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 Rekonstruktion der Ablagerungsverhältnisse im nordalpinen Vorlandbecken Südwest-Deutschlands(2006) Maurer, Holger; Seyfried, Hartmut (Prof. Dr.)Während der Erdöl- und Ergasprospektion zu Beginn der 50er Jahre rückte das Nordalpine Vorlandbecken (Molassebecken) in den Mittelpunkt des Forschungsinteresses. In den kommenden Jahrzehnten wurden zahlreiche Tiefbohrungen im Molassebecken abgeteuft und somit die Grundlage für eine lithostratigraphische Gliederung der sedimentären Abfolge geschaffen. Bis zur heutigen Zeit gibt es nur wenige sedimentologische und sequenzstratigraphische Untersuchungen zum Ablagerungsmilieu der klastischen Sedimente im Nordalpinen Vorlandbecken Süddeutschlands. Das Ziel der vorliegenden kumulativen Arbeit war es, in verschiedenen Themenbereichen mit sedimentologischen, paläopedologischen, geophysikalischen und mathematischen Methoden die Ablagerungsverhältnisse im Molassebecken zu rekonstruieren. In fünf Veröffentlichungen werden verschiedene stratigraphische Altersabschnitte des Nordalpinen Vorlandbeckens in Südwestdeutschland behandelt. Der Schwerpunkt der Untersuchungen wurde dabei auf die ältesten und die jüngsten Sedimentabfolgen im Molassebecken gelegt, die gleichzeitig den Beginn und das Ende der sedimentären Vorlandbecken-Entwicklung repräsentieren.Item Open Access Integrated flight loads modelling and analysis for flexible transport aircraft(2006) Reschke, Christian; Well, K. H. (Prof. Ph.D.)This thesis is concerned with the derivation of nonlinear equations of motion for flexible aircraft in flight. These equations are intended for the accurate simulation of the flight dynamics of flexible aircraft in general and for the analysis of resulting dynamic structural loads in particular. The main focus is on the inertial coupling effects between the maneuvering flight and structural dynamics of the airframe. The field of flight loads computation is concerned with the provision of loads due to maneuvering flight or turbulence. Hereby, the underlying simulation model consists of a model for the flexible aircraft as well as peripheral models, like the Electronic Flight Control System, a pilot model, etc. The analysis is performed for a variety of flight points and load cases. Subsequently a loads envelope is determined. It consists of maximum structural loads over the airframe due to prescribed maneuvers, gust and turbulence at different flight points and loading conditions. Traditionally, specific models are used for either maneuver loads or gust loads computation. A six degree of freedom (6DOF) nonlinear aircraft model is employed for maneuver simulation. The dynamic response of the aircraft due to turbulence and gust is estimated with linear aeroelastic models, primarily employed in the frequency domain. Particularly for large flexible transport aircraft, these specific models have important limitations. Commercial transport aircraft are getting larger and the airframes are becoming more slender and flexible due to lightweight design. This causes an increasing interaction of flight mechanics and structural dynamics, including inertial coupling effects. Therefore, it is important to extend 6DOF quasi-flexible maneuver loads models with finite element based full flexible aircraft models. Secondly, it may become necessary to perform dynamic response analysis in the time domain in order to account for nonlinear flight control systems. For this reasons a consistent mathematical model that integrates methods and data from both disciplines has to be developed. This implies a derivation of equations of motion and the development of equations for the computation of loads. Furthermore the integration of the respective aerodynamic models has to be addressed. In a first step the equations of motion are derived from first principles. The formulation is developed in such a way that industrial model data and industrial