An interdisciplinary approach to the conceptual design of inhabited space systems

The conceptual design (project phase 0/A) of systems for long-duration manned space missions poses a significant challenge to the traditional design approach used for robotic or short-duration missions. Yet the success of planned expeditions to Mars and beyond depends on the ability of system designers to create an overall concept that maximizes crew efficiency and minimizes cost as well as the risk of catastrophic failure, while at the same time integrating a wide array of technological, crew-related and political boundary conditions. The interdisciplinary approach presented in this report proposes putting the focus on the most efficient integration of the crew into a space system as one solution to this conceptual design problem. Thus, human-rated space structures - be they inhabited orbital or planetary stations, or piloted interplanetary transfer vehicles - are treated by the designers not as 'machinery-with-attached-crew' like earlier spacecraft, but primarily as habitats, in order to assure mission success under conditions of long-term isolation, confinement and risk. The proposed approach is based on space systems engineering methodology and associated software tools, with key elements from terrestrial architectural practice added. It also provides software specifically developed for the analysis of life support systems - a crucial component of human-rated space systems - during the early phase of conceptual design. Several examples are given to demonstrate the validity of this truly interdisciplinary approach. Der Entwurf von Systemen fur bemannte Langzeit-Weltraummissionen (Projektphase 0/A) stellt den herkommlichen Entwurfsansatz, wie er fur unbemannte oder Kurzzeit-Missionen verwendet wird, vor erhebliche Herausforderungen. Der Erfolg geplanter Expeditionen zum Mars und daruber hinaus hangt jedoch davon ab, ob es dem Entwurfsteam gelingt, ein Konzept zu entwickeln, welches die Produktivitat der Besatzung maximiert und Kosten sowie Risiko minimiert, und das gleichzeitig eine grose Anzahl technologischer, finanzieller und politischer Randbedingungen berucksichtigt. Die im vorliegenden Bericht vorgestellte interdisziplinare Methodik zeigt einen Weg zur Losung dieses Entwurfsproblems auf. An vorderster Stelle steht dabei die bestmogliche Integration der Besatzung in ein zu entwerfendes Raumfahrtsystem, d.h. die Behandlung bemannter Weltraumstrukturen nicht als 'Maschinen mit angegliederter Besatzung', wie oft bei fruheren Raumfahrzeugen, sondern als integrierte Lebensraume. Grundannahme dabei ist, das die Produktivitat und Effizienz der Besatzung durch eine an den Menschen angepaste Gestaltung der Umgebung erhoht wird. Der vorgestellte neue Ansatz basiert auf einer Ingenieursmethodik zum Vorentwurf von Raumfahrtsystemen samt zugehoriger Computerprogramme, die um wichtige menschenbezogene Entwurfsregeln erweitert worden ist. Hinzu kommen Elemente aus der 'irdischen' Architekturpraxis. In dieser geht es ebenfalls um den Entwurf von Lebens- und Arbeitsraumen fur Menschen; sie stellt daher auch entsprechend angepaste Entwurfswerkzeuge zur Verfugung. Ferner wurde speziell zur Analyse von Lebenserhaltungssystemen und deren synergetischen Verknupfungspotentialen wahrend der Vorentwurfsphase eine Software entwickelt, die eine fruhzeitige Auslegung dieses fur bemannte Raumfahrtsysteme unverzichtbaren Subsystems ermoglicht. Die neuentwickelte Methodik wurde in mehreren realistischen interdisziplinaren Entwurfsprojekten angewendet, die im Bericht dokumentiert sind.