Conceptual design and flight simulation of space station missions beyond low earth orbit

Abstract

Humans will live and work in space for the exploration and development of the solar system. A wide range of space infrastructure elements will be required in low Earth orbit and beyond. Besides new transfer and re-entry vehicles as well as planetary surface installations, space stations in the Earth-Moon system can be a crucial element of forthcoming exploration missions. This dissertation documents an investigation on conceptual design and flight simulation of such space station missions beyond low Earth orbit, namely in the Earth-Moon system. The goal is to develop and extend the methodology and software tools of the conceptual design process (Space Station Design Workshop, SSDW) in order to enable spaceflight systems engineering of space stations in the context of future mission scenarios and architectures. The methodological approach for human spaceflight mission design is discussed with taking into account the special characteristics and requirements of interdisciplinary teamwork and software tool support. The results reveal that mission aspects such as the transfer problem are much more relevant than before. The emphasis lies then on the software engineering approach and major characteristics of the computer programmes developed for space systems modelling and dynamic simulation. A design example demonstrates the application of the methodology and tools on a conceptual design problem targeting at a space station mission at the lunar Lagrange point one (LL1), upon which near-term lunar surface exploration missions can build on. Challenged by the constraint of using existing and tailored European/Russian technology and infrastructure elements, the results manifest the feasibility of such a space station that offers various utilization possibilities. The results documented include the station configuration and modules, the transfer vehicles for crew and cargo transport, the station’s life support system and a logistics concept. The concept outlines enhancements of the current transportation and station infrastructure and shows that the International Space Station (ISS) as a transportation node can beneficially support lunar scenarios.

Menschen werden zur Erforschung und Erschließung des Sonnensystems in den Weltraum reisen, dort leben und arbeiten. Eine Vielzahl von Weltrauminfrastrukturelementen werden dazu notwendig sein, sowohl im erdnahen Raum als auch außerhalb. Neben neuen Transfer- und Rückkehrfahrzeugen und planetaren Oberflächeninstallationen können Raumstationen eine tragende Rolle bei den kommenden Explorations-Missionen übernehmen. Dieser Bericht dokumentiert eine Arbeit zu Vorentwurf und Flugsimulation von Raumstationen für Missionen außerhalb des erdnahen Weltraums, speziell im Erde-Mond-System. Das dabei verfolgte Ziel war die Weiterentwicklung und Verbesserung der Methodik und der Softwarewerkzeuge für den Vorentwurfsprozess erdnaher Raumstationen (Space Station Design Workshop, SSDW) damit der Missions- und Systementwurf im Kontext zukünftiger Missionsszenarien und architekturen gelingt. Zunächst wird der methodische Ansatz für den Entwurf bemannter Raumfahrtmissionen diskutiert, wobei die spezifischen Charakteristika und die Organisation der interdisziplinären Entwurfsarbeit und ihre Unterstützung durch Softwarewerkzeuge besondere Berücksichtigung finden. Das Ergebnis zeigt, dass im Vorentwurf nun auch Missionsaspekten, wie der Transferaufgabe, verstärkte Relevanz zukommt. Daran anschließend werden auf die entwickelten Computerprogramme zur Systemmodellierung und dynamischen Simulation eingegangen und die eingesetzten Modelle und Methoden zusammengefasst. Schließlich demonstriert ein Entwurfsbeispiel die Anwendung des Ansatzes und der Werkzeuge auf ein Entwurfsproblem für eine Raumstationsmission der näheren Zukunft. Hierbei wurde eine Missionsarchitektur mit einer Raumstation im lunaren Lagrange-Punkt eins (LL1) entwickelt, die besonders vorteilhaft für Explorations-Missionen zur Mondoberfläche genutzt werden kann. Die gewählte Randbedingung, dass existierende europäische bzw. russische Technologien und Infrastrukturelemente Verwendung finden sollen, zeigte, dass eine solche Raumstation machbar ist und vielfältige Nutzungsmöglichkeiten bietet. Der dokumentierte Entwurf beinhaltet die Stationskonfiguration und -module, die Transferfahrzeuge für Besatzungen und Fracht, das Lebenserhaltungssystem der Station und ein Logistikkonzept. Dadurch werden einige Weiterentwicklungsmöglichkeiten der heutigen Infrastrukturen skizziert und aufgezeigt, wie die Internationale Raumstation lunare Szenarien sinnvoll als Transportknoten unterstützen kann.