constraints can be considered and efficiently incorporated. The inertial coupling terms are cast in generalized form providing differential equations suited for rapid time domain simulation. In a second step the generalized equations of motion are augmented with a consistent set of nonlinear equations for the computation of internal structural loads over the airframe. The new formulation accounts for nonlinear flight mechanical motion and inertial coupling effects with structural dynamics. In a third step external forces, particularly aerodynamic forces that are driving the equations of motion are modeled. The approach is tailored towards the integration of industrial aerodynamic models used in maneuver loads and dynamic response analysis. The presented integration method extents the distributed quasi-flexible aerodynamic model as used for maneuver loads analysis by unsteady dynamic force increments. The developed set of equations of motion and equations of loads are implemented in a state-of-the-art industrial simulation environment in order to validate the formulation and to perform simulations. A relevant test case is studied to analyze maneuvering flight, dynamic response and structural loads. The influence of inertial coupling effects is emphasized and structural components that are significantly affected are indicated. The key result of this thesis is the increased precision of simulation and loads computation at the cost of a minimum increase of computing effort. No additional model data other than currently used for industrial maneuver loads and dynamic response analysis is required.Item Open Access Materiell und lokal inkompressible viskoelastische Erdmodelle : Theorie und Anwendungen in der glazialen Isostasie(2004) Thoma, Malte; Wolf, Detlef (Prof. Dr. habil.)Die vorliegende Untersuchung beschäftigt sich mit glazial-isostatischen Ausgleichsvorgängen, wie sie in Island (rezentes Abschmelzen der Vatnajökull-Eiskappe) oder in Kanada und Fennoskandien (Abschmelzen der pleistozänen Eisschilde) beobachtet werden. Zur Berechnung des Ausgleichs wird ein mehrschichtiges sphärisches Erdmodell verwendet, dessen hydrostatischer Anfangszustand durch Auflasten gestört wird. Die viskoelastischen Materialeigenschaften des Erdinnern werden mit Hilfe der Maxwell-Rheologie simuliert. Weiterhin wird lokale Inkompressibilität vorausgesetzt, was eine konsistente Berücksichtigung der durch Selbstkompression bedingten Dichtezunahme mit der Tiefe gestattet. Nach Linearisierung und Laplace-Transformation der inkrementiellen Feldgleichungen ergibt sich für die Feldgrößen Verschiebung, Spannung und Gravitationsbeschleunigung ein gekoppeltes lineares Differentialgleichungssystem, das mit Hilfe der Kugelflächenfunktionsentwicklung analytisch gelöst wird. Nach einem numerischen Vergleich ebener und sphärischer Erdmodelle werden als Anwendung der Theorie die glazial-isostatischen Ausgleichsvorgänge in Island und Fennoskandien interpretiert. Für Fennoskandien ist es notwendig, neben der Eislast auch die gekoppelte Ozeanlast zu berücksichtigen. Hierzu werden verschiedene Näherungslösungen der "sea-level equation" präsentiert. Die wichtigsten Ergebnisse der Untersuchung lassen sich wie folgt zusammenfassen: * Bei der Interpretation glazial-isostatischer Beobachtungen führen ebene Erdmodelle nur zu befriedigenden Ergebnissen, wenn der Lastradius kleiner als 1500 km ist, das Erdmodell eine elastische Lithosphäre besitzt und die Beobachtungsorte in der Nähe des Lastzentrums liegen. Ist eine dieser Voraussetzungen nicht erfüllt, sollte ein sphärisches Erdmodell verwendet werden. * Die Interpretation des durch das Abschmelzen der Vatnajökull-Eiskappe hervorgerufenen rezenten Ausgleichsvorgangs (Landhebungsrate und Neigungsänderung) weist auf eine Lithosphärenmächtigkeit von 10 bis 20 km und eine Asthenosphärenviskosität von 5*10^16 bis 1*10^18 Pa s hin. * Der gravitative Einfluß des während einer Klimaerwärmung aus