Entwurf und experimentelle Untersuchunngen einer Treibstofftransferschnittstelle für Raumfahrzeuge und ihre Anwendungsmöglichkeiten für das On-Orbit-Servicing [original]

Entwurf und experimentelle Untersuchungen einer

Treibstofftransferschnittstelle für Raumfahrzeuge und ihre

Anwendungsmöglichkeiten für das On-Orbit-Servicing

vorgelegt von

Dipl.-Ing.

Lars Dornburg

an der Fakultät V – Verkehrs- und Maschinensysteme

der Technischen Universität Berlin

zur Erlangung des akademischen Grades

Doktor der Ingenieurwissenschaften

– Dr.-Ing. –

genehmigte Dissertation

Promotionsausschuss:

Vorsitzender: Prof. Dr. ir Maarten Uijt de Haag, Technische Universität Berlin

1. Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Klaus Brieß, Technische Universität Berlin

2. Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Stefanos Fasoulas, Universität Stuttgart

Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 06. Mai 2021

Berlin 2022

Für

Evelyn,

Peter, Anne und Nils

In tiefer Dankbarkeit für eure endlose Geduld und die fortwährende Rücksicht,

die ihr während der Erstellung dieser Arbeit aufgebracht habt!

Kurzfassung

Die unbemannte Raumfahrt durchdringt, neben der wissenschaftlichen Anwendung, immer mehr das

öffentliche Leben. Sei es zur Wettervorhersage, für die Navigation, die Telekommunikation oder

zukünftig auch für die Internetkommunikation. Unabhängig vom technischen Zustand gibt es für jeden

Satelliten einen die Lebensdauer einschränkenden Faktor: die Menge des vorhandenen Treibstoffes.

In einer niedrigen Erdumlaufbahn (LEO) ist es die Fähigkeit einer Bahnabsenkung entgegenzuwirken,

verursacht durch von der Restatmosphäre induzierte Reibungsverluste, die die Lebensdauer eines

Satelliten beschränkt. Im mittleren und geostationären Orbit ist es die Fähigkeit zur Bahn- und

Lageregelung. In beiden Fällen kommen treibstoffgestützte Antriebsysteme zum Einsatz. Ein

erschöpfter Treibstoffvorrat führt unmittelbar zum Verlust der oben genannten Fähigkeiten und damit

zur Beendigung der Satellitenmission. Durch das Auffüllen der Treibstoffvorräte im Weltall kann die

Lebensdauer eines Satelliten, in Abhängigkeit von seinem allgemeinen technischen Zustand, beliebig

verlängert werden.

Inhalt der vorliegenden Arbeit ist eine neuartige Treibstofftransferschnittstelle für die Betankung von

Raumfahrzeugen im Weltall. Grundlage für die Entwicklung der neuartigen

Treibstofftransferschnittstelle war eine ausführliche Recherche und Analyse zum Stand der Technik

beim On-Orbit-Servicing im Allgemeinen und der Betankung von Raumfahrzeugen im Weltall im

Besonderen. Durch experimentelle Untersuchungen an verschiedenen Labormodellen der

Treibstofftransferschnittstelle und einer ausführlichen Analyse der hierbei gewonnen Ergebnisse

konnte das Konzept eines androgynen Fluid Transfer Interface (FTI) erfolgreich verifiziert werden. Die

hierbei durchgeführten Versuche umfassten, neben ausführlichen mechanischen Funktionstests, auch

Druck- und Dichtigkeitstests mit flüssigen und gasförmigen Medien bis zu einem Maximaldruck von

100 bar.

Die Entwicklung des Fluid Transfer Interface erfolgte im Rahmen des Projektes iBOSS (intelligentes

Baukastenkonzept für das On-Orbit-Satellite-Servicing) am Fachgebiet Raumfahrttechnik der

Technischen Universität Berlin. Inhalt von iBOSS war die Entwicklung eines neuartigen, im Weltall

wartbaren, Satellitenkonzeptes. Kernidee war dabei die Zerlegung klassischer monolithischer

Satelliten in Funktionsmodule. Diese würfelförmigen Funktionsmodule (z. B. Batteriemodul,

Reaktionsradmodul, Tankmodul oder Antriebsmodul) sollten über lösbare Schnittstellen zur Daten-,

Strom- und Treibstoffübertragung sowie zur Übertragung mechanischer und thermaler Lasten

miteinander zu einem im Weltall zerlegbaren Satelliten verbunden werden. Bei einer Reparatur oder

Modernisierung müssen dann lediglich die betroffenen Module im Satelliten (Client) von einem

Wartungssatelliten (Servicer) gegen neue Module ausgetauscht werden. Hierzu wird das betroffene

Modul durch Lösen der Schnittstellen mittels des Servicers von den anderen Modulen im Client

getrennt und ein neues Modul an seiner statt eingefügt. Designtreiber für die neuartige

Treibstofftransferschnittstelle sind die in dem Projekt iBOSS aufgestellten Randbedingungen.

