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Kosmonautik

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Die weltweiten Raumfahrtaktivitäten haben sich in den letzten zehn Jahren erheblich intensiviert und diversifiziert. Technologische Innovationen verringern die Kosten für den Zugang zum Weltraum und dessen Nutzung und ermöglichen neue Weltraummissionen und Anwendungen, neue Akteure und Länder engagieren sich zunehmend in der Raumfahrt, und private Kapitalflüsse in den Weltraumsektor nehmen allmählich zu. Der Weltraumsektor von heute umfasst unterschiedlichste öffentliche und private Akteure aus allen Kontinenten die sich mit einer Vielzahl von vor- und nachgelagerten Aktivitäten befassen – und wird damit auch wirtschaftlich immer wichtiger. Zu den aktiven Innovationsfeldern in der Raumfahrt gehören Systeme, die Antrieb, Stromversorgung, Steuerung und Lebenserhaltung in Raumfahrzeugen sowie die Erkennung, Messung und Beseitigung von Weltraummüll ermöglichen.

Antriebssysteme

Das Antriebssystem ist das primäre Mobilitätssystem jedes Raumfahrzeugs. Seine Hauptfunktion besteht in der Bereitstellung von Schubkraft für das Erreichen, Ändern und Halten der Umlaufbahn, die Positionssteuerung, das Halten der Position, die Lageregelung, Annäherungsmanöver, Kollisionsvermeidung, Entsorgung nach Ende der Lebensdauer und/oder Weltraummanöver einschließlich Landung und Aufstieg. Die Fähigkeit, diese Aufgaben mit hoher Präzision auszuführen, ist eine Hauptanforderung für zahlreiche Weltraummissionen.

Flüssigkeitsantriebssysteme

Flüssigkeitsantriebssysteme von Raumfahrzeugen können auf einem (Monotreibstoffe) oder zwei Treibstoffen (Bitreibstoffe) basieren.

Flüssigkeitsantriebssysteme

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Feststoffantriebssysteme

Feststoffantriebssysteme nutzen ein festes, selbstentzündliches Gemisch aus Treibstoff und Oxidationsmittel und werden vor allem in der Booster- oder Hauptstufe von Trägersystemen eingesetzt.

Feststoffantriebssysteme

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Luftatmende und hybride Antriebssysteme

Luftatmende Systeme erzeugen Schub, indem sie einen Treibstoff mithilfe der angesaugten Umgebungsluft verbrennen – ein bekanntes Beispiel hierfür ist das Staustrahltriebwerk (Ramjet), in Überschallausführung auch als Scramjet bezeichnet.

Luftatmende und hybride Antriebssysteme

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Elektrostatische Systeme

Elektrostatische Systeme wie Hall-Effekt-, Gitter-Ionen- oder Feldemissions-Antriebe nutzen die elektrostatische Beschleunigung von Ionen, um Schub zu erzeugen.

Elektrostatische Systeme

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Elektrothermische Systeme

In einem elektrothermischen System werden Gase erhitzt und durch eine Düse beschleunigt: Beispiele hierfür sind Resistojets und thermische Lichtbogentriebwerke.

Elektrothermische Systeme

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Elektromagnetische Systeme

In elektromagnetischen Antriebssystemen, wie z. B. magnetoplasmadynamischen Triebwerken und gepulsten Plasmaantrieben, wird durch die Interaktion elektrischer und magnetischer Felder Plasma beschleunigt.

Elektromagnetische Systeme

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Solarthermische Antriebssysteme

Bei einem solarthermischen Antriebssystem wird mithilfe von Solarthermie ein Treibstoff erhitzt, der dann für den Antrieb sorgt..

Solarthermische Antriebssysteme

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Nukleare Antriebssysteme

In einem nuklearen Antriebssystem wird der Schub durch Kernreaktionen erzeugt. Meist bringt ein Kernreaktor eine Betriebsflüssigkeit auf hohe Temperaturen, oder er erzeugt Strom für den Antrieb einer Schubdüse.

Nukleare Antriebssysteme

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Solarsegelantriebssysteme

Solarsegelantriebssysteme eignen sich gut für den Einsatz auf langen Raumflügen. Sie nutzen den Strahlungsdruck, z. B. aus dem Sonnenwind, der auf die Oberflächen eines Raumfahrzeugs wirkt und dieses dadurch antreibt.

Solarsegelantriebssysteme

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Tether-Antriebssysteme

Tether-Antriebssysteme basieren auf langen Kabeln, wie z. B. Impulsaustausch-Halteseilen oder elektrodynamischen Tethern, und können auch Gruppen von Raumfahrzeugen zusammenhalten.

Tether-Antriebssysteme

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Elektrische Stromversorgung der Raumfahrzeuge

Die elektrische Stromversorgung von Raumfahrzeugen umfasst Funktionen zur Erzeugung, Umwandlung und Speicherung von Strom. Dieses Energieversorgungssystem lässt sich mit zahlreichen Technologien und Optionen umsetzen. Zur Stromerzeugung sind Solarmodule weit verbreitet, aber auch Brennstoffzellen oder Kernreaktoren werden verwendet. Im Raumfahrzeug wird die erzeugte Energie in Batterien gespeichert. Die Steuerung und Verteilung der Energie an Bord erfolgt mit weiteren Hard- und Softwarelösungen.

