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Entwicklung eines Werkzeugs für Entwurf und Simulation

1. independently Density Provides the densities of various species pressure cluster Output independend of temperature containing pressure and temperature in densities the current implementation Exponential Calculates x result upper limit value lower limit 1 value Limiter minmax Limits a value to a given upper and lower value limited bound upper and value lower limit Log data Saves simulation data in spreadsheet data array readable format data names logfile name and path simulation counter Calculates the remainder of x y remainder 1 1 lt remainder lt 1 Shovv panel Opens the front panel of a specified VI panel switch panel name and path period example period 203 C Dokumentation der entwickelten VIs 204 D ECLSS Dokumentat on Auf den folgenden Seiten werden die als Beispiele vervvendeten VIs durch die von LabVIEW erzeugten Ausdrucke dokumentiert Die Dateinamen sind Example V1 VVater Vl 155 U5 VI 231 D ECLSS Dokumentation 232 D 1 Example Simulation VI D 1 Example Simulation VI nt I0 000E40 233 ECLSS Dokumentation D IA JOUPd 101002 Jelsey IA1011U02 UONENUIS 1911 9 puewaq 01 0 INS OCH YUEL r s 6y indino uoge JOVEN ASEM 234 D 2 Closed Water Loop Simulation VI D 2 Closed Water Loop Simulation VI Exhaust Ai ir 0 0000 0 VVaterl 15 0000
2. Power storage Power supply and energy Charging power power energy level Capacity adjustable storage unit returned power estimated mass power demand Heat dump element Simple model Regulator O Oxygen partial pressure air oxygen air oxygen Adjustable minimal regulator optimal and maximal partial pressures Sabatier Transforms CO to CH and H power H2O heat unit Sized for 5 people H O using additional H3 mass CO gt H povver SFVVE Static Feed Water Electrolysis water power oxygen hydrogen Sized for 4 people unit to generate oxygen from unit mass water water power Shunt Element for converting power power energy level power heat flow into heat electric energy dump activation level activation flag shunt rate counter Solar array For power generation solar flux angle of power generated Size adjustable cell incidence unit mass type and age selectable Tanks Various storage tanks for CH flow return flow outflow tank level Capacity and initial H H20 O solid demand empty mass level adjustable waste urine waste water TCC Trace Contaminant Control unit air power air unit mass Sized for 6 people to remove trace contaminants power from an air stream Vapor Compressed Distillation waste water power clean water brine Sized for 6 people unit to process waste water and heat unit mass waste water and urine waste water pow
3. Diplomarbeit IRS 97 S 05 Entwicklung eines Werkzeugs f r Entwurf und Simulation synergetisch vernetzter Subsysteme von Raumstationen cand aer Jan Osburg M S Institut f r Raumfahrtsysteme Universit t Stuttgart STUTTGART MAI 1997 Aufgabenstellung bersicht Zur Erweiterung des am nstitut f r Raumfahrtsysteme vorhandenen Programmpaketes Space Station Design Workshop auf dem Gebiet der Modellierung und Simulation ver kn pfter Systeme demonstriert am Beispiel des Lebenserhaltungssystems ECLSS wurde die Simulationsumgebung MELISSA entwickelt Die neue Software basiert auf dem kommerziellen Programm LabVIEW welches eine komfortable graphische Programmier sprache und Benutzeroberfl che zur Verf gung stellt M gliche Finsatzbereiche von MELISSA reichen vom Analysieren und Validieren neu er