Flugbahnanalyse eines Raumfahrzeuges mittels multidisziplinärer Kopplung

Abstract

In der vorliegenden Dissertation wird am Beispiel des SHEFEX II Aufstiegs die Hypothese erörtert, dass durch den virtuellen Flugversuch mittels gekoppelter Fluid-StrukturFlugmechanik Simulationen die Flugbahn in einem ähnlichen Fehlerbereich bestimmt werden kann, wie durch Messungen im Realflug. Dafür werden zunächst die Fehler der einzelnen Messplattformen ermittelt, um den Datensatz mit dem geringsten Fehler zu erhalten, die Einbaulagefehler herausgerechnet, sowie der Gesamtfehler durch Fehlerfortpflanzung bestimmt. Anschließend wird eine hochgenaue Fluid-Struktur-FlugmechanikKopplungsumgebung implementiert, wobei die numerischen Fehler der jeweiligen Löser sowohl einzeln, als auch in Kombination miteinander bestimmt werden. Danach wird die Flugbahn der ersten 60 s von SHEFEX II numerisch simuliert und deren Ergebnisse mit den Messdaten in den jeweiligen Fehlerbereichen verglichen. Verschiedene Einflüsse auf die Ergebnisse, wie bspw. durch Reibung, geometrische Vereinfachungen, Schubstrahl, sowie Atmosphären- und Windmodelle werden betrachtet. Das Atmosphären- und Windmodell wird in dieser Arbeit aus den Messdaten geflogener Wetterballons gefiltert und interpoliert. Bei Betrachtung des gesamten gekoppelten Fluid-Struktur-Flugmechanik Systems sind die Übereinstimmungen der numerischen Ergebnisse mit den Messdaten sehr gut. Es zeigt sich weiterhin, dass die numerischen Ergebnisse innerhalb des Fehlerbereiches der Messplattformen liegen und diese je nach Wahl der Startparameter unterbieten, wodurch die Forschungshypothese belegt wird. Dadurch zeigt sich, dass die numerische Analyse den Realflug besser als Messsysteme im Flug abbilden können und somit für die Auslegung neuer Raumfahrtsysteme sichere Werkzeuge darstellen. Als Anwendungsbeispiel und Ausblick auf weiterführende Arbeiten werden durch einen Regler gesteuerte Flugbahnen berechnet. Diese zeigen, dass unter Nutzung der Canards als zusätzliche Steuerflächen während des Aufstiegs, die Finnen am Heck von SHEFEX II hätten verkleinert werden können, um Gewicht zu sparen.