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Flight times to the heliopause using a combination of solar and radioisotope electric propulsion
(2011)
We investigate the interplanetary flight of a low-thrust space probe to the heliopause,located at a distance of about 200 AU from the Sun. Our goal was to reach this distance within the 25 years postulated by ESA for such a mission (which is less ambitious than the 15-year goal set by NASA). Contrary to solar sail concepts and combinations of allistic and electrically propelled flight legs, we have investigated whether the set flight time limit could also be kept with a combination of solar-electric propulsion and a second, RTG-powered upper stage. The used ion engine type was the RIT-22 for the first stage and the RIT-10 for the second stage. Trajectory optimization was carried out with the low-thrust optimization program InTrance, which implements the method of Evolutionary Neurocontrol,using Artificial Neural Networks for spacecraft steering and Evolutionary Algorithms to optimize the Neural Networks’ parameter set. Based on a parameter space study, in which the number of thrust units, the unit’s specific impulse, and the relative size of the solar power generator were varied, we have chosen one configuration as reference. The transfer time of this reference configuration was 29.6 years and the fastest one, which is technically
more challenging, still required 28.3 years. As all flight times of this parameter study were longer than 25 years, we further shortened the transfer time by applying a launcher-provided hyperbolic excess energy up to 49 km2/s2. The resulting minimal flight time for the reference configuration was then 27.8 years. The following, more precise optimization to a launch with the European Ariane 5 ECA rocket reduced the transfer time to 27.5 years. This is the fastest mission design of our study that is flexible enough to allow a launch every
year. The inclusion of a fly-by at Jupiter finally resulted in a flight time of 23.8 years,which is below the set transfer-time limit. However, compared to the 27.5-year transfer,this mission design has a significantly reduced launch window and mission flexibility if the
escape direction is restricted to the heliosphere’s “nose".
In this paper we consider low Péclet number flow in bead packs. A series of relaxation exchange experiments has been conducted and evaluated by ILT analysis. In the resulting correlation maps, we observed a collapse of the signal and a translation towards smaller relaxation times with increasing flow rates, as well as a signal tilt with respect to the diagonal. In the discussion of the phenomena we present a mathematical theory for relaxation exchange experiments that considers both diffusive and advective transport. We perform simulations based on this theory and discuss them with respect to the conducted experiments.
Manufacturing process simulation (MPS) has become more and more important for aviation and the automobile industry. A highly competitive market requires the use of high performance metals and composite materials in combination with reduced manufacturing cost and time as well as a minimization of the time to market for a new product. However, the use of such materials is expensive and requires sophisticated manufacturing processes. An experience based process and tooling design followed by a lengthy trial-and-error optimization is just not contemporary anymore. Instead, a tooling design process aided by simulation is used more often. This paper provides an overview of the capabilities of MPS in the fields of sheet metal forming and prepreg autoclave manufacturing of composite parts summarizing the resulting benefits for tooling design and manufacturing engineering. The simulation technology is explained briefly in order to show several simplification and optimization techniques for developing industrialized simulation approaches. Small case studies provide examples of an efficient application on an industrial scale.
The scientific interest for near-Earth asteroids as well as the interest in potentially hazardous asteroids from the perspective of planetary defense led the space community to focus on near-Earth asteroid mission studies. A multiple near-Earth asteroid rendezvous mission with close-up observations of several objects can help to improve the characterization of these asteroids. This work explores the design of a solar-sail spacecraft for such a mission, focusing on the search of possible sequences of encounters and the trajectory optimization. This is done in two sequential steps: a sequence search by means of a simplified trajectory model and a set of heuristic rules based on astrodynamics, and a subsequent optimization phase. A shape-based approach for solar sailing has been developed and is used for the first phase. The effectiveness of the proposed approach is demonstrated through a fully optimized multiple near-Earth asteroid rendezvous mission. The results show that it is possible to visit five near-Earth asteroids within 10 years with near-term solar-sail technology.
