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Institut für Raumfahrtsysteme 

Die Raumfahrttechnik beschäftigt sich mit der Bahnmechanik von Satelliten auf Erdumlaufbahnen. Zu den Forschungsschwerpunkten gehören die exakte Berechnung von Satellitenbahnen unter Berücksichtigung aller Störkräfte, Voraussage der Bahn und des Wiedereintritts von Kleinsatelliten sowie die Simulation der Entstehung und Verteilung von Weltraummüll (Space Debris) einschließlich der Ermittlung der Objektdichte von Satelliten, Raketenoberstufen und Trümmerteilen im erdnahen Weltraum.

 Forschungsportfolio des Institutes für Raumfahrtsysteme

 

Die Grundlage der raumfahrttechnischen Arbeiten am Institut ist die Kenntnis und Anwendung der allgemeinen und höheren Bahnmechanik. Einen wesentlichen Forschungsschwerpunkt bilden die Bahndynamik der Gesamtheit aller Objekte auf Erdumlaufbahnen (Weltraummüll) sowie die Bahnvermessung und -vorhersage, insbesondere auch im Zusammenhang mit Kleinsatelliten und dem Wiedereintritt von Risikoobjekten. Die raumfahrttechnische Forschungsgebiete umfassen:

  • Exakte Berechnungen von Satellitenbahnen unter Berücksichtigung aller Störkräfte.

  • Voraussage der Bahn und des Wiedereintritts von Kleinsatelliten.

  • Weltraummüll (Space Debris): Ermittlung der Objektdichte von Satelliten, Raketenoberstufen und Trümmerteilen im erdnahen Weltraum und der Berechnung von Kollisionswahrscheinlichkeiten.

Auf der Grundlage der langjährigen Erfahrung auf dem Gebiet des Weltraummülls erhielt das Institut den Auftrag der europäischen Weltraumbehörde ESA, das MASTER-Modell (Meteoroid and Space Debris Terrestrial Reference Model) zur Analyse des Kollisionsrisikos mit Weltraummüll und natürlichen Meteoriten zu erstellen. Es bietet den Benutzern aus der europäischen Raumfahrtindustrie die Möglichkeit einer Analyse des Kollisionsrisikos. Eigens entwickelte Datenkompressionsverfahren und eine effiziente Analyse-Software ermöglichen die Speicherung der großen erforderlichen Datenmengen auf einer CD-ROM und eine schnelle Prozessierung auf den meisten gängigen Computerplattformen. Inzwischen ist das MASTER-Modell fertiggestellt worden und wird von der ESA auf CD-ROM an die europäischen Industriefirmen und Institute verteilt. MASTER dient in der Industrie dazu, das zeit- und höhenabhängige Risiko für Missionen abzuschätzen und Abschirmungen für die Raumstation zu entwerfen. Im internationalen Bereich dient es als Argumentationsbasis bei der Abstimmung der von allen Raumfahrtstaaten einzuführenden Gegenmaßnahmen gegen die weitere Überfüllung des erdnahen Bereichs. Es hat inzwischen auch schon weltweite Verbreitung gefunden und wird mit den entsprechenden Modellen der NASA verglichen.

 

AG Satellitentechnik und Satellitenbetrieb

Die Abteilung Satellitentechnik & Satellitenbetrieb wurde im Zuge der Neuausrichtung des Instituts für Raumfahrtsysteme gegründet. Die ersten Arbeiten in dieser Abteilung beginnen ab  Januar 2015. Zu den Tätigkeits- bzw. Forschungsschwerpunkten der Gruppe Satellitenbetrieb zählen: 

 

  • Optimierung von Trajektorien (Satellitenbahnen) für Rendezvous- und Dockingoperationen
  • Docking mit nicht-kooperativen Zielen
  • Risikobewertung des Satellitenbetriebs
    •  Unterstützung von Satellitenbetreibern bei Optimierung von Bahnmanövern zur Kollisionsvermeidung
    •  Tradespace-Analysen zu Ausweichmanövern und Kollisionswahrscheinlichkeiten
    •  Werkzeuge zur Space Situational Awareness
  • Autonomie und fehlertolerante Steuerung


Weiterhin ist langfristig die Entwicklung eines Kleinsatelliten für Tests und Verifikationen der Forschungsergebnisse im Orbit vorgesehen. Hierzu wird zunächst die notwendige Infrastruktur bestehend aus einem Reinraum zur Integration und einer Bodenstation zur Kommunikation mit dem Satelliten geschaffen. 

