Entwurf und experimentelle Untersuchunngen einer Treibstofftransferschnittstelle für Raumfahrzeuge und ihre Anwendungsmöglichkeiten für das On-Orbit-Servicing
| dc.contributor.advisor | Brieß, Klaus | |
| dc.contributor.author | Dornburg, Lars | |
| dc.contributor.grantor | Technische Universität Berlin | en |
| dc.contributor.referee | Brieß, Klaus | |
| dc.contributor.referee | Fasoulas, Stefanos | |
| dc.date.accepted | 2021-05-06 | |
| dc.date.accessioned | 2022-04-25T08:19:45Z | |
| dc.date.available | 2022-04-25T08:19:45Z | |
| dc.date.issued | 2022 | |
| dc.description.abstract | Die unbemannte Raumfahrt durchdringt, neben der wissenschaftlichen Anwendung, immer mehr das öffentliche Leben. Sei es zur Wettervorhersage, für die Navigation, die Telekommunikation oder zukünftig auch für die Internetkommunikation. Unabhängig vom technischen Zustand gibt es für jeden Satelliten einen die Lebensdauer einschränkenden Faktor: die Menge des vorhandenen Treibstoffes. In einer niedrigen Erdumlaufbahn (LEO) ist es die Fähigkeit einer Bahnabsenkung entgegenzuwirken, verursacht durch von der Restatmosphäre induzierte Reibungsverluste, die die Lebensdauer eines Satelliten beschränkt. Im mittleren und geostationären Orbit ist es die Fähigkeit zur Bahn- und Lageregelung. In beiden Fällen kommen treibstoffgestützte Antriebsysteme zum Einsatz. Ein erschöpfter Treibstoffvorrat führt unmittelbar zum Verlust der oben genannten Fähigkeiten und damit zur Beendigung der Satellitenmission. Durch das Auffüllen der Treibstoffvorräte im Weltall kann die Lebensdauer eines Satelliten, in Abhängigkeit von seinem allgemeinen technischen Zustand, beliebig verlängert werden. Inhalt der vorliegenden Arbeit ist eine neuartige Treibstofftransferschnittstelle für die Betankung von Raumfahrzeugen im Weltall. Grundlage für die Entwicklung der neuartigen Treibstofftransferschnittstelle war eine ausführliche Recherche und Analyse zum Stand der Technik beim On-Orbit-Servicing im Allgemeinen und der Betankung von Raumfahrzeugen im Weltall im Besonderen. Durch experimentelle Untersuchungen an verschiedenen Labormodellen der Treibstofftransferschnittstelle und einer ausführlichen Analyse der hierbei gewonnen Ergebnisse konnte das Konzept eines androgynen Fluid Transfer Interface (FTI) erfolgreich verifiziert werden. Die hierbei durchgeführten Versuche umfassten, neben ausführlichen mechanischen Funktionstests, auch Druck- und Dichtigkeitstests mit flüssigen und gasförmigen Medien bis zu einem Maximaldruck von 100 bar. Die Entwicklung des Fluid Transfer Interface erfolgte im Rahmen des Projektes iBOSS (intelligentes Baukastenkonzept für das On-Orbit-Satellite-Servicing) am Fachgebiet Raumfahrttechnik der Technischen Universität Berlin. Inhalt von iBOSS war die Entwicklung eines neuartigen, im Weltall wartbaren, Satellitenkonzeptes. Kernidee war dabei die Zerlegung klassischer monolithischer Satelliten in Funktionsmodule. Diese würfelförmigen Funktionsmodule (z. B. Batteriemodul, Reaktionsradmodul, Tankmodul oder Antriebsmodul) sollten über lösbare Schnittstellen zur Daten-, Strom- und Treibstoffübertragung sowie zur Übertragung mechanischer und thermaler Lasten miteinander zu einem im Weltall zerlegbaren Satelliten verbunden werden. Bei einer Reparatur oder Modernisierung müssen dann lediglich die betroffenen Module im Satelliten (Client) von einem Wartungssatelliten (Servicer) gegen neue Module ausgetauscht werden. Hierzu wird das betroffene Modul durch Lösen der Schnittstellen mittels des Servicers von den anderen Modulen im Client getrennt und ein neues Modul an seiner statt eingefügt. Designtreiber für die neuartige Treibstofftransferschnittstelle sind die in dem Projekt iBOSS aufgestellten Randbedingungen. Da die androgyne Verschlusskupplung des Fluid Transfer Interface eine neue Problemlösung für die wiederholbare Verbindung von fluidführenden Leitungen darstellt, wurde diese von der Technischen Universität Berlin erfolgreich zum Patent angemeldet. Der zweite Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung von Konzepten für im Weltall wartbare Antriebssysteme als Teil eines modularen iBOSS-Satelliten. Hierzu wurden verschiedene Möglichkeiten zur Modularisierung von Satellitenantriebssystemen betrachtet. Auf Basis dessen wurden Anpassungen am Aufbau und Betrieb der Treibstoffverteilungssysteme für verschiedene Satellitenantriebssysteme ausgearbeitet und diskutiert. Unabhängig davon wurden auch Konzepte zum Einsatz des Fluid Transfer Interface beim Wiederbetanken klassischer Satelliten betrachtet. Hier lag der Schwerpunkt auf der Anwendung des Fluid Transfer Interface in bereits erprobten Systemen zum On-Orbit-Servicing und die damit verbundenen Anpassungen an Servicer und Client. Das Projekt iBOSS (intelligentes Baukastenkonzept für das On-Orbit-Satelliten-Servicing) wurde gefördert durch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrttechnik (DLR) (FKZ iBOSS-1: 50RA1005; FKZ iBOSS-2: 50RA1200, FKZ iBOSS-3: 50RA1501). | de |