The scientific interest in near-Earth asteroids (NEAs) and the classification of some of those as potentially hazardous asteroid for the Earth stipulated the interest in NEA exploration. Close-up observations of these objects will increase drastically our knowledge about the overall NEA population. For this reason, a multiple NEA rendezvous mission through solar sailing is investigated, taking advantage of the propellantless nature of this groundbreaking propulsion technology. Considering a spacecraft based on the DLR/ESA Gossamer technology, this work focuses on the search of possible sequences of NEA encounters. The effectiveness of this approach is demonstrated through a number of fully-optimized trajectories. The results show that it is possible to visit five NEAs within 10 years with near-term solar-sail technology. Moreover, a study on a reduced NEA database demonstrates the reliability of the approach used, showing that 58% of the sequences found with an approximated trajectory model can be converted into real solar-sail trajectories. Lastly, this second study shows the effectiveness of the proposed automatic optimization algorithm, which is able to find solutions for a large number of mission scenarios without any input required from the user.
Auslegung der CFK-Sandwich-Rumpfstruktur eines Hubschraubers mit der Methode der Finiten Elemente
(1994)
Digitalisierung bezeichnet die Nutzung großer Datenmengen, die zu einer umfassenden Vernetzung aller Bereiche der Wirtschaft und Gesellschaft führen wird (BMWi, 2015 und ähnlich Köhler/Wollschläger, 2014: 79). Sie umfasst die Erhebung von analogen Informationen („Big Data“ in einem engen Sinne; z.B. O´Leary, 2013), ihre Speicherung in einem digitaltechnischen System (lokale Speicherung oder „Cloud Computing“ durch die Weiterentwickelung des Internets; z.B. Hashem et al., 2015: 101), die Analyse und Interpretation sowie den Transfer in andere Systeme („Internet der Dinge“ bzw. „Internet of Things“; z.B. Ashton, 2009).
Attitude and Orbital Dynamics Modeling for an Uncontrolled Solar-Sail Experiment in Low-Earth Orbit
(2015)
Gossamer-1 is the first project of the three-step Gossamer roadmap, the purpose of which is to develop, prove and demonstrate that solar-sail technology is a safe and reliable propulsion technique for long-lasting and high-energy missions. This paper firstly presents the structural analysis performed on the sail to understand its elastic behavior. The results are then used in attitude and orbital simulations. The model considers the main forces and torques that a satellite experiences in low-Earth orbit coupled with the sail deformation. Doing the simulations for varying initial conditions in attitude and rotation rate, the results show initial states to avoid and maximum rotation rates reached for correct and faulty deployment of the sail. Lastly comparisons with the classic flat sail model are carried out to test the hypothesis that the elastic behavior does play a role in the attitude and orbital behavior of the sail
Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktuator zur Betätigung eines Stellgliedes (7) mit wenigstens einem gesteuert bestrombaren Elektromagneten (1, 2) und einem mit dem Stellglied (7) in Wirkverbindung stehenden Anker (5), der bei Bestromung des Elektromagneten (1, 2) gegen die Kraft wenigstens einer an einem Gehäuse (12) abgestützten Rückstellfeder (10) an der Polfläche (3, 4) des Elektromagneten (1, 2) zur Anlage kommt, und daß zumindest der Anker (5) über eine sphärische Gelenkanordnung (11) auf der Rückstellfeder (10) abgestützt ist.
In the Collaborative Research Center SFB 401 at RWTH Aachen University, the numerical aeroelastic method SOFIA for direct numerical aeroelastic simulation is being progressively developed. Numerical results obtained by applying SOFIA were compared with measured data of static and dynamic aeroelastic wind tunnel tests for an elastic swept wing in subsonic flow.
