06 Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie
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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 New methods for 3D reconstructions using high resolution satellite data(2021) Gong, Ke; Fritsch, Dieter (Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. h.c.)Item Open Access Die Entwicklung thermischer Lichtbogentriebwerkssysteme(2018) Wollenhaupt, Birk Lennart; Herdrich, Georg (Priv.-Doz. Dr.-Ing.)Für einen treibstoffsparenden Transfer von Raumflugkörpern sind hohe Treibstoffaustrittsgeschwindigkeiten nötig. Bei chemischen Triebwerken ist die nötige Energie zum Erreichen der Austrittsgeschwindigkeiten im Treibstoff gespeichert. Damit ist die maximale spezifische Energie durch die Treibstoffkombination festgelegt und kann nicht darüber hinaus gesteigert werden. Im Fall von elektrischen Triebwerken kann die spezifische Energie im Rahmen der verfügbaren elektrischen Leistung, die von außen in den Treibstoff eingekoppelt wird, und der möglichen stabilen Betriebspunkte des Triebwerks frei gewählt werden. Ein Typ von elektrischen Triebwerken ist das Lichtbogentriebwerk. Dieses heizt den Treibstoff mit der elektrischen Leistung eines Lichtbogens und entspannt den Treibstoff zur Schuberzeugung in einer Düse. Lichtbogentriebwerke sind seit 1993 erfolgreich im Orbit im Einsatz und sind die leistungsstärksten, elektrischen Triebwerke, die bisher im Orbit getestet wurden. In der vorliegenden Arbeit werden die Parameter zur Entwicklung eines thermischen Lichtbogentriebwerksystems vom Labormodell zum flugtauglichen Triebwerkssystem dargelegt. Dabei werden viele Designentscheidungen objektiv bewertet und darüber hinaus anhand von experimentellen Daten, sofern möglich, begründet. Im Zuge dessen werden sowohl im Rahmen dieser Arbeit erzielte experimentelle Resultate als auch Ergebnisse der letzten Jahrzehnte einbezogen. Diese umfassende, detaillierte Darstellung ist weltweit einmalig und die gewonnenen Erkenntnisse können als Basis für den Entwurf von Lichtbogentriebwerken herangezogen werden und Designentscheidungen erleichtern. Zunächst werden in Kapitel 2 die weltweiten Entwicklungen auf dem Gebiet der thermischen Lichtbogentriebwerke beleuchtet. Ausgewählte Verbesserungspotentiale werden im Anschluss in Kapitel 3 näher betrachtet und die Theorie mit den erzielten Ergebnissen aus der Praxis verglichen. Dazu gehören der Einfluss der Strom-Spannungs-Charakteristik des Lichtbogens, die regenerative Kühlung der Düse, die Optimierung der Düsenhalsgeometrie und des Öffnungswinkels, die Implementation von Rekombinationskammern oder Doppelkonusdüsen sowie die Untersuchung alternativer Treibstoffe. Anhand einer umfassenden Triebwerks-datenbank interner und internationaler Triebwerke wird die erreichte Leistungsfähigkeit mit dem theoretischen Maximum verglichen. Zudem wurde erstmalig Europa mit dem neuen IRS-Velarc Triebwerk der für Kleinsatelliten wichtige Bereich kleiner Leistungen bis unter 300 W charakterisiert und erste Schritte zur Optimierung durchgeführt. Welche Hürden für die Entwicklung eines einfachen Labormodells zum zuverlässigen Flugsystem zu nehmen sind, wird in Kapitel 4 dargelegt. Zuverlässigkeit der Zündung, Stabilität im Betrieb und hohe Lebensdauer durch minimierte Erosion der Elektroden sind die Anforderungen, die erfüllt werden müssen. Insbesondere in diesem Bereich konnten für das IRS-TALOS Triebwerk durch die Wahl des geeigneten Injektors und durch eine neue, beschleunigte Transitionsprozedur deutliche Verbesserungen erreicht werden. Im weiteren Verlauf der Kapitel 5 und 6 werden Systemaspekte dargestellt und erörtert. Dabei werden sowohl das Treibstofffördersystem, die Lagermöglichkeiten des Treibstoffs als auch die Elektronik zum Betrieb des Triebwerks diskutiert. Weitere Untersuchungen konzentrierten sich auf die Verbesserung der Zündung sowie auf ein Konzept zur weiteren Reduktion der Verdampfungsverluste durch die