eine experimentelle Untersuchung eine geeignete Methode zur Evaluation des Materialverhaltens dar.Item Open Access Autonomous Planetary Liquid Sampler (APLS) for in situ sample acquisition and handling from liquid environments(2024) Nazarious, Miracle Israel; Becker, Leonie; Zorzano, Maria-Paz; Martin-Torres, JavierMany natural and artificial liquid environments, such as rivers, oceans, lakes, water storage tanks, aquariums, and urban water distribution systems, are difficult to access. As a result, technology is needed to enable autonomous liquid sampling to monitor water quality and ecosystems. Existing in situ sample acquisition and handling systems for liquid environments are currently limited to a single use and are semi-autonomous, relying on an operator. Liquid sampling systems should be robust and light and withstand long-term operation in remote locations. The system components involved in liquid sampling should be sterilisable to ensure reusability. Here, we introduce a prototype of a liquid sampler that can be used in various liquid environments and may be valuable for the scientific characterisation of different natural, remote, and planetary settings. The Autonomous Planetary Liquid Sampler (APLS) is equipped with pre-programmed, fully autonomous extraction, cleaning, and sterilisation functionalities. It can operate in temperatures between −10 °C and 60 °C and pressure of up to 0.24 MPa (~24 m depth below mean sea level on Earth). As part of the control experiment, we demonstrate its safe and robust autonomous operation in a laboratory environment using a liquid media with Bacillus subtilis . A typical sampling procedure required 28 s to extract 250 mL of liquid, 5 s to fill the MilliQ water, 25 s for circulation within the system for cleaning and disposal, and 200 s to raise the system temperature from ~30 °C ambient laboratory temperature to 150 °C. The temperature is then maintained for another 3.2 h to sterilise the critical parts, allowing a setup reset for a new experiment. In the future, the liquid sampler will be combined with various existing analytical instruments to characterise the liquid solution and enable the autonomous, systematic monitoring of liquid environments on Earth.Item Open Access Modellierung der Plasmastrahlung polyatomarer Moleküle bei atmosphärischen Eintrittsflügen(2024) Liebhart, Heiko; Fasoulas, Stefanos (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access The numerous phases of the interstellar medium in the starburst galaxy NGC 253 : a multi-wavelength study(2024) Beck, André; Krabbe, Alfred (Prof. Dr.)The physical properties of the nuclear region of the starburst galaxy NGC 253 are analysed using observations from various mid- to far-infrared telescopes. The data of these telescopes are homogeneously reduced and combined. Afterwards, the data are used in a complex Monte-Carlo to determine the physical conditions in the observed region.Item Open Access Analyse der Spallation von Hitzeschutzmaterialien in Wiedereintrittsströmungen(2024) Grigat, Felix; Fasoulas, Stefanos (Prof. Dr.-Ing.)In der vorliegenden Arbeit wird das Phänomen der Spallation, das Absplittern fester Partikel aus der Oberfläche ablativer Hitzeschutzmaterialien, experimentell untersucht. Reine Kohlenstoffmaterialien sowie Kohlenstoff-Phenolharz Materialien werden in Plasmawindkanalanlagen unter drei verschiedenen Strömungsbedingungen getestet. Das Ablationsverhalten der Materialproben wird mit einem hierfür entwickelten experimentellen Aufbau mit unterschiedlichen Messverfahren im Detail charakterisiert. Die bei diesen Untersuchungen verwendeten Messverfahren sind Stereophotogrammetrie zur Messung der Rezession, eine Hochgeschwindigkeitskamera zur Detektion von Spallationspartikeln, optische Emissionsspektroskopie zur Vermessung der Strahlung von Ablationsprodukten in der Strömung, Thermographie und Pyrometrie zur Oberflächentemperaturmessung sowie Druckmessungen innerhalb der Materialproben zur Analyse des Pyrolysedrucks. Die untersuchten Materialien sind der in der Arbeitsgruppe HEFDiG entwickelte Kohlenstoff-Phenolharz Ablator HARLEM, der Kohlenstoff-Phenolharz Ablator ZURAM sowie die zwei reinen Kohlenstoff Materialien Calcarb und Fiberform. Die erforderliche Genauigkeit der Messung der Oberflächenrezession während der Experimente wird mit der photogrammetrischen Messmethode erreicht. Diese Messungen bilden die Grundlage für die Charakterisierung des Ablationsverhaltens der Materialproben. Hierzu wird der photogrammetrische Messaufbau für Anwendungen am Plasmawindkanal optimiert. Die Spallation wird untersucht, indem die Anzahl der Spallationspartikel mit einer Hochgeschwindigkeitskamera erfasst wird. Hierzu wird ein Algorithmus entwickelt, um die Partikel automatisch zu identifizieren. Es wird gezeigt, dass phenolhaltige Ablatoren im Vergleich zu reinen Kohlenstoffmaterialien eine