Computational aeroelastic analysis and design of the HIRENASD wind tunnel wing model and tests
(2007)
In this part of the MEGADESIGN project, aeroelastic effects are introduced into the aerodynamic analysis of aircrafts by coupling DLR’s flow solvers TAU and FLOWer to a Timoshenko-beam solver. The emerging aeroelastic solvers and a method for the automatic identification of Timoshenko-beam models for wing-box structures were integrated into a simulation environment enabling the combined optimisation of aerodynamic wing shape and structure.
Optical Instruments require an extremely stable thermal surrounding to prevent loss of data quality by misalignments of the instrument components resulting from material deformation due to temperature f luctuations (e.g. from solar intrusion). Phase Change Material (PCM) can be applied as a thermal damper to achieve a more uniform temperature distribution. The challenge of this method is, among others, the integration of PCM into affected areas. If correctly designed, incoming heat is latently absorbed during phase change of the PCM, i.e. the temperature of a structure remains almost constant. In a cold phase, the heat during phase change is released again latently until the PCM returns to its original state of aggregation. Thus, the structure is thermally stabilized. At FH Aachen– University of Applied Sciences research is conducted to apply PCM directly into the structures of affected components (baffles, optical benches, electronic boxes, etc.). Through the application of Additive Manufacturing, the necessary voids are directly printed into these structures and filled later with PCM. Additive Manufacturing enables complex structures that would not have been possible with conservative manufacturing methods. A corresponding Breadboard was developed and manufactured by Selective Laser Melting (SLM). The current state of research includes the handling and analysis of the Breadboard, tests and a correlation of the thermal model. The results have shown analytically and practically that it is possible to use PCM as an integral part of the structure as a thermal damper. The results serve as a basis for the further development of the technology, which should maximize performance and enable the integration of PCM into much more complex structures.
Sensitivity Analysis of General Aviation Aircraft with Parallel Hybrid-Electric Propulsion Systems
(2019)
Testing of a 10 kW diffusive micro-mix combustor for hydrogen-fuelled micro-scale gas turbines
(2007)
In Anbetracht weltweit zunehmend strengerer klimapolitischer
Ziele steigt auch der Druck für Nutzfahrzeughersteller, effizientere und umweltfreundlichere
Technologien zu entwickeln. Den Blick bei der Bewertung dieser
ausschließlich auf die Fahrzeugnutzung zu richten, ist längst nicht mehr zufriedenstellend.
Im Rahmen dieser Analyse wird ein gegenwärtig auf dem Markt erwerblicher
und in deutschen Städten bereits seit Jahren betriebener Hybridbus
energetisch und ökologisch mit einem konventionell angetriebenen, nahezu baugleichen
Modell entlang des Lebensweges bewertet.
Nach Definition von Ziel und Untersuchungsrahmen wird ein Überblick auf bereits
durchgeführte Lebenszyklusanalysen zu Hybridbussen im Stadtverkehr gegeben
und Schlussfolgerungen für die anschließende Analyse abgeleitet. Diese
wird im Rahmen einer energetischen und ökologischen Bewertung beider Produktsysteme
anhand der Parameter "Primärenergieeinsatz" und "CO2äq Emissionen"
praktiziert. Der Fahrzeugrumpf beider Fahrzeuge des gleichen Modells
wird dabei als einheitlich angenommen, sodass bei dem Vergleich der Herstellung
vereinfacht nur die sich unterscheidenden Komponenten des Antriebstranges
berücksichtigt werden. Die Resultate der Wirkungsabschätzung werden als
Differenz des Hybridbusses gegenüber dem Referenzfahrzeug über die einzelnen
Lebenszyklusphasen dargestellt. Schließlich werden Prognosen getroffen, ab
welcher Strecke die bei der Herstellung erzeugten höheren CO2äq Emissionen
des Hybridantriebstranges gegenüber dem Referenzmodell ausgeglichen werden.