erstmalige, regenerative Wärmeeinkopplung in den flüssigen Treibstoff. Im Kapitel 7 erfolgt ein Exkurs in die Plasmadiagnostik. Die Herangehensweise sowie die Ergebnisse einer Fabry-Perot-Interferometrie-Messung (FPI) am Lichtbogentriebwerksplasma werden dargestellt und erneut in den Zusammenhang mit bereits bekannten Erkenntnissen gebracht. Die sehr genaue Methode erweitert die bisherigen Messergebnisse gröberer Emissionsspektroskopie und mit Hilfe der Radial- und Axialprofile konnten bisher nicht messbare Details herausgearbeitet werden. Die gewonnenen Daten können als Basis für eine vertiefte Analyse mit numerischen Mitteln dienen.Item Open Access Down-regulation and individual blade control as lifetime extension enablers(2018) Pettas, Vasilis; Cheng, Po WenAs more and more wind turbines are coming close to the end of their design lifetime, evaluation of end of life strategies is becoming highly relevant. Moreover, as turbine technology matures and wind farms grow larger, lifetime extension becomes a financially attractive option compared to re-powering and decommissioning. Present work suggests control strategies, namely down-regulation and individual blade control, as lifetime extension enablers. The concept of using them as retrofit control implementations is explained. Their individual and combined potential in fatigue load reduction is evaluated, along with their effect on other performance and pitch system metrics. Finally, the possible period of extension, beyond the nominal 20 years, is evaluated in an example case where the retrofit control strategy is applied after 15 years of baseline operation. The aeroelastic simulations are performed with a 10 MW reference wind turbine, according to load certification standards. Results show that the two methods complement each other in load alleviation. The pitch actuator demands are also significantly decreased when the two methods are combined.Item Open Access Uncertainty quantification in the simulation of turbulent spray combustion(Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2021) Enderle, Benedict; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)Um risikobehaftete Entscheidungen in der simulationsbasierten Entwicklung von Flugzeugkomponenten treffen zu können, müssen Unsicherheiten in den Simulationsergebnissen systematisch mitberücksichtigt werden. Dies betrifft insbesondere Entscheidungen mit weitreichenden Konsequenzen hinsichtlich finanzieller Risiken, Sicherheit im Betrieb sowie letztlich Menschenleben. Eine Anwendung der simulationsbasierten Entwicklung, der eine Vielzahl an Unsicherheiten mit komplexen Simulationsmodellen und einer großen Auswirkung auf die Systemleistung- und Sicherheit kombiniert, ist die Simulation von Verbrennungsprozessen in Triebwerksbrennkammern. Da die Qualität des Brennstoffsprays den Verbrennungsprozess signifikant beeinflusst, sind Unsicherheiten in den Randbedingungen für das Brennstoffspray eine Hauptquelle für Unsicherheiten in solchen Simulationen. Aufgrund des hohen Rechenzeitaufwands für deren Quantifizierung werden diese Unsicherheiten momentan noch nicht mit in die Simulation einbezogen. Auch wenn die Notwendigkeit der Quantifizierung von Unsicherheiten in Verbrennungssimulationen bereits identifiziert wurde, lassen sich nur wenige Anwendungsbeispiele in der Literatur finden. Ziel dieser Arbeit ist daher, aktuelle Methoden zur Quantifizierung von Unsicherheiten auf Simulationsprobleme aus dem Bereich der turbulente Sprayverbrennung anzuwenden. Ein besonderes Augenmerk liegt hierbei auf der Quantifizierung von Unsicherheiten in den Simulationsergebnissen aufgrund von unvollständigem Wissen bei der Konstruktion der Sprayrandbedingungen. Mögliche Unsicherheiten in den Eingangs- und Ausgangsgrößen werden mittels Wahrscheinlichkeitstheorie charakterisiert. Die Ausbreitung der Unsicherheiten durch die komplexen Simulationsprobleme werden mit einem effizienten, nichtintrusiven Workflow analysiert, welcher auf