Termin & Ort

05. bis 07. November 2024
München

Teilnahmegebühr

1.490,00 EUR
1.400,00 EUR DGLR-Mitglieder

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Leitung

Prof. Dr.-Ing. Markus Pietras
Prof. Dr.-Ing. Markus Pietras

Kontakt

Constantin Rang
constantin.rang(at)dglr.de
+49 228 3080520

Mechanische Raumfahrtsysteme

Raumfahrtmechanismen, entfaltbare Strukturen und robotische Systeme


Kursbeschreibung

Dieser Kurs beschäftigt sich mit der Gestaltung mechanischer Systeme in der Raumfahrt. Diese spielen häufig eine kritische Rolle: Zum einen steigen Bedarf und Anforderungen an mechanische Systeme stetig. Entfaltungsmechanismen für Solarpanele, Antennen und Instrumentenausleger sind oft unvermeidbar, um den begrenzten Platz in Trägerraketen effizient auszunutzen. Zum anderen werden immer genauere Ausrichtungen und Nachführungen von optischen Instrumenten, gerichteten Antennen und Antriebssystemen gefordert. Oft müssen komplexere robotische Systeme eingesetzt werden, um ferngesteuert oder autonom Aufgaben zu erfüllen. Trotz ihrer häufigen Verwendung sind solche Mechanismen häufig missionskritisch, da ihr Ausfall zu schwerwiegenden Auswirkungen auf den Betrieb von Raumfahrzeugen führen kann, bis hin zum Totalverlust der Mission. Der Einsatz unter Weltraumbedingungen – Hochvakuum, Strahlung und große Temperaturgradienten -  stellt höchste Anforderungen an mechanische Systeme. Vollständige Redundanz ist selten möglich während lange Lebensdauern bei völliger Wartungsfreiheit erforderlich sind.

Am ersten Tag erhalten die Teilnehmer:innen einen Überblick über die Problemstellungen, Einsatzfelder und technische Umsetzungen von Raumfahrtmechanismen. Zunächst werden die grundsätzlichen Einsatzfelder von mechanischen Raumfahrtsystemen vorgestellt. Um die Besonderheiten in der Verwendung in der Raumfahrt zu verstehen, werden anschließend die grundlegenden Einflüsse der Weltraumumgebung auf mechanische Systeme besprochen und an konkreten Versagensfällen veranschaulicht. Mit diesem Verständnis werden dann typische Aktuatoren und Sensoren sowie deren spezielle Bauformen und Einsatzgebiete betrachtet und an Demonstratoren vorgeführt. Dies umschließt neben elektromechanischen Antrieben auch pyrotechnische Aktuatoren, Piezoelemente- und Motoren, Formgedächnismechanismen und weitere spezielle Technologien. Darauf aufbauend werden Umsetzungen in komplexeren mechanischen Systemen für verschiedene Aufgaben detailliert betrachtet. So werden zunächst einfache Entfaltungs- uns Separationsmechanismen vorgestellt. Im Anschluss beschäftigen wir uns mit kontinuierlich arbeitenden Mechanismen zur Ausrichtung von Antenne, Solarpanelen und Nutzlastelementen.  Zum Abschluss des ersten Tagen werden einige spezialisierte und robotische Systeme betrachtet.

Bild: NASA

Ziel des zweiten Kurstages ist es, die Inhalte des ersten Tages zu erweitern und die Teilnehmer:innen in die Lage zu versetzen, mechanische Raumfahrtsysteme eigenständig zu konzipieren, auszulegen und grundlegende Berechnungen durchzuführen. Zunächst wird ein Überblick über die Gestaltung großer, entfaltbarer Systeme und Strukturen gegeben. Hierbei wird auch auf Anwendungen für Microsatelliten, Cubesats und New Space Systeme eingegangen. Anschließend wird detailliert das Verhalten mechanischer Bauteile im Weltraum besprochen. Die Teilnehmer:innen bekommen dabei einen Einblick in tribologische Probleme, also in das Themenfeld von Reibung, Schmierung und Verschleiß von beweglichen Oberflächen. Neben grundlegenden Berechnungsmethoden werden Schmierstoffe, Oberflächenbeschichtung und Materialpaarungen besprochen. Anschließend wird auf Gleit- und Wälzlager, Getriebe und weitere Konstruktionselemente sowie deren Verwendung in der Raumfahrt eingegangen. Abschließendes Thema ist die Planung und Durchführung von Tests zur Qualifizierung und Funktionsverifikation von Raumfahrtmechanismen.