den vereisten Gebieten in die Ozeane abgeführten Schmelzwassers muß in die Interpretation des glazial-isostatischen Ausgleichs einbezogen werden. Die hiermit verbundene Lastumverteilung wird mit Hilfe der "sea-level equation" quantitativ beschrieben und numerisch bestimmt. * Zur Interpretation des Ausgleichsvorgangs in Fennoskandien werden die postglaziale Landhebung sowie die gegenwärtigen Raten der Landhebung, Neigungsänderung und Schwereänderung berücksichtigt. Die Modellierung ergibt Viskositäten des oberen und unteren Mantels von etwa 0.55*10^21 Pa s bzw. 1*10^21 Pa s, eine Lithosphärenmächtigkeit von 50 bis 80 km und eine maximale Eismächtigkeit von etwa 2000 m. Die Berücksichtung einer Asthenosphäre führt zu keiner nennenswert verbesserten Anpassung an die Beobachtungsdaten.Item Open Access Gröbner bases, multipolynomial resultants and the Gauss-Jacobi combinatorial algorithms -adjustment of nonlinear GPS/LPS observations(2002) Awange, Joseph Langat; Grafarend, Erik W. (Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. tech. h. c. mult., Dr.-Ing. E. h.)Die Methode der Gröbner-Basen und Multipolynomialen Resultante wird als wirksames algebraische Hilfsmittel zur expliziten Lösung nichtlinearer geodätischer Problem vorgestellt. Wir nutzen dir Gröbner-Basen und Multipolynomialen Resultante als Rechenhilfsmittel bei der Lösung des nichtlinearen Gauss-Markov Modells mit Hilfe des kombinatorischen Gauss-Jacobi-Algorithmus.Item Open Access Experimental and numerical aeroacoustic investigation of impinging flows at low Mach number(2007) Zucchini, Marco; Munz, Claus-Dieter (Prof. Dr. rer. nat. habil.)This work presents the development of methods for the experimental and numerical investigation of flow-induced noise. Moreover it offers a systematic validation and comparison of various numerical prediction techniques for small Mach number aeroacoustics. The work is motivated from the need to validate all the calculation steps of aeroacoustic simulations beyond pure analytical solutions. This encompasses the fluid dynamics and source calculations up to the propagation of sound for problems of technical interest. The configurations investigated are chosen to ensure geometrical simplicity, given the limitations associated with the numerical calculations of complex geometries, in addition to geometrical relevance with respect to technical problems. The investigation concentrates on the numerical calculations of a low subsonic jet impinging on flat inclined plates with various downstream obstacles. Particular focus is placed on broad band noise contributions.Item Open Access Realisierung und Anwendung eines kinematischen Multi-Sensor-Meßsystems zur Bestimmung von dynamischen Bauwerksverformungen(2001) Petzoldt, Rainer; Linkwitz, Klaus (em. Prof. Dr.-Ing. Dr. sc. Techn. h. c. Dr. h. c. )Durch die Erweiterung der geodätischen Aufgabengebiete, insbesondere in der Ingenieurvermessung, werden zukünftig vermehrt interdisziplinäre Lösungen verlangt, die von einer Fachrichtung alleine nicht geliefert werden können. Dadurch entstehen zum Teil einfachere, schnellere und trotzdem genaue Methoden. Dies wird in der vorliegenden Arbeit veranschaulicht. Dazu werden zuerst die aus den Einzeldisziplinen stammenden Verfahren klassifiziert und anschließend ein auf diesen Verfahren basierendes neu entwickeltes Feldkalibrierverfahren für Inertialnavigationssysteme vorgestellt. Es basiert auf der Messung des Erdschwerevektors und der Erddrehrate in 24 Lagen und erlaubt die Bestimmung der Kalibrierparameter Offset, Skalenfaktor und Fehlausrichtungswinkel. Die erreichbare Genauigkeit liegt für Beschleunigungsmesser in der gleichen Größenordnung wie bei aufwendigeren Laborkalibrierungen, für Kreisel ergibt sich, bedingt durch die sehr kleine Erddrehrate, eine um ein bis drei Größenordnungen schlechtere Genauigkeit. Im zweiten Schwerpunkt der Arbeit wird am Beispiel der Messung der Deformation einer Eisenbahnbrücke