Multi disciplinary object oriented design analysis of high altitude platforms

Abstract

The growing demand for telecommunication and other applications has led to rapid deployment of satellite wireless networks. Signal delay is caused because of their geostationary orbit of 36,000 km and terrestrial relay stations have to be installed to convert their long range communication signal into a short range signal for instance for mobile phones. Satellites in lower orbits of 200 km permit rather short phases of few minutes. Apart from these problems the operational costs of satellite communication are very high. Within the last decades another alternative research field has been carried out in parallel to the well established technology of satellite communication. It is based on quasi-stationary aerial platforms, so called High Altitude Platform (HAPs), operating in the lower stratosphere about 20 km altitude. Their distinct advantages compared with satellite systems are reduced cost, relatively close range, flexibility in terms of rapid deployment, ease of re-configuration, possibility for frequent take-offs and landings for maintenance and upgrading and very favourable path-less characteristics. Thus a mission within the lower stratosphere would allow multi cast and broadband telecommunication, remote sensing, environmental monitoring, disaster recovery, meteorological measurements, real time monitoring of seismic regions, agriculture support and many more. Therefore the HAPs should be capable of quasi geostationary long endurance mission. Because of tough environmental conditions within this flight region, such as low density of air, only 7% of that on ground surface, and the seasonal wind speeds up to 35m/s there exist no flight vehicles so far with endurances of more than 48h. In the past airplanes, balloons and airships where designed for flight within the stratosphere. But soon it became evident that these concepts have major difficulties to fulfill the operational requirements. For this reason an aerostatic segmented chain body was designed at the Institute for Statics and Dynamics of Aerospace Structures (ISD; University Stuttgart) to overcome the limitations of stratospheric flight of conventional air vehicles. Such chain body air vehicles are very complex and require a multi disciplinary design analysis of their envelope, structure, propulsion, energy system and control. For this purpose we introduce the method of design languages within this work to facilitate an overview of the mission characteristics of such chain body air vehicles from various perspectives. Design languages allow to describe the involved disciplines in a very precise way and subsequently enable evaluating them. The mightiness of this approach is illuminated within this work and verified with help of layout examples. It is demonstrated that by this method a huge amount of design variants can be generated semi automatically and thus allows to explore the design space very efficiently. The design space is investigated in regard to the borders and the borderlines and corresponding parameters of the used technology are identified. Furthermore strategies are developed how these border lines can be moved in a favourable area of the design space.

Der wachsende Bedarf an Telekommunikation und weiteren Anwendungen hat zur raschen Ausbreitung der auf Satelliten basierenden Drahtloskommunikation geführt. Aber wegen deren geostationären Orbits von 36.000km wird eine Signalverzögerung verursacht. Außerdem müssen terrestrische Relaisstationen installiert werden, um deren Langstreckensignal in ein Kurzstreckensignal z.B. für Mobilfunkanwendungen umzuwandeln. Satelliten in niedrigeren Umlaufbahnen von ca. 200km erlauben leider nur ein kurzes stabiles Sichtfenstern von wenigen Minuten. Abgesehen von all diesen Problemen stellen Operationskosten von satellitenbasierter Kommunikation einen erheblichen Faktor dar. Während den letzten Jahrzehnten wurde parallel zu der etablierten Satelliten basierter Kommunikation ein weiteres Forschungsfeld eingeführt. Es basiert auf quasi stationären Antennen-Plattformen, die so genannten Höhenplattformen (High Altitude Platforms-HAP), welche in der niedrigen Stratosphäre in einer Höhe von ca. 20km operieren. Deren eindeutige Vorteile gegenüber Satellitensysteme sind reduzierte Kosten, relativ nahe Entfernung, Flexibilität in Hinsicht auf Einsatzbereitschaft, einfache Neukonfiguration, beliebige Lande- und Startfähigkeit im Hinsicht aufWartung und Ausbau und eine günstige pfadlose Charakteristik. Demzufolge hat der Einsatz von Höhenplattformen in der niedrigen Stratosphäre seine besonderen Vorteile, wie Breitband Telekommunikation, Fernerkundung, Umweltüberwachung, Katastrophenschutz, meteorologische Messungen, Echtzeitüberwachung von seismischen Aktivitäten, Unterstützung der Agrarwirtschaft und viele weitere Anwendungen. Daher müssen Höhenplattformen in der Lage sein quasi Geostationäre und Langzeiteinsätze durchzuführen. Wegen den rauen Umgebungsbedingungen in dieser Einsatzhöhe wie der geringen Luftdichte von nur 7% als der auf Meereshöhe und jahreszeitlich bedingten Windgeschwindigkeiten von bis zu 35m/s, existiert bisher kaum ein Fluggerät welches eine Ausdauer von mehr als 48 Stunden besitzt. Für diesen Einsatzzweck wurden in der Vergangenheit Flugzeuge, Ballone und Luftschiffe konzipiert, aber es wurde bald offensichtlich, dass all diese Konzepte in dieser Umgebung ihre schwerwiegenden Probleme haben. Aus diesem Grund wurde am Insitut für Static und Dynamic der Luft- und Raumfahrtkonstruktionen der Universität Stuttgart ein Leichter als Luft Gliederkörper entwickelt, um die Probleme der konventionellen Fluggeräte zu bewältigen. Solche mehrgliedrige Fluggeräte sind sehr komplex und bedürfen einer multidisziplinären Entwurfsanalyse aller Disziplinen, wie der Hülle, Struktur, Antrieb, Energiesystem, Regelung etc. Für diesen Zweck wird in dieser Arbeit die Methode der objektorientierten graphenbasierten Entwurfssprachen eingeführt, wodurch ein Überblick über die Missionscharakteristik von solchen Gliederkörpern von unterschiedlicher Perspektive ermöglicht wird. Entwurfssprachen erlauben die involvierten Disziplinen in einer sehr präzisen Art und Weise zu beschreiben und diese auch anschließend zu evaluieren. Die Mächtigkeit dieses Ansatzes wird in dieser Arbeit hervorgehoben und wird mit Hilfe von Entwurfsbeispielen verifiziert. Es wird demonstriert, dass mit dieser Methode eine sehr große Anzahl an Varianten in relativ kurzer Zeit generiert werden können und ermöglicht somit den Entwurfsraum sehr effizient zu durchsuchen. Der Entwurfsraum wird auf seine Grenzen hin untersucht, und die für Grenzlinien verantwortlichen Parameter der verwendeten Technologie werden identifiziert. Außerdem werden Strategien erarbeitet, wie diese Grenzlinien in einem bevorzugten Bereich des Entwurfsraumes verschoben werden können.