1) Module werden die Fahrzeugplattform und den –aufbau in Zukunft weiterhin und in zunehmendem Maße bestimmen. 2) Neue Module und Modulschnittstellen am Fahrzeug werden überdacht und können in der Zukunft erwartet werden. 3) Die Wertschöpfung und der Entwicklungsumfang wird sich vom OEM zum Modullieferanten verlagern. 4) Modulvergaben werden in der Zukunft noch stärker auf Innovation und Kostenreduktion beruhen. 5) Modularisierung des Fahrzeuges heißt ein Aufbrechen der Fahrzeugkarosserie und wird daher von der Beherrschung struktureller Aufgaben sowie der Lösung der (sichtbaren) Modulübergänge bestimmt sein. 6) Neben den Systemintegratoren und den Komponentenspezialisten besetzen die Modullieferanten die erste Lieferantenriege. 7) Der Modullieferant wird neben höchster Fertigungsexpertise ein hohes Maß an (Teil-)fahrzeug-Know-How und Produktentwickler-mentalität bereitstellen.
Die Batterie ist eine der absolut zentralen Komponenten des Elektrofahrzeugs. Die serielle Entwicklung und Produktion dieser Batterien und die Verbesserung der Leistungen wird entscheidend für den Erfolg der Elektromobilität sein. Die Batterie ist jedoch nicht das einzige elektrofahrzeugspezifische System, das neu entwickelt, umkonzipiert oder verbessert werden muss. So sind ebenso die Entwicklung der neuen Fahrzeugstruktur sowie des elektrifizierten Antriebsstranges Teil dieses Kapitels. Weiterhin wird ein Blick auf das bedeutende Thema des Thermomanagements geworfen.
Die Fahrzeugkarosserie bildet als größte funktionale und organisatorische Systemeinheit ein zentrales Kompetenzfeld der OEMs. Für den Fahrzeughersteller stellt der Karosserierohbau eine hohe Kernkompetenz sowohl in der Produktentwicklung als auch in der Produktion dar. Neue, innovative Karosseriebauweisen, bspw. aufgrund eines neuen Fahrzeugkonzeptes oder neuer Anforderungen, bedeuten für den OEM auch gleichzeitig die intensive Auseinandersetzung mit Kompetenzfokussierung bzw. Wertschöpfungsverlagerungen.
Die urbane Mobilität ist im Wandel und insbesondere neue innovative Geschäftsmodelle werden einen wesentlichen Teil zur Lösung von künftigen Mobilitätsbedürfnissen beitragen. Die sogenannte „Shared Mobility“ gilt aktuell neben der Elektrifizierung des Antriebes und autonomem Fahrzeugtechnologien als einer der wichtigsten Trendthemen in der Automobilindustrie. Neue Mobilitätsdienstleistungen verlangen dabei verstärkt auch neue Fahrzeugkonzepte.
Urbane Mobilitätskonzepte der Zukunft erfordern neue Unternehmensformen, idealerweise aus Old Economy und New Economy, sowie eine enge Anbindung an die gesellschaftsrelevante Zukunftsforschung. Für neue Fahrzeugkonzepte des Carsharing bedeutet dies, dass alle kostenverursachenden Faktoren erfasst und analysiert werden müssen. Die FH Aachen, share2drive und FEV geben einen Ausblick auf die zukünftige Fahrzeugklasse der Personal Public Vehicles als „Rolling Device“.
