Entwicklung von Test- und Verifikationsprozeduren für eine hochverfügbare Leistungsversorgungseinheit auf Basis einer Fehlermöglichkeits- und -einflussanalyse

Kurzfassung

Für das SHEFEX III-Flugexperiment wird am DLR-Institut für Raumfahrtsysteme in Bremen ein hybrides Navigationssystem entwickelt. Das hybride Navigationssystem soll auf Grund seiner missionskritischen Stellung 1-fehlertolerant konstruiert sein. Dazu wurden Redundanzkonzepte im Bereich der Sensorik, der Rechner-Architektur und des On-Board-Data-Handlings entwickelt. Des Weiteren muss auch die elektrische Leistungsversorgung der Geräte die 1-Fehlertoleranz im Rahmen des Navigationssystems erfüllen. In vorausgehenden Arbeiten wurde ein Referenzdesign dieser Leistungsversorgungseinheit entwickelt. Der Nachweis über Funktionalität, Robustheit und Fehlertoleranz steht aber bislang noch aus. Mit diesem Thema befasst sich die vorliegende Masterarbeit. In dieser Arbeit wird untersucht, ob die Leistungsversorgungseinheit für das SHEFEX IIINavigationssystem die Anforderungen an Funktionalität, Robustheit und Fehlertoleranz erfüllt. Zu diesem Zweck wurde sich im theoretischen Teil dieser Arbeit mit Standards der Raumfahrttechnik, mit der Auswahl geeigneter elektronischer Bauteile und deren individuellen Ausfallarten, sowie mit Fehleranalysemethoden beschäftigt. Nach Auswertung einer Recherche wurde die Fehleranalysemethode FMEA als das am besten geeignete Verfahren zum Nachweis der Fehlertoleranz des Systems angesehen. Im weiteren Verlauf dieser Arbeit wurde der Systementwurf der Leistungsversorgungseinheit optimiert und mittels einer FMEA die Fehlertoleranz des Systems untersucht. Im Ergebnis wurden die resultierenden Hauptausfallarten der Leistungsversorgungseinheit bestimmt. Im abschließenden Teil dieser Arbeit wurden die in der FMEA festgestellten Fehler in Form von Test- und Verifikationsprozeduren an einem Breadboard der Leistungsversorgungseinheit praktisch nachgestellt, um die Wirksamkeit der Präventionsmaßnahmen, Redundanzkonzepte und Schutzfunktionen – und somit die Eignung des Systems für die bevorstehende Mission – nachzuweisen. Im Ergebnis wurde festgestellt, dass das Referenzdesign der Leistungsversorgungseinheit die Anforderungen an die 1-Fehlertoleranz im Rahmen des Navigationssystems nicht vollständig erfüllt. Die Ursachen liegen im nichtredundanten Aufbau der sekundärseitigen Spannungsebenen innerhalb der Leistungsversorgungseinheit und in der nichtredundanten Netzwerkanbindung des Navigationssystems über einen TTE-Gateway. Nach Durchführung von Test und Verifikation am Breadboard konnten aber alle implementierten Redundanzkonzepte und Schutzfunktionen der Leistungsversorgungseinheit erfolgreich verifiziert werden.