Energiesystemarchitektur

Power system topologies are designed to meet the power requirements of missions by integrating several functions such as power generation, distribution, storage and management systems.

Energiesystemarchitektur

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Photovoltaikgeneratortechnologien

Photovoltaikgeneratoren erzeugen mithilfe von Strahlung Strom für das Raumfahrzeug. Wichtige Aspekte sind Träger- und Befestigungssysteme, Mechanismen zur Entfaltung von Solarmodulen sowie Systeme zu ihrer elektrischen und thermischen Steuerung.

Photovoltaikgeneratortechnologien

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Brennstoffzellentechnologien

In Brennstoffzellen laufen chemische Reaktionen ab, in der Regel mit Wasser- und Sauerstoff, durch die im Raumfahrzeug Strom erzeugt wird

Brennstoffzellentechnologien

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Nukleare und thermoelektrische Stromerzeugertechnologien

Auch Technologien, mit deren Hilfe sich Wärme aus Solar- und Kernreaktoren in Strom für Raumfahrzeuge umwandeln lässt, gehören zu den raumfahrtbezogenen Anwendungsbereichen.

Nukleare und thermoelektrische Stromerzeugertechnologien

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Elektrochemische Technologien zur Energiespeicherung

Batterien ermöglichen die Speicherung von Energie im Raumfahrzeug. Innovationsbereiche sind die Anordnung und Integration elektrochemischer Zellen an und in Raumfahrzeugen sowie ihre elektrische und thermische Steuerung.

Elektrochemische Technologien zur Energiespeicherung

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Mechanische Technologien zur Energiespeicherung

Mechanische Technologien zur Energiespeicherung betreffen die konstruktive Gestaltung von Speichersystemen sowie deren Steuerung und Regelung. Ein bekanntes Beispiel zur mechanischen Energiespeicherung in Raumfahrzeugen sind Schwungräder.

Mechanische Technologien zur Energiespeicherung

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Steuer- und Regeltechnik für Weltraumsysteme

Die Steuer- und Regeltechnik umfasst die Technologien und Verfahren, mit denen Raumfahrzeuge ihre Lage und Umlaufbahn bestimmen und regeln können. Das Lage- und Bahnregelungssystem (AOCS) ermöglicht es, während der Mission die Ausrichtung eines Raumfahrzeugs zu ermitteln, die notwendigen Befehle zu seiner Stabilisierung oder Neuausrichtung zu berechnen, seinen Rotationszustand zu regeln und Bordsysteme in gewünschte Richtungen zu bringen. Die Bestimmung und Regelung der Umlaufbahn eines Raumfahrzeugs zum Erreichen einer Endumlaufbahn oder Endposition (z. B. Transfer, Annäherung, Neupositionierung und interplanetar) oder zum Überwinden einer Störung wird dank der Lenk- und Navigationsregelung (GNC) erreicht.

AOCS/GNC-Architektur

Architekturen zur Lage- und Bahnregelung (AOCS) sowie zur Lenk- und Navigationsregelung (GNC) umfassen z. B. die Entwicklung von Systemen und die Integration von Komponenten zur präzisen Ausrichtung, Navigation und Lageregelung.

AOCS/GNC-Architektur

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Autonomie und FDIR

Autonomie und Fehlererkennung, -isolierung und -behebung (FDIR) sind Funktionen, die insbesondere für unbemannte Missionen eine wesentliche Rolle spielen, bei denen über lange Zeit kein oder nur sporadischer Kontakt zwischen Bodenstation und Raumfahrzeug besteht.

Autonomie und FDIR

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GNC-Technologien für Eintritt, Abstieg und Landung

Zu den GNC-Technologien für Eintritt, Abstieg und Landung gehören z. B. Verfahren zur Bremsung oder Präzisionslandung.

GNC-Technologien für Eintritt, Abstieg und Landung

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GNC-Technologien für Flug, Annäherung und Andocken oder Ankopplung

Systeme zur Lenk- und Navigationsregelung für Flug, Annäherung und Andocken des Raumfahrzeugs sind für viele Weltraummissionen, z. B. zur Beseitigung von Weltraummüll, von entscheidender Bedeutung.

GNC-Technologien für Flug, Annäherung und Andocken oder Ankopplung

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Hochgenaue Ausrichtungstechnologien

Hochgenaue Ausrichtungstechnologien ermöglichen die Kommunikation, Datenerfassung und präzise Instrumentenausrichtung an Bord.

Hochgenaue Ausrichtungstechnologien

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AOCS/GNC-Optiksensoren

Optiksensoren wie Sonnen-, Stern- und Horizontsensoren bestimmen die Position des Raumfahrzeugs in Bezug auf Referenzpunkte am Himmel und liefern den AOCS- und GNC-Systemen die benötigten Daten.

AOCS/GNC-Optiksensoren

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AOCS/GNC-Trägheits- und Magnetsensoren

Mit Trägheitssensoren wie Gyroskopen und Beschleunigungsmessern sowie Magnetsensoren wie Magnetometern wird die Lage des Raumfahrzeugs ermittelt.