Surrogatmodellen aufbaut. Durch den Einsatz von Surrogatmodellen wird das komplexe Simulationsmodell in einem eingeschränkten Parameterbereich mittels eines Modells reduzierter Komplexität approximiert. Dieses Verfahren reduziert den Rechenaufwand drastisch, insbesondere bei einer hohen Anzahl an unsicheren Eingangsgrößen. Die Methodik wird auf zwei Testfälle mit unterschiedlicher Komplexität angewandt. Zuerst wird eine Ethanolsprayflamme im Labormaßstab betrachtet, für die umfangreiche experimentelle Daten vorliegen. Der einfache Aufbau des Experiments sowie die Möglichkeit, diese Flamme mit stationären Simulationen bereits gut abbilden zu können ermöglicht eine detaillierte Analyse des Testfalls sowie der verwendeten Methodik. In einer Screening-Studie werden die unsicheren Parameter der Simulation priorisiert, woraus sich eine Reduktion auf die einflussreichsten Parameter ergibt. Anhand des Testfalls werden zwei unterschiedliche Surrogatmodelle verglichen und analysiert. Durch die Berechnung der Wahrscheinlichkeitsgrenzen für die Temperaturprofile können umfangreiche Unsicherheiten in den Simulationsergebnissen im Bereich der Reaktionszone identifiziert werden. Mittels einer anschließenden Sensitivitätsanalyse kann der Hauptteil dieser Unsicherheiten auf Unsicherheiten hinsichtlich des Öffnungswinkels der Spraykegels zurückgeführt werden. Um die Methodik zur Quantifizierung von Unsicherheiten auch in einer technisch relevanten Problemstellung zu bewerten, wird anschließend ein drallstabilisierter Spraybrenner betrachtet, der einige der wesentlichen Eigenschaften moderner Triebwerksbrennkammern aufweist. Um kostspielige Experimente zur Charakterisierung der Sprayrandbedingung zu vermeiden, wird ein algebraisches Primärzerfallsmodell zur Berechnung der Sprayrandbedingung verwendet. Die daraus resultierende Datenlücke wird mittels Wahrscheinlichkeitstheorie als Unsicherheit charakterisiert. Aufgrund ihrer besonderen Bedeutung im Entwurfsprozess von Brennkammern werden die Flammenposition und die Temperaturverteilung als Hauptindikatoren betrachtet. Die systematische Quantifizierung der Unsicherheiten zeigt moderate Unsicherheiten der Simulation hinsichtlich der Flammenposition und Temperaturverteilung. Anhand von Genauigkeitsmetriken wird schließlich die Vorhersagefähigkeit der Simulation unter den gegebenen Unsicherheiten abgeschätzt. Beide Testfälle zeigen erfolgreich das Potential von Methoden zur Quantifizierung von Unsicherheiten in der Simulation turbulenter Sprayverbrennung. Aus dem ersten Testfall kann gefolgert werden, dass die Identifizierung und umfassende Charakterisierung möglicher Quellen von Unsicherheiten in den Entwurf von Validierungsexperimenten eingeschlossen werden sollten. Der zweite Testfall zeigt deutlich den Mehrwert der systematischen Quantifizierung von Unsicherheiten auf, wenn nur begrenztes Wissen hinsichtlich der Sprayrandbedingungen vorhanden ist. Da diese Wissenslücke klar in den Simulationsergebnissen wiedergespiegelt wird, können aus dem Vergleich mit den geforderten Leistungsparametern Risiken quantitativ identifiziert werden. Mit dieser zusätzlichen Information kann die simulationsbasierte Entscheidungsfindung im Entwicklungsprozess systematisch unterstützt und schließlich ausgeweitet werden, beispielsweise auf die virtuelle Zertifizierung von Flugzeugkomponenten.Item Open Access Instantaneous estimation of attitude from GNSS(2017) Suhandri, Hendy Fitrian; Kleusberg, Alfred (Prof. Dr.