geringere Menge an Spallationspartikeln abgeben und dass der Anteil von Spallation am Gesamtmassenverlust bei phenolhaltigen Ablatoren um bis zu 50% geringer ausfällt. Die Analyse der Partikeltrajektorien zeigt, dass sich die Partikel im Gegensatz zu häufig in der Literatur getroffenen Annahmen nicht wesentlich stromaufwärts bewegen. Druckmessungen im Ablator ergeben Drücke von bis zu 276 hPa in den phenolhaltigen Kohlenstoffablatoren HARLEM, wobei eine Korrelation mit dem Ausströmen von Pyrolysegasen, aber keine mit der Spallationsrate beobachtet wird. Dies deutet darauf hin, dass Pyrolysegase nicht, wie oft angenommen, zu Spallation führen. Die Untersuchungen zeigen auch eine Obergrenze der Menge des im Kohlenstoffmaterial eingebrachten Phenolharzes auf. Ist diese zu hoch, so können die entstehenden Pyrolysegase beim Wiedereintritt nicht entweichen, sodass der zu hohe Druckanstieg zum mechanischen Versagen der gesamten Materialprobe führt. Der Einfluss von Scherkräften und Oxidation auf die Partikelbildung wird durch Vergleiche unterschiedlicher Versuchsbedingungen analysiert. Die Rezessionsrate und die Anzahl von Spallationspartikeln ist in einer reinen Stickstoffströmung deutlich reduziert im Vergleich zu einer Luftströmung gleicher Wärmestromdichte. Weiterhin zeigt sich in einer Strömung mit einem hohen dynamischen Druck eine deutliche Zunahme der Rezession und der Anzahl der Spallationspartikel. Damit wird gezeigt, dass Oxidation und Scherkräfte für die Spallation eine wesentlich wichtigere Rolle spielen als die bloße Sublimation des Materials. Des Weiteren wird das Strömungsfeld vor dem Ablator mittels Emissionsspektroskopie untersucht. Hierbei wird festgestellt, dass sich die Präsenz von Spallationspartikeln nicht auf die Strahlungsemission der Ablationsprodukte auswirkt. Diese wird im Wesentlichen durch das Ausgasen von Pyrolyseprodukten bestimmt. Die Auswertung der mittels eines Czerny-Turner Spektrometers gemessenen Strahlung des CN Moleküls bestätigt diese Beobachtung. Die Untersuchung der zeitlichen Verläufe der Teilchendichten von CN zeigen, dass die Anzahl an Spallationspartikeln nicht entscheidend ist für die Menge an CN Molekülen in der Strömung. Der Einfluss von Spallation auf die Strömung fällt damit deutlich geringer aus als bisher aus der Literatur bekannt. Die Erkenntnisse dieser Arbeit zusammenfassend überwiegt weiterhin der negative Aspekt des erhöhten Massenverlusts durch Spallation. Daher ist Spallation ein unerwünschter Effekt und sollte bei der Auslegung von Hitzeschilden reduziert werden.Item Open Access Icy ocean worlds - astrobiology research in Germany(2024) Klenner, Fabian; Baqué, Mickael; Beblo-Vranesevic, Kristina; Bönigk, Janine; Boxberg, Marc S.; Dachwald, Bernd; Digel, Ilya; Elsaesser, Andreas; Espe, Clemens; Funke, Oliver; Hauber, Ernst; Heinen, Dirk; Hofmann, Florence; Hortal Sánchez, Lucía; Khawaja, Nozair; Napoleoni, Maryse; Plesa, Ana-Catalina; Postberg, Frank; Purser, Autun; Rückriemen-Bez, Tina; Schröder, Susanne; Schulze-Makuch, Dirk; Ulamec, Stephan; de Vera, Jean-Pierre PaulIcy bodies with subsurface oceans are a prime target for astrobiology investigations, with an increasing number of scientists participating in the planning, development, and realization of space missions to these worlds. Within Germany, the Ocean Worlds and Icy Moons working group of the German Astrobiology Society provides an invaluable platform for scientists and engineers from universities and other organizations with a passion for icy ocean worlds to share knowledge and start collaborations. We here present an overview about astrobiology research activities related to icy ocean worlds conducted either in Germany or in strong collaboration with scientists in Germany. With recent developments, Germany offers itself as a partner to contribute to icy ocean world missions.Item Open Access Herstellung von Festkörperelektrolytsensoren mittels Inkjet-Druck(2024) Gröger, Pascal; Fasoulas, Stefanos (Prof. Dr.-Ing.)Die Dissertation behandelt die Untersuchung von Inkjet-Druck-Parametern und Prozessen am Beispiel der Herstellung von amperometrischen Festelektrolytsensoren für die Messung des Sauerstoffpartialdruckes im Hochvakuum. Für die hergestellten Sauerstoff-Sensoren ergeben sich Anwendungsfelder, die von der Prozesssteuerung in Beschichtungsanlagen, der Überwachung von Verbrennungsprozessen bis hin zu Anwendungen in der Atmosphärenforschung reichen. Unter Verwendung spezieller Nanopartikel-Tinten, durch die Entwicklung eines Gesamtprozesses und der Einführung des thermalen Rapid-Sinterprozesses konnten leistungsstarke Sensoren mit einer Betriebsdauer von über 2000h produziert werden. Wesentliche Vorteile der Inkjet-gefertigten FES hinsichtlich des geringen Materialverbrauchs bei der Herstellung, der kurzen Fertigungsdauer von wenigen Stunden und lokalen Betriebsmöglichkeit unter extremen Bedingungen.