ECLSS Konzepte ber das Optimieren von Parametern existierender Systeme bis zur Untersuchung der Auswirkungen von Teilausfallen und Subsystemfehlern auf das Gesamt Lebenserhaltungssystem Zusatzliche Anwendungsgebiete ergeben sich aus dem Finsatz beim Training von ECLSS Entwicklern und Anwendern sowie im Bereich der universit ren Ausbildung als Lehrwerkzeug in Seminaren zum Systementwurf Als Nachvveis der vielseitigen Fahigkeiten von MELISSA wurde das ECLSS der Interna tionalen Raumstation modelliert und sein dynamisches Verhalten sowohl im Normalbe trieb als auch bei Subsystemausfall analysiert Auch im Rahm
4. Die verwendeten Werte sind in den Abbildungen des vorherigen Abschnittes dokumentiert Gegen ber der Aufstellung auf Seite 36 ergeben sich dadurch folgende Anderungen Kabine anf ngliche Luftzusammensetzung mit 20 287 Sauerstoff Sauerstofftank anf nglicher Tankinhalt 59 905 kg F kalien anf nglicher Tankinhalt 6 0526 kg Schmutzwassertank anf nglicher Tankinhalt 18 487 kg Wasserprozessor anf nglicher Tankinhalt 146 04 kg 4 3 1 Ausfall des Wasserfilters Bei einer Unterbrechung des Wasserkreislaufes durch Ausfall von dessen wichtigster Komponente des Wasserfilters MF kommt es nach 109550 s ca 30 5 h zum Ab bruch der Simulation aufgrund des leeren Trinkwassertanks Abbildung 4 12 zeigt den zeitlichen Verlauf der Trink und Schmutzwassertank Inhalte 39 Aus laufendem Betrieb 4 Beispielanwendung Internationale Raumstation 2 Waste Water Tank Levels kg 20000 40000 60000 80000 100000 120000 time s O2 Vol CO2 Vol 1 50000 100000 150000 200000 250000 300000 350000 time s Abbildung 4 13 Verlauf der Luftzusammensetzung bei ausgefallenen Molekularsieben 40 4 4 Diskussion der Ergebnisse 4 3 2 Ausfall der Molekularsiebe Ein Ausfall der Molekularsiebe wie er sich beispielsweise w hrend der Erstellung dieses Berichtes auf der russischen Raumstation Mir ereignete 19 f hrt bei dem modellier ten System nach 321680 s ca 89 h zum berschrei
5. nahmen wie Reparatur und zeitweilige Reduktion des 43 Luft Energie Tanks Endstand Wasserfilter Molekularsieb Totalausfall 4 Beispielanwendung Internationale Raumstation VVasserverbrauchs Gegebenenfalls kann auch der Urindestillator dazu verwendet wer den regeneriertes Wasser fiir Anwendungen mit geringeren Reinheitsanforderungen zu erzeugen Der Ausfall der Molekularsiebe fiihrt zu einem konstanten Anstieg des Kohlendioxyd gehalts in der Luft Nach ca 89 h ist der Grenzwert fiir dieses Gas erreicht Die Crew hat auch in diesem Fall noch ausreichend Zeit f r Gegenma nahmen wie Reparatur und Einsatz von Lithiumhydroxyd Kanistern Fiir den Fall des Versagens des gesamten ECLSS zeigt Abbildung 4 14 ein Ansteigen der Kohlendioxyd Konzentration bei gleichzeitigem Absinken des Sauerstoffgehaltes Letz teres f hrt auch zur ersten Grenzwertverletzung nach ca 65 h W rde dieser Zeitpunkt durch manuelle Zufuhr von Sauerstoff aus dem Tank hinausgez gert so ware kurze Zeit sp ter auch der Grenzwert f r den CO2 Gehalt berschritten aufgrund der erh hten Crewanzahl deutlich friiher als im vorhergehenden Fall Die Tankinhalte steigen bzw sinken entsprechend der natiirlichen Produktions oder Verbrauchsrate Allein der Inhalt des Sauerstofftanks bleibt aufgrund der Ausf lle von Elektrolyseger t und Sauerstoffre gulator konstant Selbst bei Totalausfall ausreichende Luftzirkulation vorausgesetzt hat die Crew d
