In der vorliegenden Arbeit wird das multidisziplinäre Analysewerkzeug RTSOPT für die simultane Flug- und Systemoptimierung wiederverwendbarer Trägersystemkonzepte sowohl verfahrenstechnisch als auch softwaretechnisch grundlegend überarbeitet, aktualisiert und verbessert. Dabei werden das Grundkonzept der Vorgehensweise, die Modellannahmen und die Systemdynamik der Flugsimulation beibehalten. Die erreichte Flexibilität und die Leistungssteigerung werden durch typische Anwendungen des Programmpakets demonstriert. Gegenstand dieser Systemanalysen ist der derzeit aktuelle, teilweise wiederverwendbare Raumtransporter Hopper, ein Leitkonzept des nationalen Technologieprogramms ASTRA. Die verfahrenstechnische Verbesserung wird durch die Einbindung des zur Zeit leistungsfähigsten Optimierungslösers Sparse Optimal Control Software (SOCS) in RTSOPT erreicht. Durch grundlegende Modifikationen des Programmcodes und die angepasste Problemformulierung wird die Leistungsfähigkeit des Lösers voll ausgeschöpft, was sich in einer signifikanten Beschleunigung der Konvergenz im Vergleich zu früheren Versionen widerspiegelt. Darüber hinaus wird auch die Vorbereitungszeit für eine Optimierungsberechnung drastisch verkürzt. Dies wird dadurch erreicht, dass die Startlösung für das Optimierungsproblem, die bisher durch zahlreiche Simulationsläufe und Sensitivitätsstudien erstellt werden musste, in der aktuellen Version durch Verwendung von SOCS auf der Grundlage der linearen Interpolation der geschätzten Randwerte generiert wird. Das Modul für die Fahrzeug-Massenanalyse wird ebenfalls aktualisiert. Dazu werden zahlreiche Daten aktueller Trägersubsysteme und die Ergebnisse aus der umfangreichen europäischen Studie FESTIP in die Massen-Datenbasis übernommen. Die softwaretechnische Verbesserung wird durch den neuen Programmsystementwurf nach Prinzipien des Software-Engineering realisiert. Das neue Konzept berücksichtigt die Rahmenbedingungen des Einsatzumfelds und moderne verfügbare Software-Technologien. Die Hauptqualitätsmerkmale unter diesen Gesichtspunkten sind die Plattformunabhängigkeit, das objekt-orientierte Entwurf mit verbesserter Erweiterbarkeit und Wartbarkeit, sowie die Flexibilität des Werkzeugs und die fahrzeug- und missionsspezifische Programm-Modifikationen minimiert. Die Vielseitigkeit des Programmpakets wird zuletzt durch neue Virtuelle-Realität-Visualisierungsmodule für zwei- bzw. dreidimensionale Diagramme und räumliche interaktive Animationen erweitert

    This thesis presents a multidisciplinary analysis tool RTSOPT for the simultaneous trajectory and system optimization of reusable launch vehicles. This software package has been devel-oped at the Space Systems Institute, University of Stuttgart over 20 years. In this work the tool has been revised fundamentally, updated and improved both from the algorithmic and software point of view while maintaining the principal methodology, model assumptions and the system dynamics for the flight simulation. The flexibility and performance increase achieved is dem-onstrated by using this software package to perform system analyses of the partly-reusable launch vehicle Hopper - the central concept of the national technology program ASTRA. Hopper consists of a reusable, unmanned, and winged main stage and an expendable upper stage. The main stage is powered by three cryogenic Vulcain 3 engines - a future version of the Ariane 5 main engine. The upper stage is powered by a cryogenic Vinci engine. The algorithmic improvement is realized by integration of the presently most advanced optimi-zation algorithm Sparse Optimal Control Software (SOCS) in RTSOPT. By performing fun-damental modifications to the program code and the chosen method of problem formulation and implementation, the solver's performance capability was utilized to a maximum degree resulting in a significant convergence speed-up compared to previous RTSOPT-versions. Fur-thermore the preparation time for an optimization computation has been reduced drastically. This is due to the fact that in the past an initial solution for the optimization problem had to be produced by carrying out numerous simulations and sensitivity studies, whereas with the new version, SOCS is used to generate the initial solution from linear functions interpolating the boundary values estimated by the user. With this solver also a much weaker dependence of the convergence time has been achieved, making it possible to solve typical multidisciplinary mis-sion and system analysis problems with a higher time resolution and with much more optimi-zation parameters without significant convergence rate penalties. This higher performance ca-pacity of RTSOPT can be used in future to challenge more complicated multidisciplinary op-timization problems. For example Finite Element Methods for improved vehicle mass analysis and Computation Fluid Dynamics for the aerodynamics analysis can be incorporated in the numerical optimization. The mass analysis module was also updated. For this purpose numerous data from current launch vehicle subsystems and the results of the detailed European study FESTIP have been included in the mass database. In the application several launch vehicle mass analyses have been carried out to assess the effects of the latest available data. With the updated launch vehi-cle mass model it was possible to review earlier mass estimations and to derive conclusions concerning the technological developments forecast in the past and the technological state to-day. The software improvements are achieved by the new program system design based on software engineering principles. The new concept incorporates the application environment and the available modern software technologies. The main quality parameters in this respect are the platform-independency, the object-oriented design with improved extensibility and the flexibil-ity of the tool which minimizes the need for vehicle- and mission-specific program modifica-tions. Finally, the versatility of the software package is extended by new Virtual Reality visualization modules for two- and three-dimensional diagrams and three-dimensional interactive anima-tions. For this purpose the Virtual Reality Modeling Language, which is an ISO standard has been used.


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    Titel :

    Einsatz moderner Software-Techniken bei der multidisziplinären Optimierung wiederverwendbarer Raumtransporter


    Weitere Titelangaben:

    Application of modern software techniques for the multidisciplinary optimization of reusable space vehicles


    Beteiligte:
    Kalden, Osman (Autor:in)

    Erscheinungsdatum :

    2006


    Format / Umfang :

    135 Seiten, Bilder, Tabellen, 125 Quellen


    Medientyp :

    Hochschulschrift


    Format :

    Print


    Sprache :

    Deutsch