Methodical guideline for the definition of suitable interfaces for modular space systems

Kortmann, Martin; Stoll, Enrico; Schröder, Kai-Uwe

doi:43202

Methodical guideline for the definition of suitable interfaces for modular space systems = Methodischer Leitfaden zur Definition geeigneter Schnittstellen für modulare Raumfahrtsysteme

Kortmann, Martin^RWTH*

2024

VerantwortlichkeitsangabeMartin Kortmann

ImpressumDüren : Shaker Verlag 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ISBN978-3-8440-9397-1

ReiheAachener Berichte aus dem Leichtbau ; 2024,1

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Druckausgabe: 2024. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Schröder, Kai-Uwe (Thesis advisor)^RWTH* ; Stoll, Enrico (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-04-27

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-02844
DOI: 10.2370/9783844093971
10.2370/9783844093971
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/981188/files/981188.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Strukturmechanik und Leichtbau (415610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
modular robotic interfaces (frei) ; modular robotic systems (frei) ; modular space systems (frei) ; modularization (frei) ; on-orbit servicing (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Der Weltraum unterliegt mehr und mehr einer kommerziellen Nutzung. Um eine sichere und nachhaltige Nutzung des Weltraums sicherstellen zu können sind neue Regeln und Vorschriften, aber auch die Einführung neuer Technologien notwendig. Eine dieser notwendigen Technologiensind das On-Orbit Servicing und die On-Orbit Assembly. Ein Schlüsselkonzept hierfür ist der Einsatz modularer, robotischer Systeme. Allerdings ist eine der wesentlichen Herausforderungen der komplexe Modularisierungsprozess solcher Systeme, der eine sehr sorgfältige technische Abwägung erfordert. Innerhalb dieser Arbeit ist daher eine methodische Leitlinie dokumentiert, welche den Nutzer durch die konzeptuelle Phase des Modularisierungsprozesses eines modularen, robotischen Satellitensystems leitet. Aufgrund der funktionalen und leistungsspezifischen Anforderungen, sowie den vorherrschenden Umgebungsbedingungen sind Raumfahrtsysteme besonders gut für den Einsatz modularer, robotischer Systeme geeignet. Designtreiber sind hierbei allerdings nicht die Module, sondern die Definition geeigneter Schnittstellen, welche systembedingt eine hohe Komplexität aufweisen. Durch die Evaluierung allgemein anwendbarer funktionaler und leistungsspezifischer Anforderungen ist es möglich, die zu erwartende Komplexität und Leistungsfähigkeit des Schnittstellenmechanismus zu quantifizieren. Der erste Schritt hierzu ist die Identifizierung der relevanten Anforderungen, durch die Analyse bestehender Mechanismen und allgemeiner Schnittstellenparameter. Eingeteilt sind die Anforderungen in die vier Kategorien Leistungsfähigkeit der Verbindung, Modularität, allgemeine Konstruktionsanforderungen und Schutz vor Umgebungseinflüssen. Zur Quantifizierung der Leistungserfüllung der ausgewählten Anforderung sind dies ein fünf dedizierte Wertkategorien eingeteilt. Um den Einfluss einzelner Anforderungen auf das Gesamtsystem beurteilen zu können werden die drei Einflussfaktoren Komplexität, Bauraumund Masse herangezogen. Auf Basis dieser Werte ermöglicht es der zusammengestellte Algorithmus einen Zahlenwert zu ermitteln, der eine Abschätzung des zu erwartenden Aufwandes für die Erstellung des Mechanismus ermöglicht. Auf Basis des generierten Ergebnisses ist es möglich die grundlegende Konzeption der Module zu überarbeiten und so das Gesamtsystem in frühen Projektphasen iterativ zu verbessern. Dieses Vorgehen wird anhand von zwei generischen Bespielen vorgestellt. Des Weiteren können die Ergebnisse auch verwendet werden um bestehende Schnittstellenmechanismen auf konzeptioneller Ebene miteinander zu vergleichen, was ebenfalls exemplarisch gezeigt ist. Abschließend ist die Relation der ermittelten Werte zueinander Gegenstand einer Analyse, welche durch den logisch sinnvollen Abstand der einzelnen Werte zeigt, dass eine korrekte Implementierung des Algorithmus vorliegt. Dies belegt, dass der Algorithmus sinnvoll eingesetzt werden kann und ein hilfreiches Werkzeug für Ingenieure bei der konzeptionellen Modularisierung von Raumfahrzeugen und bei der Bewertung existierender oder zukünftiger Mechanismen darstellt.

Space is a resource that is more and more commercially used. To ensure this resource’s safe andsustainable use, new rules and regulations and new technologies need to be implemented. One of these technologies is on-orbit servicing and on-orbit assembly, which enable the upgrade or lifetime extension of existing satellites or the assembly of new systems in orbit. One keyconcept to support these technologies is the idea of modular robotic systems. However, the keychallenge of these kinds of systems is the complex modularization process, which requires carefultrade-offs for a system already inherently featuring a high level of complexity. This thesis proposes a methodical guideline that supports the user during the conceptualization phase of such a modular robotic system to ease the modularization process. Space systems are uniquely suited for modular robotic systems due to functional and performance requirements and the applicable environmental conditions. In contrast to most modularapplications, not the module’s functional requirements are the design driver, but the definitionof a suitable interface drives the design by its required complexity. This level of complexitybecomes apparent when looking at examples from manned space systems.It is possible to quantify the resulting interface complexity and mechanism performance byevaluating generally applicable functional and performance requirements. In the first step,the applicable requirements are identified. Universal interface functionalities are derived and quantified based on evaluating existing space interface mechanisms and general interface transfer parameters. Besides the connection performance requirements categories for modularity requirements, general mechanism requirements and environmental protection are introduced. Five distinct score categories are defined for the selected requirements to quantify their performance.The three influence factors, complexity, size, and mass, are utilized to judge their impact on the overall system design. Based on this, an algorithm is compiled which calculatesa value that represents an estimation of the effort required to design and build the mechanism.The given indication is used to adapt the module design and conception to optimize the overall system design in the early project stages. This process is presented in the example of two generic cases of a spacecraft modularization concept. The calculated values can also be used to analyze existing interface solutions on the concept level, which is also performed on the example mechanisms. To conclusively verify the correct implementation of the algorithm, theratios of investigated cases are compared and shown to be on a logical scale. This shows that the algorithm can be a valuable tool to engineers during the conceptional design phase of modularspace systems and for judging the suitability of existing or future interface mechanism designs.

OpenAccess:
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