1) In Karosseriestrukturen steht der richtige Werkstoffeinsatz stärker den je im Spannungsfeld von Leichtbau, Kosten (Stückzahlen) und Leistungsanforderung 2) In „klassischen“ Strukturen von Modulträgern und Klappen hat sich die Materialmischbauweise verstärkt in den letzten Jahren durchgesetzt 3) Unter Aspekten des konzeptionellen Leichtbaus erscheint der verstärkte Einsatz von Leichtbauwerkstoffen im Vorderwagen sowie in der Dachstruktur zielführend 4) Offene Strukturprofile in Materialmischbauweise liefern für eine Vielzahl von Anwendungen ein interessantes und bis dato kaum genutztes Potential 5) Neue Entwicklungen bei den Fügetechnologien (i.b. kontinuierliche Fügeverbindungen und kombinierte Verfahren) unterstützen den wirtschaftlichen Karosserieleichtbau 6) Werkstoffinnovationen sowie neuartige Fertigungsverfahren machen den Konstruktionswerkstoff „Stahl“ auch in der Zukunft im Karosseriebau weiterhin sehr attraktiv
Die Erfindung betrifft ein Kaltstartverfahren für eine Mehrzylinder-Kolbenbrennkraftmaschine mit Anlasser und einer Motorsteuerung zur Ansteuerung von Kraftstoffeinspritzeinrichtungen, Zündung und voll variabel elektromagnetisch betätigbaren Gaswechselventilen an den einzelnen Zylindern, bei dem die Kurbelwelle über den Anlasser gedreht wird und zum Start für wenigstens einen Zylinder die dazugehörigen Gaswechselventile, die Kraftstoffeinspritzeinrichtung und die Zündung in einem vorgegebenen Taktzyklus angesteuert werden und zwar in den ersten Arbeitszyklen mit "Spätem Einlaß Öffnen".
Solar-electric propulsion (SEP) is superior with
respect to payload capacity, flight time and
flexible launch window to the conventional
interplanetary transfer method using chemical
propulsion combined with gravity assists. This fact
results from the large exhaust velocities of electric
low–thrust propulsion and is favourable also for
missions to the giant planets, Kuiper-belt objects
and even for a heliopause probe (IHP) as shown in
three studies by the authors funded by DLR. They
dealt with a lander for Europa and a sample return
mission from a mainbelt asteroid [1], with the
TANDEM mission [2]; the third recent one
investigates electric propulsion for the transfer to
the edge of the solar system.
All studies are based on triple-junction solar arrays,
on rf-ion thrusters of the qualified RIT-22 type and
they use the intelligent trajectory optimization
program InTrance [3].
The impact of wake model effects is investigated for two highly
non-planar lifting systems. Dependent on the geometrical
arrangement of the configuration, the wake model shape is found
to considerably affect the estimation. Particularly at higher angles
of attack, an accurate estimation based on the common linear wake
model approaches is involved.
Euler-based induced drag estimation for highly non-planar lifting systems during conceptional design
(2013)
The potential of SMART climbing robot combined with a weatherproof cabin for rotor blade maintenance
(2016)
Anwendung moderner Simulationstools für die Entwicklung eines elektromagnetischen Ventilaktuators
(1998)
Elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung eines Stellgliedes (2), mit wenigstens einem Elektromagneten (4) und einem mit dem Stellglied (2) verbundenen Anker (3), der gegen die Kraft einer Rückstellfeder (6) aus seiner Ruhelage in Richtung auf den Elektromagneten (4) bewegbar ist, mit einer Rückstellfeder (6), die eine nicht lineare, bezogen auf die Ruhelage des Ankers (3) progressiv ansteigende Kennlinie aufweist.
This paper presents a thermal simulation environment for moving objects on the lunar surface. The goal of the thermal simulation environment is to enable the reliable prediction of the temperature development of a given object on the lunar surface by providing the respective heat fluxes for a mission on a given travel path. The user can import any object geometry and freely define the path that the object should travel. Using the path of the object, the relevant lunar surface geometry is imported from a digital elevation model. The relevant parts of the lunar surface are determined based on distance to the defined path. A thermal model of these surface sections is generated, consisting of a porous layer on top and a denser layer below. The object is moved across the lunar surface, and its inclination is adapted depending on the slope of the terrain below it. Finally, a transient thermal analysis of the object and its environment is performed at several positions on its path and the results are visualized. The paper introduces details on the thermal modeling of the lunar surface, as well as its verification. Furthermore, the structure of the created software is presented. The robustness of the environment is verified with the help of sensitivity studies and possible improvements are presented.