-Ing.)The use of the Global Navigation Satellite System (GNSS) is widely spread from position determination to attitude determination of a platform in space. This system offers time invariant estimation position. Another thing that can be an advantage is that the flexibility to operate the GNSS receiver variants, from the low-cost until the high-performance GNSS receivers. In terms of attitude determination application at least three receivers are required to determine three spatial axes, where the cost-effective GNSS attitude determination systems can be constructed with today’s receiver technology. At the moment, however, algorithms are lacking which are fast and efficient enough to estimate the position angles without delay. For this reason, the present work deals with the development of algorithms for the attitude determination in space of a platform under the help of the "GNSS" Global Positioning System (GPS). The investigation through this work is classified into three sequential parts: The first part is the estimation of the optimal configuration of baseline array as well as the estimation of the integer ambiguity of carrier phase differences. The estimated integer ambiguity is then used to estimate the high precision baseline coordinates. The second part is to estimate the attitude of the platform in space by means of quaternion using batch process, and the last part is to improve the algorithm using a recursive algorithm for the kinematic application purpose. The precise attitude determination about three spatial axes is possible if at least three GNSS receivers with fixed baselines are used in particular array configurations. Assuming that the basic lengths of the baselines are known apriori, the attitude angles can be calculated via the combination of carrier phase and pseudorange observations. Since the carrier of the GPS signal is propagated in short-wave form, the measured phase differences are ambiguous. The multiples of the GPS signal phases together with the baseline lengths are therefore estimated and improved in a first step with the aid of the a priori baseline lengths information. The multiple-baseline float solution estimation method is used. However, the approach does not provide optimal results. Therefore, an alternative algorithm for the float solution is presented, which estimates the float solution by using the so-called the gradient based iterative method of the least-squares. It shows that method is able to give convergent estimate parameter. It is also shown here that the proposed method outperforms the conventional iterative least-squares in terms of iteration number and computational time. For instantaneous applications, the Least-squares AMBiguity Decorrelation Adjustment (LAMBDA) method is not optimal for fixing the integer multiples of the carrier phase differences for several baseline lengths. In addition, this method requires a high computational effort as soon as a larger number of baseline lines enter into the calculation. An improvement in this work is utilising the partial LAMBDA method, which only uses a subset of the integer multiples to be determined. This algorithm improves the determination of integer multiples and precise calculation of the baseline lengths. The advantages of this algorithm are discussed, and it is empirically demonstrated that the ambiguities are better resolved. Furthermore, the estimation of the attitude angles with the aid of quaternions is theoretically improved and analysed. Two processing strategies are investigated: the least-squares method and the Kalman Filter (KF) method. For the static case, the least-squares is applied and tested. Simulations show that the developed gradient based iterative method of the least-squares provides better estimates than the conventional adjustment methods. It is also shown that the number of iterations required is less and the computational time is reduced. This algorithm is not useful for kinematic applications where a fast sequence of results is required. A modified Extended Kalman Filter (EKF)-Like algorithm is used for kinematic applications. Experiments show that with this algorithm more stable quaternions can be calculated with fewer outliers than when they are determined by the least-squares method. All newly developed algorithms are theoretically analysed and subjected to extensive simulations and experimental kinematic tests in the field.Item Open Access Entwicklung eines Echtzeit-Triggersystems für Strahl- und Trajektoriensensoren zur Messung von geladenen Mikropartikeln(2018) Strack, Heiko; Srama, Ralf (PD Dr.