während der Überfahrt eines Zuges gezeigt, daß neben der eigentlichen Messung auch die Auswertung der Meßergebnisse von einer Zusammenarbeit verschiedener Fachrichtungen profitiert. Die in den ersten Kapiteln beschriebenen Methoden werden konkret angewandt. Ausgehend von der Problembeschreibung werden Konzeption und Realisierung des Multi-Sensor-Meßsystems entwickelt und die Durchführung und Auswertung der Messungen beschrieben. Die Ergebnisse werden mit dem theoretischen Modell verglichen, wobei trotz der nur parametrischen Zeitabhängigkeit eine sehr gute Übereinstimmung festgestellt wird. Dies zeigt, daß an einem Modell, je nach Art der Fragestellung, viele wohlüberlegte Vereinfachungen vorgenommen werden können, ohne daß es seine Aussagekraft verliert.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 Beitrag zur Gestaltung und Auslegung von 3D-verstärkten Faserverbundschlaufen(2007) Havar, Tamas; Drechsler, Klaus (Prof. Dr.)Zukünftige Verkehrsflugzeuge haben das Ziel wirtschaftlicher und leistungsfähiger zu werden. Zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit wurde eine so genannte Miniature Trailinge Edge Device (kurz: Mini-TED) entwickelt. Die Mini-TED ist eine Spreizklappe aus einem Kohlenstofffaserverbund (CFK), die an die Unterseite der Flügel-Hinterkante mittels integraler Scharnierschlaufen aus CFK angebunden wird. Die hierbei auftretenden Belastungen wirken auf die CFK Scharnier-Schlaufen in unterschiedlichen Richtungen. Hierbei handelt es sich zum einen um schlaufentypische Belastungen, wie reine Zuglasten in Schlaufenrichtung (0° Lastrichtung). Zum Anderen treten schlaufenuntypische Lasten auf, die senkrecht zur Schlaufe wirken (Querzuglasten mit 90° Lastrichtung) und dadurch zum frühzeitigen Versagen führen. Dabei beträgt die Querzugfestigkeit ca. 10% der Zugfestigkeit. Als weiteres Beispiel wurde ein Querlenker aus der Automobilindustrie untersucht. Aufgrund von Reiblasten in den Augen treten hier ebenfalls Lasten senkrecht zur Schlaufe auf. Mittels Verstärkungen in der dritten Richtung von Faserverbundschlaufen soll primär die Festigkeit gegenüber Querzuglasten verbessert werden. In der vorliegenden Arbeit wurden drei unterschiedliche Schlaufentopologien betrachtet. Die erste Schlaufentopologie ist eine Parallel-Schlaufe, die sich dadurch kennzeichnet, dass die Schlaufenlagen gerade in das Bauteil laufen und dabei meist ein Mittellaminat mit einschließen. Die Taillierten-Schlaufe zeichnet sich durch eine Zusammenführung der Schlaufenlagen hinter dem Bolzen aus. Die Halbtaillierten-Schlaufe ist eine Mischung der beiden vorherigen Varianten. Die äußeren Schlaufenlagen verlaufen gerade ins Bauteil, während die inneren Schlaufenlagen hinter dem Bolzen zusammengefügt werden. Mittels nichtlinearer FEM Analysen wurden die verschiedenen Schlaufentopologien bei unterschiedlicher Belasten untersucht und die internen Lastverteilung berechnet. Hierbei hat sich gezeigt, dass ein Erstversagen bei allen Schlaufentopologien und Belastungen auf die interlaminare Schäl- und Scherbelastung der Zwischenschicht zwischen Schlaufenlagen und Mittellaminat zurückzuführen ist. Es wurden interlaminare Schäl- und Scherversuche von 3D-verstärkten Proben durchgeführt. Die Probengeometrie wurde an die Parallel-Schlaufe angelehnt um eine direkte Übertragbarkeit der Versuche zu gewährleisten. Des Weiteren wurden 3D-Verstärkungen mit unterschiedlichem Nahtwinkel und Stichabstand untersucht. Die Versuche haben gezeigt, dass die interlaminare Schälfestigkeit enorm gesteigert werden kann. Gleichzeitig konnte die interlaminare Scherfestigkeit kaum verbessert werden bzw. bei Nähten unter 90° zeigte sich sogar eine leichte Schwächung. Die Auswirkung der 3D-Verstärkung auf die verschiedenen Schlaufentopologien wurde in statischen Versuchen untersucht. Die Versuche mit 3D-Verstärkungen zeigten, dass das Erstversagen bei reiner Zuglast unter 0° nur bei der Taillierten-Schlaufe verbessert werden