QUASAR-PP

QUASAR-PP nutzt die Synergie der Expertise aus verschiedenen DLR-Instituten und dem Galileo Competence Center (GK). Das Institut für Solar-Terrestrische Physik (SO) liefert die Expertise zur Thermosphären-Ionosphären-Forschung und Modellierung. Das Institut für Satellitengeodäsie und Inertialsensorik (SI) trägt mit den Fähigkeiten zur Verbesserung der Störkraftmodellierung und Bereitstellung von geeigneten Satellitenmodellen bei. Das GK bringt für das Vorhaben seine Expertise in den Bereichen Systems Engineering und Anforderungsmanagement ein. Die Expertise zur Analyse der Anforderungen an Materialien und geeignete Teststrategien wird durch die Gruppe Materialalterung des Instituts für Raumfahrtsysteme (RY-MTS) mit der Complex Irradiation Facility (CIF) beigesteuert. Das Institut für Quantentechnologie (QT) verfügt über die Fähigkeiten zur Entwicklung von Quantensensorik für die Mission.

An dem Projekt sind neben DLR-SO folgende Institute beteiligt:

• DLR-RY
• DLR-GK
• DLR-SI
• DLR-QT

SO wird die wissenschaftlichen Anwendungsfelder und deren Anforderungen (science requirements) für die VLEO Mission auf Basis des State-of-the-Art der Thermosphären-Ionosphären-Forschung und ihren Bedarfen erstellen. Folgende Ziele wird SO bearbeiten:

• Vorläufige Liste der Science Cases ergänzen
• Für jeden Science Case die Anforderungen an die Beobachtungsdaten der thermosphärischen und ionosphärischen Parameter und Orbits analysieren und beschreiben
• Aufbau der Fähigkeiten zur Ableitung Neutralgasdichten aus Accelerometermessungen
• Aufbau der Fähigkeiten zur Datenassimilation in ein physikalisches Modell
• Literaturstudien und Simulationen zu den zu erwarteten Beobachtungsbedingungen in VLEO bezüglich Sensitivität, Abtastrate etc. für jeden Science Cases
• Formulierung der science requirements und Dokumentation im Mission Requirements Document

SI: Während des Vorhabens soll die vorhandene Software zur Störkraftmodellierung auf VLEOs angepasst werden. Außerdem soll anhand verschiedener Satellitenmodelle aufgezeigt werden, wie die Satellitenform die zu erwartende Störungen des Satelliten durch die Atmosphäre beeinflusst. Dadurch kann das Satellitendesign effektiv bewertet und im Anschluss für das Preliminary Design verwendet werden. SI formuliert die Anforderungen an die Accelerometermessungen basierend auf den Anforderungen an die benötigten Thermosphärendichte und -winddaten.

GK: Das GK bringt für das Vorhaben seine Expertise in den Bereichen Systems Engineering, Anforderungsmanagement sowie zur Orbitsimulation in das Projekt mit ein. Das GK wird somit bei der Anforderungserhebung von Anfang an beteiligt sein und diese dementsprechend dokumentieren. In den späteren Phasen des Vorhabens wird gerade speziell die Gesamtsicht auf das System mit all seinen speziellen Anforderungen und Abhängigkeiten essentiell zur Bewertung des Gesamtsystems werden um das passende Auslegungskonzept auswählen und dementsprechend die vorläufigen technischen Anforderungen ausgestalten zu können 

RY-MTS: Raumfahrzeuge sind im VLEO besonders herausfordernden Umgebungsbedingungen ausgesetzt. So ist die Dichte des atomaren Sauerstoffs deutlich höher als bei Missionen in höheren Orbits und zusätzlich nimmt auch die Konzentration an Stickstoff in niedrigen Orbits zu. Diese Umgebung führt zu einer starken Erosion von Materialien. Diese Anforderungen an Materialien und geeignete Teststrategien müssen bereits in frühen Phasen eines Projektes berücksichtige werden. Diese Expertise wird durch die Gruppe Materialalterung mit der Complex Irradiation Facility (CIF) beigesteuert.