AOCS/GNC-Trägheits- und Magnetsensoren

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AOCS/GNC-Trägheits- und Magnetaktuatoren

Trägheits- und Magnetaktuatoren steuern die Lage des Raumfahrzeugs – Beispiele hierfür sind Reaktionsräder und Magnettorquer.

AOCS/GNC-Trägheits- und Magnetaktuatoren

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Lebenserhaltung

Der Bereich Lebenserhaltung umfasst bei der bemannten Raumfahrt Habitatstrukturen, die Unterbringung von Besatzung und Passagieren sowie den Schutz vor ionisierender Strahlung, Ionen und Plasma. Hierzu gehören auch die als Außenbordraumanzüge bezeichneten Anzüge für Außenbordeinsätze (EVA), ohne die Aktivitäten außerhalb des Raumfahrzeugs nicht möglich wären. Diese Anzüge schützen Astronauten und Astronautinnen vor extremen Temperaturen, dem im Weltraum herrschenden Vakuum, Mikrometeoriten und Strahlung und gewährleisten gleichzeitig deren Bewegungsfreiheit. Ein Außenbordraumanzug verfügt über lebenserhaltende Systeme und sorgt im Inneren normalerweise für einen konstanten Druck und eine geregelte Temperatur. Darüber hinaus gehören zur Lebenserhaltung Systeme zur Regelung der Umgebungs- und Lebensbedingungen an Bord des Raumfahrzeugs.

Technologien für primäre und sekundäre Habitatstrukturen

Zum strukturellen Bereich der bemannten Raumfahrt gehört auch die Konstruktion und Gestaltung von Wohnmodulen und Kabinen für Besatzung und Passagiere in interplanetaren Raumfahrzeugen und Raumstationen.

Technologien für primäre und sekundäre Habitatstrukturen

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Außenbordraumanzüge

Außenbordraumanzüge umfassen verschiedene Arten von Weltraumausrüstung, wie z. B. Schutzkleidung oder lebenserhaltende Systeme für Außenbordraumanzüge.

Außenbordraumanzüge

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Regelung der Umgebungs- und Lebensbedingungen

Zu den Systemen zur Regelung der Umgebungsbedingungen im Raumfahrzeug gehören bei der bemannten Raumfahrt Geräte zur Luftbehandlung, wie z. B. Sauerstoffgeräte oder Geräte zur Klima- und Temperaturregelung.

Regelung der Umgebungs- und Lebensbedingungen

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Weltraummüll

Die allermeisten Objekte, die sich derzeit im Weltraum befinden, sind Weltraummüll. Hierbei handelt es sich gemäß der Begriffsbestimmung des interinstitutionellen Koordinierungsausschusses für Weltraummüll (Inter-Agency Space Debris Coordination Committee, IADC) um alle synthetischen Objekte, die sich in einer Erdumlaufbahn befinden oder wieder in die Atmosphäre eintreten und keine Funktion erfüllen, sowie Fragmente und Elemente davon. In Betrieb befindliche Satelliten machen nur 7 % der Weltraumobjekte mit einer Größe von mehr als 10 cm und einen vernachlässigbaren Anteil aller im Weltraum befindlichen Objekte aus. Insbesondere für Raumfahrzeuge in erdnahen Umlaufbahnen stellt Weltraummüll ein Sicherheitsrisiko dar. Aktive Innovationsfelder im Bereich Weltraummüll sind die Erkennung und Überwachung von im Weltraum befindlichen Objekten sowie Technologien zu deren Beseitigung.

Bodengestützte Radarmessungen von Trümmern und Meteoriten

Bodengestützte Messungen verwenden in der Regel eine Radar- oder optische Messtechnik zum Aufspüren, Beobachten und Verfolgen von Trümmerobjekten, wozu auch Technologien zur Bestimmung der Umlaufbahn gehören. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf bodengestützten Radarmessungen.

Bodengestützte Radarmessungen von Trümmern und Meteoriten

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Bodengestützte optische Messungen von Trümmern und Meteoriten

Bodengestützte Messungen verwenden in der Regel eine Radar- oder optische Messtechnik zum Aufspüren, Beobachten und Verfolgen von Trümmerobjekten, wozu auch Technologien zur Bestimmung der Umlaufbahn gehören. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf bodengestützten optischen Messungen.

Bodengestützte optische Messungen von Trümmern und Meteoriten

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Radar- und optische In-situ-Messungen von Trümmern und Meteoriten

Ein weiterer Technologiebereich zum Aufspüren, Beobachten und Verfolgen von Trümmerobjekten sind Radar- und optische Messungen im Weltraum.

Radar- und optische In-situ-Messungen von Trümmern und Meteoriten

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Beseitigung von Weltraummüll

Ein aktives Entwicklungsfeld stellen Technologien und Raumfahrzeuge für die Beseitigung von Weltraummüll dar, wozu auch Verfahren und Systeme zum Annähern an entsprechende Objekte sowie deren Aufgreifen und Entfernen gehören.

Beseitigung von Weltraummüll

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