In der Arbeitsgruppe Satellitentechnik werden neuartige Missionskonzepte zur Durchführung von Active Debris Removal Missionen entwickelt. Insbesondere werden unkooperative Ziele, z.B. taumelnde Raketenoberstufen, betrachtet. Diese sollen durch das Andocken eines Servicers stabilisiert und somit einen Widereintritt vorbereitet werden. Der Fokus hierbei liegt insbesondere in der Mehrkörperdynamik sowie Lagestabiliserung im All. 


Weiterhin wird in der Arbeitsgruppe für den Servicer ein Dockingmechanismus auf Basis von „Smart-Materials“ entwickelt. Betrachtet werden u.a. selbsthaftende Materialien bzw. Mechaniken wie diese in der Natur bei Geckos zu finden sind. 

Zur Validierung des Dockingmechanismus sowie von Navigationstechniken wird ein Versuchstestbett bestehend aus einen Luft-Lagertisch sowie einem Roboterarm und mehreren Satelliten-Simulationstestkörpern aufgebaut. Eine Besonderheit wird hierbei sein, dass die Experimental-Satelliten keine eigenständige Druckgasversorgung benötigen werden und somit auch Langzeitsimulationen möglich sind.
 
 
Die Arbeitsgruppe „Explorations- und Antriebssysteme“ beschäftigt sich mit der bemannten und unbemannten Exploration des Weltraums außerhalb des niedrigen Erdorbits (LEO). Dabei liegt der Fokus aktuell auf der Entwicklung von Schlüsseltechnologien für den Aufbau einer zukünftigen internationalen Mondbasis sowie der Nutzung des Weltraums in Mondnähe.

Die Tätigkeits- und Forschungsschwerpunkte der Arbeitsgruppe sind: 

  • Antriebe für Kleinsatelliten und Raumsonden: Untersuchung und Entwicklung innovativer Antriebskonzepte für kostengünstige und flexible CubeSat-Missionen über den niedrigen Erdorbit hinaus. Diese sollen es den Raumfahrzeugen erlauben, aus eigener Kraft hohe Geschwindigkeitsänderungen zu erzeugen, beispielsweise für Flugbahnen zum Mond oder Anpassungen der Orbitalparameter.  
  • Nutzung lokaler Ressourcen: Die Nutzung von Rohstoffen vor Ort, beispielsweise des Regoliths der Mondoberfläche, ermöglicht eine deutliche Senkung von Transportkosten und einen flexiblen Ausbau von Infrastrukturen ohne Nachschubbedarf von der Erde. Die Arbeitsgruppe entwickelt hierfür Prozesse und Technologien wie Verfahren zur additiven Fertigung von Strukturen aus lokalen mineralischen Rohstoffen und zur Nutzbarmachung weiterer vorhandener Ressourcen wie Metallen und Wasser.   
  • Lunar Science: Der Mond ist sowohl ein wichtiges Forschungsobjekt für die Raumfahrt, stellt aber gleichzeitig aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften einen idealen Ort für Forschungsinstrumente, beispielweise für Teleskope, dar. Die Arbeitsgruppe entwickelt hierfür Konzepte für leistungsfähige und kostengünstige Forschungsmissionen. Diese bauen auf den Resultaten zur Nutzung lokaler Rohstoffe und innovativer Antriebskonzepte auf.

Die Aktivitäten sind eingebunden in die weiteren Arbeitsbereiche des Institutes sowie in nationale und internationale Forschungsvorhaben. Dadurch wird eine aktive Rolle bei der Mitgestaltung der Strategie der zukünftigen Weltraumexploration erreicht und die Identifikation aktueller Forschungsthemen ermöglicht.