Der QT-Anteil bezieht sich auf eine Konzeptstudie (Phase 0) zu einer Nutzlast, welche eine Beschleunigung zum Bedarf von QUASAR hochauflösend misst. Es soll im Falle der Machbarkeit als Grundlage für eine Phase A, BCD im weiteren Verlauf als Projekt dienen. Nach Input der Anforderungen bzgl. der Beschleunigungsmetrologieperformanz (neben Missionsdauer, Startbelastungen und Orbit sind Frequenzbereich und Auflösung, ggfs. Genauigkeit) werden Konzepte für die Nutzlast erdacht, untersucht und bzgl. Machbarkeit gegenübergestellt. Baseline und Fallback werden damit im Falle abgeleitet. Im ersten Schritt wird von einer eindimensionalen, relativen Beschleunigungsmetrologie ausgegangen. Im Falle hoher geforderter Präzision verbunden mit hohen mechanischen Lasten auf die Nutzlast müssen geeignete AIMetoden für die Optiken zum Zuge kommen, welche derzeit in Untersuchung sind. Erweiterungen auf weitere Achsen stellen zusätzliche Herausforderungen dar.

Erdbeobachtung 2030+

Teilmission Atmosphäre und Klima: Atmosphärenmessungen können mit Hilfe von Inertialsensoren realisiert werden. In diesem Vorhaben wird eine Konzeptstudie durchgeführt, auf deren Grundlage in einem möglichen darauffolgenden Projekt eine entsprechende quantenbasierte Inertialsensorik für eine künftige Thermosphären-Ionosphären-Forschungsmission entwickelt werden soll.

Teilmission Weltraumwetter: Das Vorhaben liefert einen Beitrag zur Systemkompetenz in der Erdbeobachtung. Speziell wird mit der Entwicklung eines Konzepts für eine Thermosphären-Ionosphären-Forschungsmission das Weltraumwetter als Teilmission der Strategie EO adressiert. Das Vorhaben bearbeitet mehrere Segmente der Systemkette. Es fokussiert die Weiterentwicklung von Quantensensoren (Accelerometer) und die Entwicklung eines
Missionskonzepts. Es bearbeitet Retrievaltechniken für Thermosphärendichten und -Winde und die Entwicklung von Produkten. Auf lange Sicht sorgt das Vorhaben für die Weiterentwicklung von Modellen der Thermosphäre und Ionosphäre und die Bereitstellung von Weltraumwetterservices für z.B. Satellitenbetreiber.

Digitalisierung

Stoßrichtung: Innovative autonome Systeme erforschen, entwickeln und einsetzen | Teilziel: Das DLR ist erster Ansprechpartner der Industrie für fachbereichsübergreifende Entwicklungslösungen bei sicherheitskritischen autonomen Systemen in L, R, E, V und S, insbesondere für autonome Mobilität: Die in der Thermosphäre/Ionosphäre wirkenden Phänomene beeinflussen in großem Maße die Navigationssignale ausgesendet von wesentlich höher fliegenden  Navigationssatelliten. Jegliches erweitertes Verständnis dieser Höhenzone und dementsprechende Verbesserung von Simulationsmodellen helfen bei der Signalkorrektur und erhöhen somit u.a. die Sicherheit im Bereich der autonomen Mobilität.

Stoßrichtung: Innovative autonome Systeme erforschen, entwickeln und einsetzen | Teilziel: Das DLR investiert in L, R, E, V und S massiv in Enabling Technologies und Werkzeuge für innovative autonome Systeme, insbesondere in  den Bereichen Sensorik, Kommunikation, Situations und Kontextinterpretation, sichererer verteilter Entscheidungsfindung, Echtzeitfähigkeit und Mensch-Maschine-Interaktion: Die in der Thermosphäre/Ionosphäre wirkenden
Phänomene beeinflussen in großem Maße die Navigationssignale ausgesendet von wesentlich höher fliegenden Navigationssatelliten. Jegliches erweitertes Verständnis dieser Höhenzone und dementsprechende Verbesserung von
Simulationsmodellen helfen bei der Signalkorrektur und erhöhen somit u.a. die Sicherheit autonomer Systeme.

