Diese Arbeit befasst sich mit der Fragestellung, welches Potential die Verwendung von modularen Raumtransport-Systemen und die Nutzung von orbitalen Infrastruktur-Elementen für zukünftige bemannte Explorationsmissionen bietet. Den Hintergrund für die Studie bilden die gesammelten und verglichenen Pläne und Vorhaben der europäischen und internationalen Weltraumbehörden, welche die zukünftige Erforschung des Weltalls durch den Menschen betreffen. Ein Satz von drei Referenz- Missionen wurde daraus erstellt, um eine gemeinsame und vergleichbare Ausgangssituation zu schaffen. Die drei Missionen umfassen eine bemannte Mondlandung, Flüge zu erdnahen Objekten und eine bemannte Marsmission die mehr als 900 Tage dauert. Eine übergeordnete Missions-Architektur ermöglicht dabei die zeitliche Synchronisation der Ereignisse. Die ausgewählten Missionen wurden analysiert und die Anzahl der unterschiedlichen, benötigen Missionselemente identifiziert. Ein modularer Ansatz wurde gewählt, um die Elemente in funktionale Einheiten aufzuteilen. Diese Methode unterstützt die Idee der Skalierbarkeit und der Flexibilität durch den Einsatz von universellen Bausteinen, die durch Kombination eine Vielzahl neuer Varianten ergeben. Im Rahmen dieser Arbeit wurden fast dreißig Module entworfen, um die Einflüsse von veränderlichen Parametern zu untersuchen. Die Veränderungen betrafen die maximal mögliche Abflugmasse, den Grad an autonomer Steuerung und die Methode zur Lagerung von kryogenen Treibstoffen. Dabei besitzen die entworfenen Module drei Hierarchieebenen: Modul, Subsystem und Komponenten. Ein Computerprogramm wurde entwickelt, welches den Entwurf von Konzepten für Raumfahrzeuge und Module unterstützt. Das Programm bildet das Modell eines generischen Raumfahrzeugs mit den zehn wichtigsten Subsystemen nach. Neben spezifischen Parametern errechnet das Model die Werte für Masse, Volumen und elektrische Leistung auf den drei oben genannten Hierarchieebenen. Das Hauptaugenmerk bei der Untersuchung der Missionen lag speziell auf den Transport- und Infrastruktur-Elementen, dargestellt durch Weltraumtransporter, Versorgungsfahrzeuge, Weltraumschlepper und Raumstationen. Eine Bewertung der Alternativen wurde durchgeführt, um den Einfluss der Frachtkapazität der Trägerraketen und die Vorteile eines Weltraumschleppers und einer orbitalen Tankstation zu untersuchen. Insgesamt wurden 68 Varianten der Transportmöglichkeiten für die Referenz-Missionen untersucht. Die Ergebnisse zeigten eine positive Tendenz für die Nutzung von Großraketen mit einer Nutzlastkapazität von 80 Tonnen für den niederen Erdorbit. Eine zweite Schlussfolgerung war die Befürwortung des Einsatzes eines Schlepperfahrzeugs für den Zusammenbau von großen Elementen oder Fahrzeugen im Erdorbit. Die Vorteile für die Verwendung einer orbitalen Tankstation, insbesondere für die untersuchten Mondmissionen, konnten hingegen nicht eindeutig bestätigt werden. Dafür würden einzelne, kleinere Treibstoffdepots zur Betankung von Transferfahrzeugen genügen. Größere Treibstoffdepots wären für eine Marsmission nützlich.

    In this thesis, the feasibility and the potential benefits of modular transportation systems and orbital infrastructure elements for future human exploration missions beyond low Earth orbit were assessed. The background for the future exploration scenarios was developed by gathering and comparing recent plans and concepts of the European and international space agencies. A set of design reference missions was defined, in order to establish a common baseline for the exploration strategy and to make the different plans and visions more comparable among each other. The generic overall mission architecture synchronized the individual events and helped to generate missions with growing complexity. The three distinct reference missions for this study included human lunar exploration with surface activities, human space flights to near Earth objects and a 900-day human Mars mission. The characterized missions were investigated, in order to identity the involved and required mission elements. A modular approach was selected to break down the elements into functional units. This method carries the basic ideas of scalability and flexibility by using a discrete set of common building blocks for a larger variety of possible combinations. Within the scope of this thesis a set of almost thirty modules was designed. This number of variants was created to analyze the effect of the parameter variation. The deviations included the total lift-off mass for each module, the degree of autonomy and the storage method for cryogenic propellants. The properties of described modules were calculated in three levels of detail: module, subsystem and component. A computer program (SHIPYARD) was developed for the network based, computer aided conceptual design of the modules and spacecrafts. The program simulates a general spacecraft model with common interdependencies between a set of ten typical subsystems. The values of power, volume and mass are calculated bottom up from individual components to subsystem level and finally to spacecraft or module level. The emphasis of the mission design was put on the infrastructure and transportation elements. Main elements were the in-space transportation vehicles, the servicing and supply vehicles and orbital infrastructure like a future space station. A transportation survey was conducted to evaluate the influence of three parameters: the maximum payload mass capability of future launch vehicles, the benefits of the utilization of a space tug vehicle and the potential benefits of orbital re-fueling infrastructure elements. A total of sixty-eight design cases were evaluated for the three reference missions. The results showed a tendency towards the benefits of using super heavy lift launch vehicles with 80 tons of payload mass capability to LEO. The second conclusion was the recommendation to utilize an autonomous space tug vehicle for orbital assembly and servicing operations. The assessment of the benefits of a refueling station indicated that large space stations are not necessary for lunar mission scenarios. Those can be supported by smaller orbital assets like single tank modules for propellant storage and refilling. Larger fueling stations will be recommended if Mars missions, based on chemical propulsion technology, are foreseen.


    Zugriff

    Zugriff über TIB

    Verfügbarkeit in meiner Bibliothek prüfen

    Bestellung bei Subito €


    Exportieren, teilen und zitieren



    Titel :

    Conceptual design of modular space transportation and infrastructure systems for future human exploration missions


    Weitere Titelangaben:

    Konzeptueller Entwurf eines modularen Raumtransport- und Infrastruktursystems für zukünftige bemannte Erkundungsmissionen


    Beteiligte:
    Noll, Jochen (Autor:in)

    Erschienen in:

    Raumfahrt ; 1-151


    Erscheinungsdatum :

    2012


    Format / Umfang :

    151 Seiten, Bilder, Tabellen, 73 Quellen



    Medientyp :

    Hochschulschrift


    Format :

    Print


    Sprache :

    Englisch