Entwurf und Analyse eines prädiktiven Lenkkonzepts für Rückkehrmissionen auftriebsgestützter Raumfahrzeuge

Abstract

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.

Design and Analysis of a Predictive Guidance Concept for Reentry Missions of Lift Assisted Space Planes: Future space launch systems will comprise some reusable elements or will be completely reusable for many reasons. Ultimately, these vehicles will replace the expendable launch vehicles of today. While talking about reuse, the question of a controlled reentry into Earth atmosphere and save landing on a runway comes up. The technological problems of a reentry flight mission needs solutions in different fields and can only be solved in an interdisciplinary way. One area of importance is guidance navigation and control, which is a key technology for future reusable launch systems. In the frame of this work a predictive board autonomous guidance concept for the ex-perimental vehicle X-38 is introduced, which in opposition to classic algorithms, e.g. used on the Space Shuttle orbiter, uses flight optimisation methods for a board autono-mous trajectory design and flight control. Detailed trajectory analyses are described to establish a flight envelope for the given mis-sion scenario. The reentry flight corridor, in the limits of which the vehicle has to be guided, is mainly dominated by aerothermodynamic restrictions. Different deorbit ma-noeuvres and steering histories are shown to widen the corridor to some extent. Based on this knowledge, the development, respectively the adoption of the predictive and board autonomous algorithm, which has been investigated at IRS over a long pe-riod, to different flight phases of the vehicle is performed. Beside the problem solutions for specific tasks of the different mission phases, the interface link between different phases is discussed and solutions are presented. A sensitivity and robustness analysis as-sesses the performance evaluation for the algorithms assuming realistic flight conditions using a high fidelity flight simulator (CREDITS). Finally, the algorithm performance is compared to another guidance concept and the advantages of the new approach are dis-cussed. The reader is referred to page 119 of the report, where a comprehensive summary of the present study is provided in English.