-Ing.)Item Open Access Anwendung und Bewertung numerischer und experimenteller Methoden zur Analyse und Entwicklung eines Zweitakt-Freikolbenmotors(2017) Haag, Johannes Andreas; Riedel, Uwe (Prof. Dr. rer. nat.)Die vorliegende Arbeit behandelt die Untersuchung und Entwicklung des verbrennungsmotorischen Teilsystems eines Freikolbenmotors mit elektrischer Energieauskopplung. Dieser sogenannte Freikolbenlineargenerator (FKLG) zeichnet sich durch einen freischwingenden Aufbau ohne die mechanische Zwangsführung eines Kurbeltriebes aus. Der Verbrennungskolben, der Läufer des Lineargenerators und der Gasfederkolben sind zu einer Kolbeneinheit zusammengefasst, die zwischen der Gasfeder und dem verbrennungsmotorischen Brennraum schwingt. Dieser Aufbau führt zu neuen Freiheitsgraden in der verbrennungsmotorischen Prozessführung, da Verdichtungsverhältnis und Kolbenhubkurve variabel angepasst werden können. Ein mögliches Anwendungsgebiet des Freikolbenlineargenerators ist der Einsatz als mobile Stromerzeugungseinheit in einem batterieelektrischen Fahrzeug. In vorangegangenen Arbeiten wurden der Lineargenerator, die Gasfeder und das verbrennungsmotorische Teilsystem der ersten Generation entwickelt und untersucht. Dies erfolgte schwerpunktmäßig im Hinblick auf die Regelung eines freischwingenden Gesamtsystems. Die vorliegende Arbeit rückt die Prozesse im Brennraum des verbrennungsmotorischen Teilsystems in den Vordergrund. Die Herausforderungen des Zweitakt-Arbeitsprozesses im Freikolbenlineargenerator sind der ventilgesteuerte Ladungswechsel mit Kopfumkehrspülung, die innere Gemischbildung und die Verbrennung bei hohen Restgasgehalten. Zur Analyse und Optimierung dieser innermotorischen Vorgänge werden Entwicklungsverfahren ausgearbeitet, angewendet und bewertet. Das Zielbild ist dabei ein effizienter, stabiler und emissionsarmer verbrennungsmotorischer Prozess unter Ausnutzung der konzeptbedingten Variabilitäten. Durch den Einsatz eines vollvariablen Ventiltriebsystems unterscheiden sich die Bedingungen des Ladungswechsels im kopfumkehrgespülten Brennraum des FKLG deutlich von denen in klassischen schlitzgesteuerten Zweitakt-Motoren. Das Entwicklungsverfahren zur Analyse der innermotorischen Strömungsfelder während des Ladungswechsels kombiniert Particle Image Velocimetry (PIV) Messungen mit strömungsmechanischen Simulationen. Hierzu wurde ein Prüfstandsaufbau entwickelt, der eine Vermessung der Strömungsfelder im ungefeuerten Betrieb erlaubt. Simulations- und Messergebnisse zeigen übereinstimmend eine Überlagerung aus Tumble- und Drall-Strömung im Zylinder. Während sich die Simulation zur Voraussage der charakteristischen Strömungsstrukturen sehr gut eignet, sind der Genauigkeit, mit der lokale Strömungsgeschwindigkeiten berechnet werden können, Grenzen gesetzt. Der dargelegte laserdiagnostische Messaufbau erlaubt eine Einordnung der Simulationsergebnisse und sichert damit die Analyse der Zylinderinnenströmung wesentlich ab. Das Entwicklungsverfahren zur Untersuchung einer homogenen selbstzündenden Verbrennung in einem verbrennungsmotorischen Teilsystem der zweiten Generation basiert auf der Kombination von strömungsmechanischen Simulationen mit experimentellen Untersuchungen am Verbrennungsmotorprüfstand. Dabei wird ein auf innermotorische Anwendungen optimierter Simulationsansatz eingesetzt, der die strömungsmechanischen Vorgänge im Brennraum und den strömungsführenden Kanälen über mehrere Arbeitsspiele bei vergleichsweise geringen Rechenzeiten räumlich abbildet. In der vorliegenden Arbeit wird der Entwicklungsprozess von Auslegungssimulationen über die Konstruktion bis hin zur experimentellen Untersuchung eines homogenen selbstzündenden Brennverfahrens im neuen Versuchsträger beschrieben. Das verbrennungsmotorische Teilsystem der zweiten Generation ermöglicht Betriebsstrategien