| dc.description.abstract | In addition to scientific applications, unmanned space flight is increasingly affect public life. Whether for weather forecasting, navigation, telecommunications or, in the future, also for Internet communication. Irrespective of the technical state of the satellite, there is one factor that limits its service life: the amount of fuel available. In a low earth orbit (LEO), it is the ability to counteract a lowering of the orbit caused by frictional losses induced by the residual atmosphere that limits the lifetime of a satellite. In medium and geostationary orbit, it is the ability to control orbit and attitude. In both cases, propellant-based propulsion systems are used. An exhausted fuel supply leads directly to the loss of the above mentioned capabilities and thus to the termination of the satellite mission. By replenishing fuel stocks in space, the life of a satellite can be extended at will, depending on its general technical condition. The content of the present work is a novel fuel transfer interface for the refuelling of spacecraft in space. The basis for the development of the novel fuel transfer interface was a detailed research and analysis of the state of the art in on-orbit servicing in general and the refuelling of spacecraft in space in particular. The concept of an androgynous Fluid Transfer Interface (FTI) was successfully verified by experimental investigations on various laboratory models of the Fluid Transfer Interface and a detailed analysis of the results obtained. In addition to extensive mechanical function tests, the tests carried out here included pressure and leakage tests with liquid and gaseous media up to a maximum pressure of 100 bar. The Fluid Transfer Interface was developed within the framework of the iBOSS project (intelligentes Baukastenkonzept für das On-Orbit-Satellite Servicing) at the Chair of Space Technology at Technische Universität Berlin. The content of iBOSS was the development of a novel satellite concept that can be maintained in space. The core idea was to break down classical monolithic satellites into functional modules. These cube-shaped functional modules (e.g. battery module, reaction wheel module, tank module or thruster module) were to be connected to each other via detachable interfaces for data, power and fuel transmission as well as for the transmission of mechanical and thermal loads to form a satellite that could be disassembled in space. In case of repair or modernisation, only the affected modules in the satellite (client) have to be exchanged by a maintenance satellite (servicer) for new modules. For this purpose, the affected module is separated from the other modules in the client by detaching the interfaces by means of the servicer and a new module is inserted in its place. Design drivers for the new Fluid Transfer Interface are the boundary conditions established in the iBOSS project. Since the androgynous coupling of the Fluid Transfer Interface represents a new problem solution for the repeatable connection of fluid-carrying lines, a patent application was successfully filed by Technische Universität Berlin. The second focus of the present work is the development of concepts for space maintainable propulsion systems as part of a modular iBOSS satellite. For this purpose, different possibilities for the modularisation of satellite propulsion systems were considered. On the basis of this adjustments to the design and operation of fuel distribution systems for different satellite propulsion systems were worked out and discussed. Independently of this, concepts for the use of the Fluid Transfer Interface for refuelling classic satellites were also considered. Here, the focus was on the application of the Fluid Transfer Interface in already proven systems for on-orbit servicing and the associated adjustments to servicer and client. The project iBOSS (intelligentes Baukastenkonzept für das On-Orbit-Satellite Servicing) was funded by the German Aerospace Center (DLR) (FKZ iBOSS-1: 50RA1005; FKZ iBOSS-2: 50RA1200, FKZ iBOSS-3: 50RA1501). | en |
| dc.identifier.uri | https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/16671 | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-15448 | |
| dc.language.iso | de | en |
| dc.rights.uri | https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ | en |
| dc.subject.ddc | 629 Andere Fachrichtungen der Ingenieurwissenschaften | de |
| dc.subject.other | Wiederbetankung | de |
| dc.subject.other | On Orbit Servicing | de |
| dc.subject.other | Satellit | de |
| dc.subject.other | Raumfahrt | de |
| dc.subject.other | Antriebssystem | de |
| dc.subject.other | refueling | en |
| dc.subject.other | on orbit servicing | en |
| dc.subject.other | satellite | en |
| dc.subject.other | aerospace | en |
| dc.subject.other | propulsion system | en |
| dc.title | Entwurf und experimentelle Untersuchunngen einer Treibstofftransferschnittstelle für Raumfahrzeuge und ihre Anwendungsmöglichkeiten für das On-Orbit-Servicing | de |
| dc.title.translated | Design and experimental investigation of a propellant transfer interface for spacecraft and its possible application for on-orbit servicing. | en |
| dc.type | Doctoral Thesis | en |
| dc.type.version | acceptedVersion | en |
| tub.accessrights.dnb | free | en |
| tub.affiliation | Fak. 5 Verkehrs- und Maschinensysteme::Inst. Luft- und Raumfahrt::FG Raumfahrttechnik | de |
| tub.affiliation.faculty | Fak. 5 Verkehrs- und Maschinensysteme | de |
| tub.affiliation.group | FG Raumfahrttechnik | de |
| tub.affiliation.institute | Inst. Luft- und Raumfahrt | de |
| tub.publisher.universityorinstitution | Technische Universität Berlin | en |