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M.Sc. Daniel Pütz

Zielsetzung

Laut aktuellem Stand der Technik, werden Lebenserhaltungssysteme (LSS) mit dem Equivalent System Mass  (ESM) Ansatz der NASA ausgelegt. Dieses Konzept basiert auf der Auswahl von Komponenten und Technologien mit den geringsten Masse-, Volumen-, Energie-, Kühlungs-, und Wartungsanforderungen. Dabei werden die Technologien auf gemittelte Massenflussgrößen skaliert. Dieser Ansatz liefert somit keine Informationen über die dynamische Stabilität des ausgelegten Systems.

Mit „Virtual Habitat“ können Lebenserhaltungssysteme dynamisch simuliert werden. In diesen Simulationen kann die Reaktion der Systeme auf vordefinierte Missionsszenarien untersucht werden, die auch Zufallsereignisse (e.g. Hüllenbruch, Maschinenversagen, etc.) beinhalten können. Auf diese Art und Weise kann die Robustheit der untersuchten Systeme beurteilt werden, wodurch der Equivalent System Mass Ansatz erweitert und vervollständig wird.

Die aktuellen LRT Forschungen auf dem Gebiet zielen darauf ab die Zuverlässigkeit von Lebenserhaltungssystemen zu bestimmen sowie die Performance der Besatzung für verschieden Missionsszenarien vorherzusagen.

Kurzbeschreibung

Lebenserhaltungssysteme sind ein wichtiger Bestandteil bemannter Weltraummissionen. Um notwendige Aussagen über die dynamischen Parameter eines solches Systems treffen zu können, ist es notwendig alle LSS Subsysteme, inklusive der Besatzung, dynamisch zu charakterisieren und abzubilden. Da praktische LSS Versuche teuer und sehr Zeitaufwendig sind, ist eine experimentelle Bestimmung der Eigenschaften nur selten möglich.

Computersimulationen wurden als eine mögliche Alternative identifiziert. Das „Virtual Habitat“ (V-HAB) ist die Umsetzung dieser Vision. Es beinhaltet alle notwendigen Module um die Funktion von Lebenserhaltungssystemen während gesamter Missionsszenarios simulieren zu können. V-HAB enthält unter anderem ein dynamische und umweltsensitives Menschmodell, wodurch es das Hauptmanko früherer LSS Simulationen korrigiert.

Die Fähigkeit von V-HAB Lebenserhaltungssysteme über gesamte Missionsprofile hinweg dynamisch zu modellieren wurde in zahlreichen Fallstudien demonstriert. Die Ergebnisse zweier typischer Simulationen sind hier exemplarisch dargestellt.

In einer ersten Simulation wurde die international Raumstation (ISS) simuliert, wobei die Ergebnisse eine exzellente Übereinstimmung mit den tatsächlich gemessenen Werten aufweisen.

Die zweite Analyse untersuchte ein mögliches bioregeneratives Lebenserhaltungssystem für eine bemannte Marsmission. Hier konnte gezeigt werden, dass dieses mit dem ESM Ansatz ausgelegte LSS der dynamischen Prüfung nicht standhält.

Die Ergebnisse beweisen, dass ein Analysewerkzeug wie V-HAB in der Lage ist die Umweltbedingungen in einem Habitat, und ihre Auswirkungen auf die Besatzung, vorherzusagen. Solche dynamischen Simulationen können daher die Auslegung von Lebenserhaltungssystemen unterstützen, lange bevor experimentelle Werte zur Verfügung stehen können.

Referenzen

[1] Honne, A., et al. Evaluation of ANITA Air Monitoring on the International Space Station. SAE Technical Paper. 2009-01-2520, 2009.

[2] Zhukov, A., Czupalla, M. and Stuffler, T. Correlation of the ISS Life Support System Simulation with ANITA data. SAE Technical Paper. 2010-01-0205, 2010.

[3] Czupalla, Markus The Virtual Habitat Integral Modeling and Dynamic Simulation of Life Support Systems., Ph.D. Thesis Technische Universität München, Verlag Dr. Hut 2011, ISBN 978-3843903059

[4] Czupalla, M., Horneck, G. and Blome, H.J. The conceptual design of a hybrid life support system based on the evaluation and comparisons of terrestrial testbeds. Adv. Space Res. Vol. 35, pp. 1609-1620, 2005.