kann und bei den anderen Schlaufentopolgoien eher zu einer Verschlechterung führt. Bei gemischter Belastung unter 45° konnte eine leichte Verbesserung des Erstversagens infolge einer 3D-Verstärkung aufgezeigt werden. Die Verbesserung der Restversagens konnte jedoch erheblich gesteigert werden, da die 3D-Verstärkung die fortschreitende Delamination behindern. Die größte Verbesserung der Festigkeiten zeigte sich bei der Querzugbelastung unter 90°. Hierbei zeigte sich eine deutliche Steigerung des Erst- und Restversagens. Die Versuche haben ebenfalls gezeigt, dass eine Implementierung eines Innenrings in die Schlaufe das Erst- und Restversagen zusätzlich erheblich verbessern kann, da hierdurch die Anbindung der Schlaufenlagen an das Mittellaminat im kritischen Bereich zusätzlich verstärkt wird. Die Ermüdungsfestigkeit wurde in Lebensdauerversuchen untersucht. Hierbei hat sich gezeigt, dass mittels einer 3D-Verstärkung die Ermüdungsfestigkeit bei 0° Zuglasten deutlich verbessert werden kann. Bei Zuglasten in 90° Lastrichtung konnte die Ermüdungsfestigkeit durch eine 3D-Verstärkung mit zusätzlichen Innenring sogar über die statische Festigkeit der unverstärkten Probe hinaus verbessert werden. Das Schädigungsverhalten der 3D-verstärkten interlaminaren Schäl- und Scherversuche so wie der Parallel-Schlaufe, wurde in nicht linearen FEM Analysen mit numerischen Degradationsmodellen nachgebildet. Die angewandten Versagensmechanismen unterschieden sich für eine Schädigung in einer unidirektionalen (UD) Schicht und einer Delamination zwischen zwei UD-Schichten. Diese wurden mittels Unterprogrammen in das nicht lineare FEM Tool "Marc-Mentat" der Firma MSC Software integriert. Es hat sich gezeigt, dass das Schadensverhalten sehr gut nachgebildet werden kann. Die Abweichung zwischen den berechneten und den experimentell ermittelten Versagenslasten war moderat. Zuletzt wurden anhand der Ergebnisse aus den durchgeführten Arbeiten Gestaltungsrichtlinien für Faserverbundschlaufen abgeleitet.Item Open Access Experimental determination of the free stream disturbance field in the short duration supersonic wind tunnel of Stuttgart University(2002) Weiss, Julien; Wagner, Siegfried (Prof. Dr.-Ing)The present work investigates the free stream disturbance field in the Shock Wind Tunnel (SWK), a short duration supersonic facility of the “Institut für Aerodynamik und Gasdynamik” at Stuttgart University. It takes place in the framework of the Partial Project TPC5 from the Special Research Group 259 (SFB259), established at Stuttgart University and financed by the German Research Foundation (DFG). Measurements are performed at a nominal Mach number Ma=2.5 using a specially designed constant-temperature hot-wire anemometer (CTA) which enables an automatic scanning of the wire temperature in order to perform a complete modal analysis within one wind tunnel run (measurement time: 120ms). A new experimental procedure is developed to operate this anemometer in the SWK and, more generally, to extend the usual CTA operation in facilities with limited testing time. It is based on the post-processing of hot-wire results that are obtained with a non-optimized anemometer. In particular, a method enabling a very fast determination of the anemometer transfer function is developed. It is shown that the disturbance field is largely dominated by acoustic waves like in conventional supersonic facilities. The acoustic level is therefore repeatable from run to run, but depends on the position in the test section. Besides eddy Mach waves radiated by the turbulent boundary layer on the nozzle and the sidewalls, the disturbance field is characterized by highly localized shivering Mach waves caused by mean flow non-uniformities. Nevertheless, it is shown that due to its large size, its relative low disturbance character, and its economic mode of operation, the SWK should be remarkably advantageous for laminar-turbulent transition experiments.