Bild: NASA

Im Fokus des dritten Kurstages steht die Gestaltung und Ansteuerung von komplexeren Systemen und Robotern mit mehreren Bewegungsfreiheitsgraden. Zunächst werden verschiedene Robotertypen und deren grundsätzlicher Aufbau besprochen. Hier werden auch viele Beispiele von robotischen Raumfahrtsystemen und deren technische Umsetzung gezeigt und diskutiert. Anschließend werden wichtigsten kinematischen Beschreibungen von Robotern und deren Bewegungsabläufen vorgestellt und an kurzen Übungen erklärt. Danach wird die Steuerung der einzelnen Gelenke und des gesamten Robotersystems besprochen. Es werden Grundlagen zur Positionierung, Pfadplanung, Kollisionsvermeidung und Arbeitsraumbestimmung vorgestellt. Wegen großer Entfernungen und langer Signallaufzeiten ist eine Kontrolle von Robotern in Echtzeit nur begrenzt möglich. Sie lernen daher zum Abschluss des Kurses auch Methoden der interaktiven Teleoperation sowie Autonomie und Teilautonomiekonzepte zur Roboterkontrolle kennen. 

Ziel

Durch diesen Kurs sind die Teilnehmer*innen in der Lage, eigenständig mechanische Systeme für Raumfahrtanwendungen auszuwählen, zu konzipieren, geeignete Aktuatoren und Sensoren zu bestimmen und technische Lösungen abzuwägen und zu bewerten.
Durch den Kurs wird eine vertiefter Überblick über technische Möglichkeiten und Probleme im Einsatz von mechanischen Elementen in der Raumfahrt gegeben. Die Teilnehmer*innen gewinnen einen Überblick über die Einflüsse der Weltraumumgebung und die daraus resultierenden Problemfelder von mechanischen Systemen. Sie lernen Mechanismen für verschiedene Einsatzbereiche, sowie deren Gestaltung, Entwicklungsmethodik und technische Umsetzung kennen. Sie können Problembereiche und Risiken einschätzen. Sie kennen die verschiedenen Typen von robotischen Systemen und verstehen deren Einsatzbereiche. Zudem kennen Sie grundlegende Methoden zur kinematische Steuerung, Arbeitsraumbestimmung und Teleoperation von raumfahrtrobotischen Systemen.

Zielgruppe

Der Kurs richtet sich vor allem an Ingenieur:innen und Wissenschaftler:innen, die mechanische Raumfahrtsysteme entwickeln oder im Rahmen von Systementwicklungen einen Überblick über diese kritische Disziplin gewinnen möchten. Besonders geeignet ist der Kurs für Personen, die im Bereich Mechanismen, entfaltbare Strukturen und Robotik tätig sind oder eine neue Tätigkeit in diesem Bereich aufnehmen. Zudem sind Personen angesprochen, die an wissenschaftlichen Einrichtungen oder in Startups neue Technologien, Kleinsatelliten oder Experimente für den Weltraumeinsatz planen und entwickeln und sich einen Überblick über die Auslegung und Gestaltung mechanischer Elemente und entfaltbarer Strukturen verschaffen möchten.
Für den Kurs sind grundlegende Kenntnisse der Mechanik, Konstruktion sowie technischer Bauelemente empfohlen.

Bilder: NASA

Inhalte

  • Mechanische Systeme in der Raumfahrt
    Hohe Lasen beim Raketenstart und anspruchsvolle Weltraumbedingungen im Betrieb, vor allem Hochvakuum, Strahlung und Temperaturgradienten, stellen mechanische, bewegliche Systeme vor eine Vielzahl von Herausforderungen. Die typischen Problemfelder werden analysiert und vorgestellt. Dabei werden auch Versagensfälle analysiert und grundlegende Anforderungen an Raumfahrtmechanismen formuliert.

  • Elektromagnetische Aktuatoren und Sensoren.
    Wesentliches Element jedes mechanischen und robotischen Systems ist der Bewegungserzeuger. Welche Aktuatoren  verwendet werden, hängt vor allem von Bewegungsart, Genauigkeit und Größe der erforderlichen Auslenkung ab. Es werden elektromagnetische Antriebselemente für Dreh- und Linearbewegungen wie bürstenlose Elektromotoren, Schrittmotoren, LAT Motoren, Tauschspulen und Linearschrittmotoren hinsichtlich Ihrer Einsatzgebiete und Besonderheiten betrachtet. Spezielle Bauformen für Raumfahrtanwendungen werden vorgestellt. Die wichtigsten Aktuatoren und Sensoren werden interaktiv an Demonstrationsmodellen vorgeführt.

  • Spezielle Aktuatoren und Technologien
    In der Raumfahrt werden häufig spezialisierte Aktuatoren verwendet. Piezoelektrische Elemente und Motoren ermöglichen Positioniergenauigkeiten im Nanometerbereich. Pyrotechnische Mechanismen sind äußerst zuverlässig für einmalige Aktuierungen. Formgedächtnismetalle bieten die höchste Energiedichte und hohe Stellkräfte. Wachs- und Paraffinmotoren ermöglichen hohe Stellkräfte  durch Erwärmung und Phasenänderung. Diese und weitere technische Lösungen für spezielle Aufgabenbereiche werden vorgestellt und betrachtet.

