Entwurf und Analyse eines prädiktiven Lenkkonzepts für Rückkehrmissionen auftriebsgestützter Raumfahrzeuge

Entwurf und Analyse eines pradiktiven Lenkkonzepts fur Ruckkehrmissionen auftriebsgestutzter Raumfahrzeuge: Zukunftige Raumtransportsysteme werden aus mehreren Grunden teilweise oder kom-plett wiederverwendbar sein und langerfristig die Verlusttrager vom Markt verdrangen. Spricht man von Wiederverwendung stellt sich automatisch die Frage nach einem kon-trollierten Wiedereintritt in die Erdatmosphare mit anschliesender sicherer Ziellandung. Die technologischen Problemstellungen fur diesen Missionsabschnitt sind vielfaltig und stark interdisziplinar. Ein Teilgebiet betrifft die Flugfuhrung des Fahrzeugs wahrend des Wiedereintritts- und Ruckkehrfluges. Die Thematik ist eine Schlusseltechnologie fur zu-kunftige Raumtransportsysteme. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird am Beispiel der geplanten Ruckkehrmission des Experimentalraumgleiters X-38 der NASA ein am IRS entwickeltes pradiktives und bordautonomes Lenkkonzept vorgestellt, das gegenuber klassischen Lenkansatzen, z.B. des Space Shuttle-Orbiters, Methoden der Bahnoptimierung zur bordautonomen Bahn-planung und Flugfuhrung anwendet. Anhand eingehender Bahnanalysen wird hierzu zunachst das Leistungspotenzial des Fahrzeugs charakterisiert. Hierzu gehort auch der Ruckkehrkorridor, innerhalb dessen Grenzen das Fahrzeug gelenkt werden muss, der vor allem durch aerothermodynami-sche Gesichtspunkte bestimmt wird. Es werden Moglichkeiten aufgezeigt, diesen Flug-korridor durch geeignete Flugsteuerungen und Orbitmanover zu erweitern. Anschliesend erfolgt die Umsetzung der pradiktiven und bordautonomen Lenkstrategie auf dieses Fahrzeug fur mehrere Flugphasen. Neben den spezifischen Problemen in je-der Flugphase wird auch auf die Schnittstellenproblematik zwischen den Flugphasen eingegangen und es werden Losungsansatze beschrieben. Eine ausfuhrliche Sensitivitats- und Robustheitsanalyse zeigt das Leistungsvermogen des Lenkverfahrens unter der An-nahme realistischer Storgrosen auf. Hierzu werden Flugsimulationen mit einem leis-tungsfahigen Flugsimulator (CREDITS) durchgefuhrt. Die erkannten Starken und Schwachen werden mit einem anderen Ansatz zur Lenkung verglichen. Design and Analysis of a Predictive Guidance Concept for Reentry Missions of Lift Assisted Space Planes: Future space launch systems will comprise some reusable elements or will be completely reusable for many reasons. Ultimately, these vehicles will replace the expendable launch vehicles of today. While talking about reuse, the question of a controlled reentry into Earth atmosphere and save landing on a runway comes up. The technological problems of a reentry flight mission needs solutions in different fields and can only be solved in an interdisciplinary way. One area of importance is guidance navigation and control, which is a key technology for future reusable launch systems. In the frame of this work a predictive board autonomous guidance concept for the ex-perimental vehicle X-38 is introduced, which in opposition to classic algorithms, e.g. used on the Space Shuttle orbiter, uses flight optimisation methods for a board autono-mous trajectory design and flight control. Detailed trajectory analyses are described to establish a flight envelope for the given mis-sion scenario. The reentry flight corridor, in the limits of which the vehicle has to be guided, is mainly dominated by aerothermodynamic restrictions. Different deorbit ma-noeuvres and steering histories are shown to widen the corridor to some extent. Based on this knowledge, the development, respectively the adoption of the predictive and board autonomous algorithm, which has been investigated at IRS over a long pe-riod, to different flight phases of the vehicle is performed. Beside the problem solutions for specific tasks of the different mission phases, the interface link between different phases is discussed and solutions are presented. A sensitivity and robustness analysis as-sesses the performance evaluation for the algorithms assuming realistic flight conditions using a high fidelity flight simulator (CREDITS). Finally, the algorithm performance is compared to another guidance concept and the advantages of the new approach are dis-cussed. The reader is referred to page 119 of the report, where a comprehensive summary of the present study is provided in English.