Projekte der OE SARA



SimMoLib

Unter der Leitung der DLR Einrichtung Simulations- und Softwaretechnik und in Zusammenarbeit mit der Organisationseinheit (OE) Navigations- und Regelungssysteme, sowie der OE Raumfahrttechnologie des Deutschen Raumfahrtkontrollzentrums (GSOC) wird im Rahmen des Vorhabens „SimMoLib“ eine Bibliothek entwickelt, welche wiederverwendungsfähige Simulationsmodelle systematisch ablegt und DLR weit zugänglich macht. Bisher vorhandene und in der Zukunft zu entwickelnde Modelle werden entsprechend dokumentiert, validiert und durch eine benutzerfreundliche Oberfläche den Nutzergruppen zugänglich gemacht. Ein gezielter und schneller Zugriff auf Simulations- und Berechnungsmodelle ermöglichen ein hohes Maß an Zeit und Kostenersparnis, besonders im Rahmen der Concurrent Engineering Facility, in welcher kurzfristige Abschätzungen und Aussagen zu möglichen Designänderungen einzelner Disziplinen essentiell sind. Das Zusammenführen dieses Know-how aus dem gesamten DLR, sowie die Qualitätssteigerung durch eine Verwendung systematisch überprüfter Modelle sind nur zwei der Hauptziele dieses Vorhabens.

AISAT

 AISat
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Das von der Abteilung Orbitalsysteme des Instituts für Raumfahrtsysteme geleitete Projekt AISat verfolgt das Ziel einen NanoSatelliten zum Empfang von Signalen des AIS (Automatic Identification System) von Schiffen zu bauen, starten und zu betreiben. Die Besonderheit der Mission liegt in der Verwendung einer High-Gain Helixantenne, die den Empfang von AIS-Signalen insbesondere in vielbefahrenen Seegebieten ermöglicht, in denen es häufig zu nicht auflösbaren Daten durch vermehrte Signalkollisionen kommt. Der Beitrag der Abteilung Systemanalyse Raumsegment liegt im Entwurf von Hardwarekomponenten der Antennengesamtstruktur, in der Koordination der Herstellung sowie in deren Integration. Insbesondere die notwendigen Mechanismen zur Fixierung und zur Freigabe aller beweglichen Antennenteile liegen hierbei im konstruktiven Fokus. Um die Entfaltung des filigranen Gebildes unter Schwerelosigkeitsbedingungen zu testen, wurde die Konstruktion im März 2010 auf der 15. Parabelflugkampagne des DLR in Bordeaux getestet. Die Abteilung SARA entwickelte hierzu in Kooperation mit anderen Instituten des DLR einen Teststand und begleitete die Testdurchführung an Bord des Novespace A300 Zero-G. Alle Entfaltungsversuche mit variierenden Antennenparametern konnten erfolgreich durchgeführt werden. Auf Basis der unter Schwerelosigkeitsbedingungen ermittelten Ergebnisse konnte das Entfaltungskonzept verifiziert und eine geeignete Parameterwahl für den Einsatz der Antenne im Orbit getroffen werden. Im Rahmen der Nachbereitung der Parabelflugkampagne werden die Entfaltungsversuche mittels nichtlinearer numerischer Simulationen basierend auf der Methode der Finiten Elemente nachgebildet und darauf aufbauend weitere Optimierungen in die Konstruktion aufgenommen.

CLAVIS

CLAVIS
Das Projekt CLAVIS befasst sich mit dem Entwurf und Bau eines NanoSatelliten, der es ermöglichen soll, schnell und preiswert Payloads in einem erdnahen Orbit zu betreiben oder Technologieerprobungen durchzuführen. Sein Entwurf soll Startmöglichkeiten mit einer Vielzahl von potentiellen Launch-Vehikeln sowie den Betrieb in einer großen Bandbreite von erdnahen Orbits ermöglichen.
Das Konzept von CLAVIS sieht hierbei aus mechanischer Sicht einen modularen Aufbau und aus elektrischer Sicht die Umsetzung von plug&play Fähigkeiten vor. Diese Eigenschaften sollen in ihrer Gesamtheit den Zeitbedarf von der Kundenanfrage bis zum startfertigen Raumfahrzeug stark reduzieren und somit Entwicklungs- und Missionskosten reduzieren. Daher ist CLAVIS ideal für die Verwendung von Standardpayloads, welche in der NanoSat-Klasse betrieben werden können, und zu Technologieerprobungszwecken (Payloads oder Bus-Komponenten) geeignet. Der Beitrag von SARA zu dem abteilungsübergreifenden Institutsprojekt liegt in den Gebieten Konzeptionierung, Akkommodation, Strukturentwurf und –nachweis sowie Missionsanalyse. So wurden zu Beginn verschiedene Konzepte und Bauweisen einer Bewertung unterzogen und basierend darauf ein geeignetes Akkommodations- und Strukturkonzept erarbeitet. Im Rahmen der weiteren Ausarbeitung des Entwurfs wurden und werden strukturmechanische Simulationen mittels der Methode der Finiten Elemente durchgeführt und als Grundlage zur strukturmechanischen Optimierung des Entwurfs genutzt. Im Bereich der Missionsanalyse werden die Generierung von Energie sowie die Kontaktzeiten mit den Bodenstationen berechnet. Mit diesen Tätigkeiten geht ein stringentes Requirements-Management einher, welches mit dem Datenbanksystem DOORS umgesetzt wird.