  • Überblick über Raumfahrtmechanismen
    Für viele Öffnungs- und Entfaltungsaufgaben werden Mechanismen höchster Zuverlässigkeit benötigt, die jedoch nur ein einziges Mal ihre Funktion erfüllen müssen. Zu diesen „One-Shot Mechanisms“ gehören Pin-Puller und Pin-Pusher sowie Halte- und Separationsmechanismen („Hold-Down & Release Mechanisms), die detailliert in ihrem Aufbau und ihrer Funktionsweise vorgestellt werden. Darüber hinaus werden Raketenadapter und Startvorrichtungen für Kleinsatelliten sowie Docking- und Bearthingmechanismen vorgestellt. Eine weitere wesentliche Gruppe von mechanischen Systemen dient dem Betrieb von Subsystemen und Nutzlasten. Antennen und Solarpanele, aber auch Teleskopspiegel und andere Instrumente müssen über lange Zeiträume mit teilweise höchster Genauigkeit in mehreren Achsen bewegt und ausgerichtet werden. Die technische Umsetzung dieser Antriebsmechanismen wird an vielen Beispielen demonstriert und besprochen.

  • Entfaltbare Strukturen
    Das begrenzte Volumen von Trägerraketen erfordert die Entfaltung vieler, großer Elemente im Orbit. Vor allem Solarpanele, Antennen und Instrumentenausleger werden häufig erst im Orbit ausgefahren. Methoden zur Gestaltung solcher Systeme werden besprochen und typische Entfaltungsmechanismen für verschiedene Strukturen und Systeme werden vorgestelltt. Zudem wird auf die Gestaltung von Federantrieben, flexiblen Gelenken, Faltstrukturen und zukunftsweisenden Technologien eingegangen.  Dabei werden auch spezielle Lösungen für entfaltbare Systeme von Kleinsatelliten und Cubesats besprochen.

  • Tribologische Grundlagen
    Neben höchster Zuverlässigkeitsanforderungen und völliger Wartungsfreiheit sind die Auswirkungen der Weltraumumgebung maßgeblich für die Gestaltung von Raumfahrtmechanismen. Vor allem das Hochvakuum führt zu Herausforderungen hinsichtlich Reibung und Verschließ. Da klassische Schmierstoffe im Vakuum ausgasen, sind hier besondere Maßnahmen, Beschichtungen und Materialien erforderlich. Die Problembereiche und Lösungsmöglichkeiten werden ausführlich besprochen.

  • Auslegung und konstruktiver Entwurf
    Es werden die wichtigsten konstruktiven Anforderungen an mechanische Raumfahrtsysteme besprochen. Darauf basierend werden die wichtigsten konstruktiven Elemente wie Wälz- und Gleitlager, Linearführungen und Getriebe näher betrachtet und an Exponaten vorgestellt. Die wichtigsten Auslegungs- und Berechnungsmethoden werden besprochen und in kurzen Übungen angewendet.

  • Robotische Systeme
    Viele Anwendungen erfordern komplexere Mechanismen mit mehreren Bewegungsfreiheitsgraden. Je nach Anwendungsbereich werden verschiedene Typen von solchen robotischen Systemen eingesetzt. Es werden die wesentlichen Eigenschaften und technischen Umsetzungen von mobile, serielle und parallele Roboter gezeigt und an Beispielen aus der Raumfahrt verdeutlicht.

  • Kinematik und Dynamik von Raumfahrtrobotern
    Die große Anzahl von Gelenken und Bewegungsmöglichkeiten ist eine Herausforderung für die Positions- und Zustandsbeschreibung. Es werden die Grundlagen der wichtigsten Methoden zur kinematischen Beschreibung der einzelnen Gelenkpositionen beschrieben und an kleinen Übungen verdeutlicht.

  • Methoden der Steuerung und Operation
    Ein wichtiger Aspekt für Roboter in der Raumfahrt umfasst die Steuerung der Gelenke. Sie erhalten einen Überblick über Methoden zur Positionierung, Pfadplanung, Kollisionsvermeidung und Arbeitsraumbestimmung. Wegen großer Entfernungen und langer Signallaufzeiten ist eine Kontrolle in Echtzeit nur begrenzt möglich. Sie lernen daher zum Abschluss des Kurses auch Methoden der interaktiven Teleoperation sowie Autonomie und Teilautonomiekonzepte zur Roboterkontrolle kennen.

Kursdauer:

3 Tage (Dritter Tag optional)

Veranstaltungsort

Sofitel Munich
Bayerstr. 12
80335 Munich

Web: https://www.sofitel-munich.com/de/

Abschluss

Jeder Teilnehmer erhält ein Zertifikat zum Kurs sowie ein umfangreiches Begleitmaterial zum Kurs, dass das Erlernte an vielen Beispielen demonstriert und Ansätze für ein weiterführendes Selbststudium bietet.

Leitung

Prof. Dr.-Ing. Markus Pietras, Hochschule München,
Studiengangsleiter Luft- und Raumfahrttechnik (Master)

Ansprechpartner

Constantin Rang
constantin.rang(at)dglr.de
+49 228 30805 20