Da die androgyne Verschlusskupplung des Fluid Transfer Interface eine neue Problemlösung für die

wiederholbare Verbindung von fluidführenden Leitungen darstellt, wurde diese von der Technischen

Universität Berlin erfolgreich zum Patent angemeldet.

Der zweite Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung von Konzepten für im Weltall

wartbare Antriebssysteme als Teil eines modularen iBOSS-Satelliten. Hierzu wurden verschiedene

Möglichkeiten zur Modularisierung von Satellitenantriebssystemen betrachtet. Auf Basis dessen

iii

wurden Anpassungen am Aufbau und Betrieb der Treibstoffverteilungssysteme für verschiedene

Satellitenantriebssysteme ausgearbeitet und diskutiert. Unabhängig davon wurden auch Konzepte

zum Einsatz des Fluid Transfer Interface beim Wiederbetanken klassischer Satelliten betrachtet. Hier

lag der Schwerpunkt auf der Anwendung des Fluid Transfer Interface in bereits erprobten Systemen

zum On-Orbit-Servicing und die damit verbundenen Anpassungen an Servicer und Client.

Das Projekt iBOSS (intelligentes Baukastenkonzept für das On-Orbit-Satelliten-Servicing) wurde

gefördert durch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrttechnik (DLR) (FKZ iBOSS-1: 50RA1005;

FKZ iBOSS-2: 50RA1200, FKZ iBOSS-3: 50RA1501).

Abstract

In addition to scientific applications, unmanned space flight is increasingly affect public life. Whether

for weather forecasting, navigation, telecommunications or, in the future, also for Internet

communication. Irrespective of the technical state of the satellite, there is one factor that limits its

service life: the amount of fuel available. In a low earth orbit (LEO), it is the ability to counteract a

lowering of the orbit caused by frictional losses induced by the residual atmosphere that limits the

lifetime of a satellite. In medium and geostationary orbit, it is the ability to control orbit and attitude.

In both cases, propellant-based propulsion systems are used. An exhausted fuel supply leads directly

to the loss of the above mentioned capabilities and thus to the termination of the satellite mission. By

replenishing fuel stocks in space, the life of a satellite can be extended at will, depending on its general

technical condition.

The content of the present work is a novel fuel transfer interface for the refuelling of spacecraft in

space. The basis for the development of the novel fuel transfer interface was a detailed research and

analysis of the state of the art in on-orbit servicing in general and the refuelling of spacecraft in space

in particular. The concept of an androgynous Fluid Transfer Interface (FTI) was successfully verified by

experimental investigations on various laboratory models of the Fluid Transfer Interface and a detailed

analysis of the results obtained. In addition to extensive mechanical function tests, the tests carried

out here included pressure and leakage tests with liquid and gaseous media up to a maximum pressure

of 100 bar.

The Fluid Transfer Interface was developed within the framework of the iBOSS project (intelligentes

Baukastenkonzept für das On-Orbit-Satellite Servicing) at the Chair of Space Technology at Technische

Universität Berlin. The content of iBOSS was the development of a novel satellite concept that can be

maintained in space. The core idea was to break down classical monolithic satellites into functional

modules. These cube-shaped functional modules (e.g. battery module, reaction wheel module, tank

module or thruster module) were to be connected to each other via detachable interfaces for data,

power and fuel transmission as well as for the transmission of mechanical and thermal loads to form

a satellite that could be disassembled in space. In case of repair or modernisation, only the affected

modules in the satellite (client) have to be exchanged by a maintenance satellite (servicer) for new

modules. For this purpose, the affected module is separated from the other modules in the client by

detaching the interfaces by means of the servicer and a new module is inserted in its place. Design

drivers for the new Fluid Transfer Interface are the boundary conditions established in the iBOSS

project.

Since the androgynous coupling of the Fluid Transfer Interface represents a new problem solution for

the repeatable connection of fluid-carrying lines, a patent application was successfully filed by

Technische Universität Berlin.

The second focus of the present work is the development of concepts for space maintainable

propulsion systems as part of a modular iBOSS satellite. For this purpose, different possibilities for the

modularisation of satellite propulsion systems were considered. On the basis of this adjustments to

the design and operation of fuel distribution systems for different satellite propulsion systems were

worked out and discussed. Independently of this, concepts for the use of the Fluid Transfer Interface

for refuelling classic satellites were also considered. Here, the focus was on the application of the Fluid

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