Klima Monitor/ Carbon Monitor

Im Rahmen von Machbarkeitsstudien für Erdbeobachtungsmissionen wurden Klima Monitor und Carbon Monitor Projekte durchgeführt. Dabei wurde die Idee, eine hierfür spezifische wissenschaftliche Nutzlast auf einem Kompaktsatelliten fliegen zu lassen, auf ihre Realisierbarkeit geprüft. Dies ist vor allem aus Kostengründen sehr interessant, da die finanzielle Seite in den Raumfahrtprojekten eine essentielle Rolle spielt. Die Adaption der wissenschaftlichen Nutzlast erfolgte an den sogenannten Standard Satellite Bus kit (SSB). Dem SSB liegt dabei die Expertise des DLR hinsichtlich der vergangenen bzw. parallel laufenden Projekte BIRD, TET sowie AsteroidFinder zugrunde. Sowohl die technische als auch die wirtschaftliche Seite wurden detailliert untersucht und Empfehlungen bzgl. der Realisierung ausgearbeitet.


Knowledge Capitalization in a Concurrent Engineering Environment (KnowCap)

KnowCap ist ein abgeschlossenes ESA Projekt, welches die speziellen Knowledge Management (KM) Kapazitäten innerhalb der CE Umgebung untersuchte und bewertete. Aus den Analysetätigkeiten wurde ein Software Prototyp entwickelt, welcher sowohl in den CE-Prozess des DLR als auch in den CE-Prozess der ESA implementiert wurde. Das programmierte Support Tool lautet S.P.O.C.K. und steht für Software Platform for Organizing and Capturing Knowledge. Die KM Software unterstützt Ingenieure und Experten innerhalb der CEF bei der Konzipierung von Raumfahrtsystemen. Dabei wird studienspezifisches CE-Wissen eingefangen, aufbereitet und zukünftigen CE-Teams zur Verfügung gestellt.


VELOX - Sauerstoffgewinnung auf dem Mond

 VELOX
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Im Rahmen von Studien zum Thema ISRU (In-situ Resource Utilization) werden Systemanalysen für den Bereich „Lunare Sauerstoffproduktion“ durchgeführt. Mondstaub, genannt Regolith, enthält ca. 45% Sauerstoff, welcher gebunden in diversen Metalloxiden vorkommt. In Zusammenarbeit mit der OE Explorationssysteme und dem Institut für Materialphysik im Weltraum beschäftigt sich die OE Systemanalyse Raumsegmente mit dem Aufbau einer kleinen Demonstrationsanlage auf der Erde zur nachweislichen Gewinnung von lunarem Sauerstoff.
Mittels elektrischer Energiezufuhr werden Mondstaubsimulate und verschiedene Minerale in einer Brennkammer erhitzt (rechts in Abbildung 7) und von gasförmigem Wasserstoff durchströmt. Dies führt zu einer Reduktion der Mineralprobe und produziert Wasserdampf, welcher gekühlt und durch Elektrolyse in seine Bestandteile Wasser- und Sauerstoff aufgeteilt wird. Mehrere Testkampagnen im Rahmen des Vorhabens sollen die potentiellen Ertragsraten unter verschiedenen Bedingungen (z.B. Temperatur; Druck; Prozessdauer) genauer quantifizieren und klare Anforderungen für eine lunare Anwendung definieren. Die Optimierung des Prozesses durch eine rotierende Anlage und dem damit veränderten Reduktionsverhalten der einzelnen Mineralelemente stehen ebenfalls im Vordergrund.

DLR-AMSAT P5 - Konzeptstudie zu einem Mond- und Marssatelliten in Kooperation mit AMSAT-DL

 DLR-AMSAT P5 Moon
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Die erfolgreich abgeschlossene DLR-Studie hat aufbauend auf dem im Orbit befindlichen AMSAT-Satelliten P3-D die theoretische Machbarkeit einer deutschen Mission zum Mond und zum Mars mit ausgewählten DLR-Nutzlasten nachgewiesen.

Dabei wurde insbesondere als Zwischenschritt zum Mars ein Satellit zum Mond entworfen, der Silikate, Temperaturen und Meteoriteneinschläge auf der Mondoberfläche untersuchen kann, HDTV Aufnahmen vom Mond und spektakulären Missionsphasen (Launcherseparation, Manöver) in einer Form zu Erde sendet, dass das Videosignal mit Commercial-Off-The-Shelf Hardware (1,2 m Parabolantenne, TV-Receier) live empfangen werden kann, und mit dem eine innovative Technologie zur planetaren Navigation erprobt werden kann.

