Sensitivitätsanalyse von zweistufigen Trägerraketen in Hinblick auf Auswirkungen auf Massenbudgets

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Sensitivitätsanalyse für den Designprozess von Trägerraketen implementiert. Bei diesen handelt es sich um hochkomplexe Systeme, in denen zahlreiche Disziplinen wechselwirken. So kann beispielsweise zwar die Aerodynamik der Rakete optimiert werden, dies hätte jedoch Einfluss auf die Konstruktionsmöglichkeiten im Raketeninneren und damit etwa auf das Treibstoffsystem und dessen Wärmeisolierung oder auf benötigte Versteifungen. Diese Auswirkungen können die Vorteile der optimierten Aerodynamik etwa durch Massenzugewinne wieder zunichtemachen. Ein weiteres Beispiel wäre die Optimierung des strukturellen Aufbaus zur Verringerung der Masse. Dies wurde jedoch die benötigte Menge an Treibstoff senken was wiederum Einfluss auf den inneren Aufbau oder etwa Tankdrucke hätte. In beiden Fällen wäre der gefundene strukturelle Aufbau nicht mehr optimal. Anhand der Beispiele werden die Probleme einer getrennten Auslegung und Optimierung der einzelnen Elemente einer Trägerrakete deutlich. Aufgrund der Wechselwirkungen zwischen diesen kann ein optimales Ergebnis unmöglich erzielt werden. Das Design einer Trägerrakete zählt damit zur Klasse der sogenannten multidisziplinären Design- und Optimierungsproblemen, kurz MDO. Um Designs dennoch bewerten zu können, wird das System durch eine Software modelliert. Es handelt sich um Software, welche möglichst alle Elemente einer Trägerrakete und dessen Missionsablaufs, sowie deren Wechselwirkungen, berücksichtigt. Dabei soll der Rechenaufwand geringgehalten werden. So können in frühen Phasen des Designprozesses verschiedene Designansätze möglichst schnell und kostengünstig bewertet werden. In späteren Phasen werden dann dedizierte und präzisere Tools verwendet, um die einzelnen Elemente feinzujustieren. Die ArianeGroup entwickelt am Standort Bremen eine solche Systemsimulation namens System Engineering Toolbox, kurz SE-TBX oder einfach Toolbox. Mit bestimmten Eckdaten des Systems als Eingabe werden die einzelnen Subsysteme simuliert und optimiert, sodass als Ergebnis ein vollständiges und optimiertes Design geliefert wird. Obgleich die Software somit imstande ist, Missionsabläufe für gegebene Raketendesigns zu berechnen und dabei zudem in gewissem Maße Optimierungen durchzufuhren, bleibt das durch die Software modellierte System auch für ihre Entwickler weiterhin undurchsichtig. Insbesondere vor dem Hintergrund der versuchten Gratwanderung zwischen Präzision und geringer Laufzeit der Berechnungen, wären Erkenntnisse über Qualität und Quantität der Auswirkungen der Erzeugnisse einzelner Subtools auf das Gesamtergebnis wünschenswert. Dann könnten etwa Subtools, auf deren Ergebnisse das System Trägerrakete empfindlicher reagiert, entsprechend präziser implementiert werden, während bei anderen an der Laufzeitoptimierung gearbeitet werden könnte. So kann gleichzeitig die Laufzeit verringert und die Präzision der Ergebnisse verbessert werden. Zudem könnten derartige im Modell festgestellte Wechselwirkungen auf Plausibilität hin untersucht werden, und so Schwachstellen in der Modellierung identifiziert und behoben werden. Weiterhin wären Erkenntnisse über das System Trägerrakete auch dahingehend hilfreich, als dass sie Ideen für vorläufige Designs beeinflussen und das Bewusstsein für entscheidende Designentscheidungen schärfen. So wurde eine effizientere Nutzung des Werkzeugs Simulationssoftware bewirkt und es könnten in kürzerer Zeit bessere Designs erarbeitet werden. Eine bewährte Methode zur Untersuchung eines Systems, dessen Übertragungsfunktion von Ein- zu Ausgabe unbekannt ist, ist die Sensitivitätsanalyse. Diese liefert Empfindlichkeiten – die Sensitivitäten – mit denen die Ausgabe des Systems, oder Teile von ihr, auf eine Variation der Eingabe reagieren. Tatsächlich ist dies genau die Art von Information, welche die oben beschriebenen Optimierungen ermöglicht. Im Folgenden wird in Stand der Technik zunächst ein Überblick über Sensitivitätsanalysen, insbesondere auch im Bereich der Luft- und Raumfahrt, aus der Literatur gegeben. Anschließend wird kurz die Arbeitsweise der hier verwendeten System Engineering Toolbox erläutert. In Methodik wird nun dargelegt, welche Arbeitsschritte durchzufuhren sind und wie die methodische Vorgehensweise dabei ist. Eine kurze Darstellung der konkreten Durchführung findet sich in ¨ Implementierung. Schließlich werden in Ergebnisse die Ergebnisse dargestellt und diskutiert. Dabei findet in Gesamtbetrachtung eine Zusammenfassung und Evaluation der insgesamt gewonnenen Erkenntnisse statt.