Zivile Sicherheitsforschung

Anwendungsfeld: Technologien für Humanitäre Hilfe | Maßnahme: Wir richten unsere Forschung konsequent in Richtung Unterstützung eines robusten Krisen- und Katastrophenmanagements sowie zum Schutz von Einsatzkräften  aus. Über den engen Austausch mit den Anwendern verfolgen wir zielgerichtet gehärtete, neuartige Sicherheitslösungen, welche bereits frühzeitig einen operationellen Mehrwert für Einsatzkräfte bieten: Die in der Thermosphäre/Ionosphäre wirkenden Phänomene beeinflussen in großem Maße die Navigationssignale ausgesendet von wesentlich höher fliegenden Navigationssatelliten. Jegliches erweitertes Verständnis dieser Höhenzone und 
dementsprechende Verbesserung von Simulationsmodellen helfen bei der Signalkorrektur. Darüber hinaus bietet der VLEO die Möglichkeit für schnelle und günstige Starts von Satelliten, auch mit den neuen Mikrolaunchern (Rapid Response RSC3). Dabei ergeben sich Vorteile auch durch die höhere Auflösung bei der Aufklärung im Katastrophenfall.

Anwendungsfeld: Schutz Kritischer Infrastrukturen | Maßnahme: Wir richten unsere Forschung konsequent in Richtung Unterstützung eines robusten Krisen- und Katastrophenmanagements sowie zum Schutz von Einsatzkräften  aus. Über den engen Austausch mit den Anwendern verfolgen wir zielgerichtet gehärtete, neuartige Sicherheitslösungen, welche bereits frühzeitig einen operationellen Mehrwert für Einsatzkräfte bieten: Die in der Thermosphäre/Ionosphäre wirkenden Phänomene beeinflussen in großem Maße die Navigationssignale ausgesendet von wesentlich höher fliegenden Navigationssatelliten. Jegliches erweitertes Verständnis dieser Höhenzone und
dementsprechende Verbesserung von Simulationsmodellen helfen bei der Signalkorrektur. Darüber hinaus bietet der VLEO die Möglichkeit für schnelle und günstige Starts von Satelliten, auch mit den neuen Mikrolaunchern (Rapid Response RSC3). Dabei ergeben sich Vorteile auch durch die höhere Auflösung bei der Aufklärung im Katastrophenfall.

Anwendungsfeld: Innere Sicherheit | Maßnahme: Wir richten unsere Forschung konsequent in Richtung Unterstützung eines robusten Krisen- und Katastrophenmanagements sowie zum Schutz von Einsatzkräften aus. Über den  engen Austausch mit den Anwendern verfolgen wir zielgerichtet gehärtete, neuartige Sicherheitslösungen, welche bereits frühzeitig einen operationellen Mehrwert für Einsatzkräfte bieten: Die in der Thermosphäre/Ionosphäre wirkenden Phänomene beeinflussen in großem Maße die Navigationssignale ausgesendet von wesentlich höher fliegenden Navigationssatelliten. Jegliches erweitertes Verständnis dieser Höhenzone und
dementsprechende Verbesserung von Simulationsmodellen helfen bei der Signalkorrektur. Darüber hinaus bietet der VLEO die Möglichkeit für schnelle und günstige Starts von Satelliten, auch mit den neuen Mikrolaunchern (Rapid Response RSC3). Dabei ergeben sich Vorteile auch durch die höhere Auflösung bei der Aufklärung im Katastrophenfall.

Raumfahrzeugtechnologie für morgen 

Handlungsfeld: Nachhaltiges Raumfahrzeug: Der Very Low Earth Orbit (VLEO) gewinnt immer mehr an Bedeutung für die zukünftige Raumfahrt. Er bietet zahlreiche Vorteile. Satelliten im VLEO ermöglichen eine deutlich höhere Auflösung bei der Erdbeobachtung sowie eine schnellere und latenzärmere Datenübertragung. Besonders für Konstellationen, etwa für globale Kommunikation oder Erdbeobachtung, ist der VLEO attraktiv. Es lassen sich kleinere, kostengünstigere Satelliten einsetzen und mit den neuen Mikrolauncher starten. Die geringe Flughöhe führt auch zu einer schnelleren Entsorgung am Ende ihrer Lebensdauer, um Weltraumschrott zu vermeiden (insbesondere bei
Konstellationen). Die Nutzung dieser Orbits erfordert allerdings diverse Technologieentwicklung die in diesem Vorhaben und einem möglichem Folgeprojekt adressiert werden, dazu zählen unter anderem Aerodynamisches Design und robuste Materialien, aber generell auch ein besseres Verständnis über die Atmosphäre in diesem Regime um Missionen entsprechend planen und fliegen zu können.

Raumfahrtstrategie zur Sicherheits- und Verteidigungsforschung