 DLR-AMSAT P5 Mars
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Des Weiteren wurde ein Satellit entworfen, mit dem gezielt der Marsmond Deimos aber auch Phobos und der Mars selbst erforscht werden können. Dabei kommen zwei hochauflösende Kameras und ein Spektrometer zum Einsatz, die in verschiedenen Frequenzbereichen zum Teil dreidimensional aufgelöste Bilder erzeugen können. Die Mission würde erstmals eine detaillierte Untersuchung von Deimos ermöglichen hinsichtlich seiner Entstehung, seiner Kernparameter (z.B. Masse, Bahn) und möglicher Landemissionen. Gleichzeitig kann mit dem Satelliten die Mars-Wolken- und Atmosphärendynamik in niedrigen Breitengraden beobachtet werden.

Beide Satellitenentwürfe stellen jeder für sich eine für die deutsche Öffentlichkeit und Planeten-Wissenschaft hohe Missionsattraktivität dar. Gleichzeitig scheint der Zwischenschritt einer Mondmission 2015 eine Folgemission zum Mars (Deimos) 2018 deutlich zu vereinfachen, dafür jedoch nicht zwingend notwendig zu sein.

Im Verlauf der Studie hat sich gezeigt, dass trotz der unterschiedlichen Arbeitsweisen von AMSAT-DL und DLR eine überaus konstruktive Zusammenarbeit entstanden ist und darüber hinaus eine mögliche Aufteilung von Verantwortlichkeiten bei gegebener Umsetzung eines oder beider Missionen bis hin zum Missionsbetrieb erarbeitet und angestrebt wurde.
Durch den gewählten Ansatz, die Missionen lediglich als Sekundärnutzlasten in den GTO zu starten und den Satellitenbus unter der Leitung von AMSAT-DL zu bauen, hat die Kostenschätzung einen deutlichen Vorteil gegenüber vergleichbaren Explorationsmissionen ergeben. So hat die Studie gezeigt, dass in einem Konsortium bestehend aus AMSAT-DL und DLR eine sowohl national als auch international innovative und attraktive Mission zum Mond und/oder Mars mit dem begrenzten Aufwand für einen Erdsatelliten möglich ist.

BERT (Bemannter Europäischer Raum-Transport)

BERT Kapseldesign

 BERT Massenvergleich
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Ziel der BERT-Studie des DLR unter Zuarbeit von EADS Astrium (ATV Evolution) war es, eine Aussage über die Durchführbarkeit eines autonomen europäischen bemannten Zugangs zum Weltraum zu gewinnen. Dabei bedeutete autonom die überwiegende, aber nicht zwingend die unter Missachtung aller Kosten ausschließliche Verwendung von in Europa verfügbarer bzw. in Europa zu entwickelnder Technologie. Die weit reichende Verwendung vorhandener Komponenten war angestrebt, um das Vorhaben finanziell realisierbar zu halten. Als erster Schritt diente die Entwicklung einer bemannten Prototyp-Kapsel, die von ihrem technischen Grundkonzept her in der Lage ist, für verschiedene dauerhafte Betriebszenarien (LEO-Station, Mondmission) weiter entwickelt zu werden. Der kommerzielle Betrieb der Ariane 5 sollte dabei möglichst wenig beeinträchtigt werden.

Die Abteilung SARA hat bei der Studie die Verantwortung für die Kostenmodellierung und die Kapsel und Orbitaltechnologie übernommen. Dabei wurden das Design der Kapsel und des Servicemoduls mit orbitalem Antrieb, sowie ein Mensch-Maschine-Interface als Input von EADS Astrium koordiniert und anhand einer Massenmodellierung kritisch hinterfragt. Außerdem wurde eine Übersicht zu möglichen Kopplungseinrichtungen ausgearbeitet, sowie die Erreichbarkeit des Lagrangepunktes zwischen Erde und Mond mithilfe der Missionsanalyse-Software „Satellite Tool Kit“ untersucht.

Passive Damping

 Passive Damping
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Leichtbaustrukturen, die u. a. auch in der Raumfahrt eingesetzt werden, können hohen dynamischen Belastungen (Vibrationen) ausgesetzt sein, die sich masse- und lebensdauerrelevant auf die Struktur auswirken.

Das Patent DE 101 38 250 beschreibt eine sehr einfache Möglichkeit, dynamische Belastungen für größere Sandwich-Panele durch künstliche innere Reibung zu reduzieren, für mehr Details siehe:

  • Romberg, O.: Passive Damping Device for Sandwich Structures, Journal of Recent Patents on Mechanical Engineering, Bentham Science Publishers, BSP-MENG-2010-16




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