Systemanalyse Raumsegment



Beschreibung

Die Organisationseinheit (OE) „Systemanalyse Raumsegment“ (SARA) bildet zusammen mit der OE „Systemanalyse Raumtransport“ (SART) den Bereich der Systemanalyse und ist auf diese Weise als einer der drei Schwerpunkte in das DLR-Institut für Raumfahrtsysteme integriert. Die Hauptaufgabe der Abteilung besteht darin, existierende und zukünftige Raumfahrtsysteme zu analysieren und zu bewerten. Dies geschieht sowohl unter technischen und wirtschaftlichen, als auch gesellschaftspolitischen Aspekten. Die in der OE SARA durchgeführten Studien und Entwicklungen dienen z. T. als Vorbereitung für die Aktivitäten im Bereich der Systemtechnik.
Die OE SARA entwickelt und verwendet qualitative und quantitative rechnergestützte Methoden zur Bewertung von Raumfahrt-Konzepten hinsichtlich Anwendbarkeit, Machbarkeit, Akzeptanz, Kosten und Nutzen.
Des Weiteren werden aus den Ergebnissen der Systemanalyse Entscheidungshilfen und Empfehlungen für die Politik und Programmatik erarbeitet. Dadurch soll die nationale und europäische Raumfahrt langfristig weiterentwickelt, gesteuert, und der deutsche Raumfahrtstandort im internationalen Wettbewerb nachhaltig gestärkt werden.

Das wichtigste Werkzeug der OE SARA ist die Simultanentwurfsanlage „Concurrent Engineering Facility“, die am DLR Bremen seit 2009 betrieben wird.
Die Abteilung gliedert sich in drei Hauptbereiche, die in folgendem Organigramm dargestellt sind:

Systemanalyse Raumsegment

(SARA)

Concurrent- & Systems Engineering

(CESY)

Evaluation & Cost Estimation

(EVACO)

Systemanalyse Satelliten

(SAS)

Aktuelle Schwerpunkte

Concurrent- und Systems Engineering

CEF am Standort Bremen

Das Kernelement im Bereich Concurrent- und Systems Engineering ist der Betrieb der Concurrent Engineering Facility (CEF) Um Konzeptstudien und Systemanalysen effizient durchführen zu können und den Systemgedanken in Bezug auf die Bündelung der Subsystemexpertise im DLR nachhaltig zu verfolgen, wird seit Januar 2009 am Standort Bremen die neue CEF betrieben.
Die CEF, auch Simultanentwurfseinrichtung genannt, bietet die Möglichkeit eines gemeinsamen und gleichzeitigen Arbeitens von Experten vieler Fachrichtungen und soll die effektivitätssteigernde Methodik des Concurrent Engineering durch den Einsatz modernster Werkzeuge und Kommunikations-Technologien im DLR gewährleisten. Die Anlage wird primär für Raumfahrtstudien auf Phase 0/A-Level eingesetzt. Die Ausweitung des Prozesses auf höhere Projektphasen ist derzeit ein Hauptziel in diesem Themenbereich.

Concurrent Engineering ist eine Systems Engineering Technik für Entwurf, Entwicklung und technisches Management, die sich durch

  • einen systematischen Ansatz für integrierte Produktentwicklung,
  • einer Formalisierung des iterativen Entwicklungsprozesses,
  • einem simultanen Arbeiten an einem gemeinsamen Problem
  • unter Einbeziehung aller Disziplinen & und einer aktiven Einbindung des Kunden

beschreiben lässt. Diese Technik minimiert Fehler und erhöht die Konsistenz von Entwürfen besonders in der Anfangsphase eines Projektes und spart über den gesamten Produkt-Lebenszyklus somit Entwicklungskosten und Zeit.

Im Rahmen der Anwendung und Forschung auf dem Gebiet des Systems Engineering ist die Abteilung auch in Projekte hinsichtlich „Model-based Systems Engineering (MBSE)“ und die Weiterentwicklung von Raumfahrzeug-Designprozessen involviert.

Technologiebewertung & Systemanalyse

 Technologieentwicklung von Raumfahrtsystemen
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Innerhalb der Technologiebewertung (Systemanalyse) werden verschiedene Methoden entwickelt, Raumfahrtmissionen und -systeme zu bewerten. Dabei wird eine Raumfahrtmission nach technischen, wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Kriterien untersucht. Durch gezielte Systemanalyse können Fehlentwicklungen rechtzeitig aufgedeckt und geeignete Maßnahmen eingeleitet werden.

Seit dem Sputniksatelliten (1957) wurden bis heute mehrere tausend Satelliten in die Erdumlaufbahn sowie zu anderen Himmelskörpern geschickt. Dabei stellt sich die Frage, wie die jeweiligen Subsysteme dieser Raumfahrzeuge beschaffen waren bzw. sind. Gibt es zeitliche Zusammenhänge oder Kausalitäten in der Technologieentwicklung zwischen den einzelnen Subsystemen? Gab es Technologiesprünge in der Evolution von Raumfahrzeugen? Ziel der Technologiebewertung/Systemanalyse ist die Ableitung von zukünftigen Raumfahrttrends.

Wirtschaftlichkeits-Analysen

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 Kostenschätzung
zum Bild Kostenschätzung

Eines der wichtigsten Werkzeuge innerhalb der Bewertung von Raumfahrtsystemen ist die Kostenanalyse. In der frühen Phase eines RF-Projekts stehen nur wenige technische und organisatorische Informationen für eine aussagekräftige Kostenschätzung zur Verfügung, um eine aussagekräftige Kostenschätzung durchzuführen. Aus diesem Grund wird zunehmend die parametrische Kostenschätzmethode angewandt, bei der sogenannte Cost Estimating Relationships (CER) zur Anwendung kommen. Neben der Benutzung von Open-Source Kostenmodellen entwickelt EVACO auch ein eigenständiges DLR-internes Kostenmodell, welches den speziellen Gegebenheiten des DLR Rechnung trägt. Denn nur durch eine akkurate und belastbare Kostenschätzung können Entscheidungsträger im Rahmen einer Gesamtprojektbewertung richtige Entscheidungen treffen.

