Das Testen von Raumfahrtantrieben ist eine anspruchsvolle Aufgabe – künftig spielen dabei Methoden der Künstlichen Intelligenz (KI) eine bedeutende Rolle. Dafür bündelt das DLR-Institut für Raumfahrtantriebe am Standort Lampoldshausen die Kompetenzen der beiden Forschungsabteilungen „Satelliten- und Orbitalantriebe“ und „Raketenantriebssysteme“. In enger Zusammenarbeit ist es dem Wissenschaftlerteam zum ersten Mal gelungen, erfolgreich einen Prüfstand inklusive einem integrierten Raketentriebwerk mit künstlicher Intelligenz zu regeln. Am Prüfstandskomplex M11 wurde eine Forschungsbrennkammer im sogenannten Kaltgasbetrieb mit unter Druck stehendem Stickstoff getestet; dabei findet keine Verbrennung in der Brennkammer statt.
Effizienterer Versuchsbetrieb mit Hilfe von KI
Zunächst wird der Prüfstandsaufbau und das Fluidsystem des Triebwerks in einer Simulationsumgebung am Computer nachgebaut und mit Messdaten aus realen Versuchen abgeglichen. In einem nächsten Schritt wird die Künstliche Intelligenz in der Simulations-umgebung trainiert. Dabei kommen sogenannte Deep Reinforcement Learning-Algorithmen zum Einsatz. Nach dem Training in der Simulationsumgebung wird der trainierte Regler auf den Prüfstand übertragen. Dieser übernimmt dann die autarke Steuerung des Prüfstands, also die Steuerung der im Prüfstand verbauten Regelventile, um den gewünschten Betriebspunkt des Triebwerks zu erreichen. Während eines Versuches werden unterschiedliche Betriebspunkte der Brennkammer angefahren, die alle erfolgreich durch die Regelung erreicht worden sind.
Erhöhung der Lebensdauer und Effizienz eines Triebwerks durch KI-Regelung
Durch den Einsatz von künstlicher Intelligenz versprechen sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftfler eine Vielzahl an Vorteilen in der Anwendung: Zum einen kann ein effizienterer Betriebspunkt des Triebwerks gefunden werden. Das System kann selbstständig und intelligent auf Änderungen im Antriebssystem reagieren und minimiert damit das Risiko von Schäden am Triebwerk. Durch das Einbeziehen von Ermüdungsmodellen von Triebwerkskomponenten in die Regelung kann zudem die Lebensdauer des Triebwerks erhöht werden. „Die künstliche Intelligenz kann ergänzend zum regulären Versuchsbetrieb von Raketenantrieben eingesetzt werden. Damit erhöhen wir die Effizienz und die Sicherheit von Versuchen auf unseren Prüfständen“, so Prof. Stefan Schlechtriem, Direktor des DLR-Instituts für Raumfahrtantriebe, und ergänzt:„Der Einsatz von KI im Versuchsbetrieb wird das Anwendungsspektrum und den Betrieb von Raketentriebwerken erheblich erweitern und verbessern. Im Hinblick auf den sicheren Betrieb, die Wiederverwendbarkeit und die Schubregelbarkeit der Triebwerke sind erhebliche Verbesserungen auch schon zeitnah zu erwarten.“