 | Klevanski J. Analyse der Stabilität und Steuerbarkeit von elastischen, mehrstufigen Raumtransportsystemen in der Vorentwurfsphase / Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt Institut für Aerodynamik und Strömungsmechanik Abteilung Windkanäle. - Köln: DLR, Bibliotheks- und Informationswesen, 2010. - xvi, 154 S.: Ill., graph. Darst. - (Forschungsbericht; 10-08). - ISSN 1434-8454
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Übersicht ..................................................... iii
Vorwort ......................................................... v
Nomenklatur .................................................. xiii
1 Einführung ................................................... 1
1.1 Einleitung und Übersicht über die
Vorentwurfsproblematik .................................. 1
1.2 Stand der Technik, Ziele und Relevanz der Arbeit ........ 3
1.3 Auswahl des Untersuchungsobjekts ........................ 7
1.4 Vorgehensweise und Arbeitsaufbau ....................... 10
2 Voranalyse des RTS-Konzepts und der Missionsphasen .......... 11
2.1 Raumtransportsystem LBL-Y9: Konzept und technische
Daten .................................................. 11
2.2 Flugphasen-Analyse und Auswahl der kritischen
Lastfälle .............................................. 18
2.3 Massenanalyse und Schwerpunktverlauf ................... 22
2.4 Analyse der aerodynamischen Eigenschaften und der
Stabilität ............................................. 24
3 Mathematisches Modell unter Berücksichtigung der
Aeroelastizität ............................................. 29
3.1 Allgemeines Konzept des mathematischen Modells und
gesetzte Entwurfsziele ................................. 29
3.2 Getroffene Annahmen und Modellaufbau ................... 30
3.3 Darstellung von elastischen Strukturen: Balken und
Balkensysteme .......................................... 32
3.3.1 Steifigkeitsmatrizen für einzelne Balken
mit heterogener Struktur ........................ 34
3.3.2 Steifigkeitsmatrizen für ein System
gekoppelter Balken .............................. 35
3.4 Massenmodell in der Vorentwurfsphase ................... 37
3.5 Darstellung der Treibstoffschwingungen im Tank ......... 38
3.6 Berechnung der Eigenfrequenzen und Eigenformen
(Modalanalyse) ......................................... 41
3.7 Auf das aeroelastische Modell wirkende externe
Kräfte ................................................. 46
3.7.1 Aerodynamische Kräfte ........................... 46
3.7.2 Schubkräfte ..................................... 51
3.7.3 Gravitationskräfte .............................. 51
3.8 Dynamische Bewegungsgleichungen eines aeroelastischen
RTS .................................................... 52
3.8.1 Koordinatensysteme und Bewegungsmodelle ......... 52
3.8.2 Bahndynamik und Starrkörperdynamik .............. 57
3.8.3 Modell der Atmosphäre, Windprofil und
Windböen ........................................ 64
3.8.4 Transformation des Strukturmodells .............. 65
3.9 Struktur des Steuerungssystems und Regelungsgesetze .... 67
3.10 Einfluss der Elastizität auf die RTS-
Regelungseigenschaften ................................. 71
3.11 Synthese des gesamten mathematischen Modells ........... 73
3.11.1 Aufbau des modularen mathematischen Modells ..... 73
3.11.2 Verbindungen linearer dynamischer Subsysteme .... 76
3.11.3 Kopplung nicht linearer dynamischer
Gleichungen ..................................... 76
3.12 Methoden der numerischen Untersuchung .................. 77
3.12.1 Quasi-stationäre Zustände und
Strukturbelastungen ............................. 77
3.12.2 Linearisierung nichtlinearer dynamischer
Gleichungen ..................................... 79
3.12.3 Lineare Systemanalyse ........................... 80
3.12.4 Numerische Integration und nichtlineare
Analyse ......................................... 82
3.13 Struktur und Ablauf des Programms ...................... 84
4 Numerische Simulation und Analyse ........................... 87
4.1 Analyse von Stabilität und Steuerbarkeit eines
aeroelastischen RTS .................................... 87
4.1.1 Einfluss der Elastizität auf die
Stabilität im geschlossenen Regelkreis .......... 89
4.1.2 Einsatz von Tiefpassfiltern ..................... 90
4.1.3 Auswahl der Regelungsparameter .................. 91
4.1.4 Erhöhung der System-Robustheit .................. 93
4.2 Ergebnisse der Kontrollsimulationen .................... 95
4.2.1 Simulation der Aufstiegsphase des gesamten
RTS bis Boosterseparation ....................... 95
4.2.2 Simulation des Wiedereintritts und
Wendemanövers des LFBB ......................... 102
4.3 Parametrische Untersuchung des aeroelastischen RTS .... 107
4.3.1 Einfluss der Sensoren-Position auf die
Regelungsqualität .............................. 107
4.3.2 Einfluss der Schwerpunktlage auf die
Steuerbarkeit .................................. 108
4.3.3 Einfluss der Rumpf-Wandstärke auf die
Eigenfrequenzen ................................ 111
4.3.4 Durchmesserauswahl unter Berücksichtigung
der Eigenfrequenzen ............................ 112
4.4 Verwendung des aeroelastischen Modells für die
Lastenschätzung ....................................... 116
4.4.1 Strukturlasten während der Aufstiegsphase ...... 118
4.4.2 Strukturlasten während der
Wiedereintrittsphase ........................... 126
4.5 Praktische Empfehlungen für die Vorgehensweise
beim Vorentwurf ....................................... 129
5 Zusammenfassung ............................................ 133
5.1 Merkmale des mathematischen Modells ................... 133
5.2 Charakteristika der eingesetzten Methoden ............. 134
5.3 Schlussfolgerungen und Ausblick ....................... 134
A Anhang ..................................................... 137
A.l Zusammenstellung der Steifigkeitsmatrizen für
heterogene Balken ..................................... 137
A.2 Kombinierung linearer dynamischer Vielkanal-
Subsysterne ........................................... 140
A.3 Zusammenstellung der JACOBI-Matrizen .................. 145
A.4 Das EULER-Verfahren und das klassische RUNGE-KUTTA-
Verfahren ............................................. 146
A.5 Simulationsergebnisse bei der Verstärkungszahlen-
Variation ............................................. 147
A.6 Biegung-Eigenfrequenzen bei der Durchmesser-
Variation ............................................. 148
Literaturverzeichnis .......................................... 149
Index ......................................................... 153
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