Neben den einzelnen Kostenmodellen werden in diesem Bereich auch generelle Wirtschaftlichkeitsanalysen erstellt. Zum Einsatz kommende Bewertungsmethoden sind unter anderem:

  • SWOT-Analysen
  • Morphologischer Kasten Analysen
  • Szenario Analysen
  • Portfolio Techniken
  • System Dynamics Modelle
  • PE Porters 5 Forces

Im Rahmen dieser Analysen wird die Software think-cell verwendet. Dabei handelt es sich um ein Add-In, das die Erstellung komplexer Diagramme, wie z.B. Waterfall- oder Gantt-Modelle, ermöglicht. Für den universitären Gebrauch und für Forschungszwecke sind kostenfreie Lizenzen erhältlich. Nähere Informationen können auf der think-cell Webseite eingesehen werden.

CE-Support

Innerhalb dieses Bereiches werden Software Tools entwickelt, die den Concurrent Engineering (CE) Prozess unterstützen. Als essentielles Support-Tool wird die Knowledge Management (KM) Architektur S.P.O.C.K. entwickelt. S.P.O.C.K. (Software Platform for Organizing and Capturing Knowledge), die  im Rahmen eines ESA Auftrages speziell für die CE Umgebung entworfen, soll Ingenieure und Experten innerhalb der CEF bei der Konzipierung von Raumfahrtsystemen unterstützen.

In der OE entwickelte Knowledge Management Systeme

Die SSAM (Space Manufacturer and Supplier) Datenbank erfasst alle gängigen raumfahrtbezogenen Komponenten mit den jeweiligen technischen Parametern. Durch diese Datenbank wird den Ingenieuren die Suche nach spezifischen Komponenten (z.B. Batterien, Solarzellen, Patch-Antennen) erheblich erleichtert. Eine Besonderheit bei dieser Datenbank ist die aktive Einbindung der Raumfahrtindustrie. Diese kann über einen personifizierten Zugang (User Account) ihre angebotenen Hardwarekomponenten selbstständig in die Datenbank hochladen. Somit wird eine ständige Aktualität der Komponentendaten gewährleistet.

Eine weitere von der Sektion EVACO entwickelte Datenbank beschäftigt sich mit der parametrischen Erfassung vergangener Raumfahrtsysteme. Die Datenbank CERD (Concurrent Engineering Reference Database) erfasst die meisten technischen und missionsspezifischen Parameter eines Raumfahrzeuges. Mit Hilfe dieser Datenbank können während des CE Designprozesses wichtige Analogieschlüsse zwischen dem zu entwickelnden Raumfahrzeug und vergangenen RF-Systemen gezogen werden. Dadurch werden die Ingenieure in ihrem Entscheidungsprozess unterstützt und der gesamte Designentwurf wird beschleunigt.

Untersuchung von Raumfahrtkonzepten (Systeme/Missionen)

Die OE untersucht Motive und Ziele diverser Raumfahrtkonzepte und führt in diesem Zusammenhang entsprechende System- und Missionsanalysen (top level) durch. Zur vollständigen Durchführung von Studien betreibt sie ein Netzwerk, mit dem gegebenenfalls auf Experten anderer Abteilungen, Institute oder Externer zurückgegriffen werden kann. Es werden Konzepte erstellt, Design-Aufgaben auf Subsystemebene durchgeführt (z.B. Struktur, Thermal, Power, Kommunikation) und übergreifende Fragen wie z.B. zu Akkommodation, Einbindung von Instrumenten, Budgetierung, Betrieb und Kosten bearbeitet. Diesbezüglich werden auch weltweit bekannte Systeme und Visionen recherchiert, zukünftige Möglichkeiten für die deutsche und europäische Raumfahrt erarbeitet, sowie fehlende und vorhandene Kompetenzen in den entsprechenden Bereichen aufgezeigt.

 Missionsanalysen auf Basis von STK
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Auf dem Gebiet der Astronautik wurden z.B. Analysen für einen bemannten europäischen Raumtransport auf Basis der ATV-Technologie hinsichtlich technischer Realisierbarkeit und operationeller Szenarien durchgeführt (BERT/ATV-Evolution). Des Weiteren wurden Satellitenmissionen zur Erkundung von Mond, Mars und Sonne entworfen. Dabei war eine intensive Zusammenarbeit mit den jeweiligen Wissenschaftlern der Schlüssel für erfolgreiche Studienergebnisse. Auch zum Thema Klimawandel, d.h. Detektion von Treibhausgasen wurden Satellitensysteme für globale und lokale Abdeckung untersucht. Zusätzlich wird die detaillierte  Missionsanalyse des AsteroidFinder/SSB Kompaktsatelliten bei Engpässen unterstützt.

Jede Raumfahrtmission ist einer potenziellen Gefahr ausgehend von Mikrometeoriten und Weltraumtrümmerteilen (Space Debris) ausgesetzt. Zur Risikoabschätzung werden Simulationsmodelle benutzt (MASTER, ORDEM), die in der Lage sind, eine Wahrscheinlichkeitszahl bzgl. Space Debris zu generieren. Die Verifikation der analytischen Methoden zur orbitalen Weltraummüllumgebung vor Ort ist in diesem Zusammenhang auch ein Thema der OE.

 

Tabelle 1: Verteilung von Space Debris und dessen Folgen


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