mit innerer Abgasrückführung, sodass durch hohe Restgasgehalte eine Selbstzündung der Zylinderladung eingeleitet wird. Am hydraulisch unterstützten Verbrennungsmotorprüfstand wird erstmalig ein homogenes selbstzündendes Brennverfahren in einem Freikolbenmotor dieser Bauart experimentell untersucht. Die Messergebnisse weisen nach, dass eine dynamische Anpassung der Kolbenbewegung positiv zur Steuerung des Zündzeitpunktes und damit der Wärmefreisetzung genutzt werden kann. Die ermittelten Druckanstiegsraten liegen bei gleichem Mitteldruck deutlich unter den Vergleichswerten von kurbelwellenbasierten Verbrennungsmotoren mit homogener Selbstzündung. Der eingesetzte innovative Simulationsansatz zeigt sich als ideales Werkzeug zur Analyse und Auslegung des verbrennungsmotorischen Teilsystems. Im Zuge der Entwicklung des verbrennungsmotorischen Teilsystems der zweiten Generation zeigte sich, dass zur Verbesserung der Gemischbildung und -aufbereitung eine genauere Betrachtung des Einspritzvorgangs erforderlich ist. Das hierzu angewandte Entwicklungsverfahren kombiniert räumlich hochaufgelöste Strömungssimulationen mit laserinduzierten Fluoreszenz (LIF) Messungen. Die laserdiagnostische Untersuchung des Einspritzvorgangs erfolgt an einem optisch zugänglichen Versuchsträger im gefeuerten Betrieb. Es wird ein Messaufbau des LIF Verfahrens eingesetzt, der das bestrahlende Laserlicht und das Fluoreszenzsignal durch nur ein Fenster im Kolbenboden in den Brennraum ein- und auskoppelt. Ein Vergleich der Simulation mit laserdiagnostischen Messergebnissen zeigt, dass erst durch eine iterative Anpassung der Einspritzrichtung jedes Spraykegels die Kraftstoffausbreitung in der Simulation realitätsnah wiedergegeben wird. Das Entwicklungsverfahren verdeutlicht, dass trotz des höheren Detaillierungsgrades des Simulationsansatzes eine Untersuchung des Einspritzvorgangs ausschließlich auf Basis von Strömungssimulationen nicht verlässlich und ein Abgleich mit Messdaten entsprechend wichtig ist. Durch die Anwendung der in dieser Arbeit vorgestellten Entwicklungsverfahren werden wichtige grundlegende Erkenntnisse über die innermotorischen Vorgänge im verbrennungsmotorischen Teil des Freikolbenlineargenerators erlangt. Im Hinblick auf eine weiterführende Entwicklung des Motorenkonzeptes bildet die Arbeit eine Basis für den zielgerichteten Einsatz numerischer und laserdiagnostischer Methoden.Item Open Access Spatiotemporal change detection based on persistent scatterer interferometry : a case study of monitoring urban area(2019) Yang, Chia-Hsiang; Sörgel, Uwe (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access A contribution to multipath modeling and simulation for kinematic trajectories(2021) Avram, Alexandra; Volker, Schwieger (Prof. Dr.-Ing. habil.)Over the last years, GNSS technology has been under continuous development and its applications as well. This progress is driven by the emergence of increasingly complex applications. One such trending application for GNSS technology is automated transportation, which expands the boundaries in terms of navigation safety. Since multipath is one of the most challenging errors which affect the position and integrity of a navigation system, research is required in this direction. The multipath topic is complex, since it is dependent on the satellite position in conjunction with the surroundings of the receiving antenna. Therefore, the multipath effects are different for a static user compared to a kinematic one. Environment properties may lead to one or many reflections, diffraction, or non-line-of-sight (NLOS) situations. The characterization of the errors due to multipath in the GNSS observations have been extensively studied since 1972. Nevertheless, most of the focus in this field of study has been towards static applications. This dissertation extends the current multipath research by simulation, characterization, and modeling of multipath errors for kinematic vehicles.