6. rmestrom Ausg nge sind der verbleibende W rmestrom Diese Komponente ist als Radiator_s vi implementiert 3 2 3 Modellierung und Simulation Die folgende kurze Beschreibung der Vorgehensweise bei der Modellierung von Systemen mit MELISSA dient zum besseren Verst ndnis der gew hlten L sung Eine ausf hrliche Darstellung einschlie lich einer Schritt f r Schritt bearbeiteten Beispielaufgabe findet sich im MELISSA Benutzerhandbuch in Anhang E Das graphische Erstellen eines Systemmodells erfolgt in mehreren Schritten Zuerst wer den im Diagramm Fenster die im zu modellierenden Lebenserhaltungssystem verwende ten Baugruppen z B W rmetauscher Wasserfilter eingef gt Abbildung 3 6 zeigt die Momentaufnahme einer entstehenden Beispiel Simulation nach diesem Schritt Es handelt sich hier um die in Anhang C dokumentierte Example V Simulation Erkenn bar sind Module f r die Energie und Luftversorgung Tanks f r Trink und Schmutzwas ser die Crew ein W rmetauscher CHX und ein Wasserfilter Diese und alle anderen von MELISSA zur Verf gung gestellten Module wurden oben bereits beschrieben Die Ein und Ausg nge dieser Komponenten werden dann zur Definition der Stoff und Energiestr me mittels Kabeln wires verbunden worauf in Abschnitt 3 2 4 noch ge 25 Diagramm Wires Plaus b l tats kontrolle Front Panel Bedienung Auswertung 3 Vorstellung der MELISSA Simulationsumgebung Waste Wa
7. 12 Im Vordergrund steht bei diesem Produkt die Erfassung von Me daten und deren an sprechende Darstellung Zu diesem Zweck bietet die Software eine m chtige graphische Programmiersprache G sowie zugeh rige Ein und Ausgabe Elemente im Stil von dem Ingenieur vertrauten Me ger te Bedienelementen und Anzeigen Zus tzliche Funktio nen werden in umfangreichen Bibliotheken zur Verf gung gestellt Die graphische Pro grammierumgebung erm glicht dabei durch interne Compilierung eine Ausf hrungsge schwindigkeit die mit der von C Code erreichbaren verglichen werden kann Diese Bestandteile lassen sich f r eine graphische Simulationsumgebung verwenden je doch m ssen alle Elemente die die Simulation und das Lebenserhaltungssystem be treffen eigens programmiert werden Die Software stellt andererseits viele Hilfe und Dokumentationsfunktionen zur Verf gung Auch das modulare hierarchische Program mierkonzept ist von Vorteil Die gesamte Umgebung kann dazu in vielen Bereichen an den Benutzer angepa t werden Weitere Me werterfassungsprogramme mit graphischer Programmiersprache sollen hier aufgrund ihrer beschr nkten allgemeinen Verwendbarkeit siehe 30 nicht ber cksichtigt werden 2 2 1 4 Vorhandene ECLSS Simulationssoftware Neben den oben vorgestellten f r den allgemeinen Anwendungsfall entworfenen Pro grammen gibt es bereits ECLSS spezifische Software Hier sind die von der NASA MSFC entwickelte Software CASE A
8. Anhang C ab Seite 91 diente als Basis f r das zu entwerfende ECLSS Der in Abbildung 5 1 dargestellte Entwurf eines Teams zeigt exemplarisch wie durch Hinzuf gen einiger Luftversorgungs Module Kabinensimula tion Sauerstoffregulator Luftentfeuchter W rmetauscher Molekularsieb Spurengasfil ter der Luftkreislauf auf einfache Weise geschlossen werden konnte Zus tzlich wurde noch die Gesamtmasse des Systems berechnet Nach erfolgreicher Modellierung machten sich die Teams an die Bearbeitung der 51 mulationsaufgaben Gefordert war die Massenstr me im regul ren Betrieb zu ermit teln Au erdem sollte die Reaktion des ECLSS auf Ger teausf lle untersucht werden Als zus tzliche Hilfsmittel standen dazu detaillierte Handlungsanweisungen Kochre zepte zur Verf gung Diese Aufgaben konnten von den Teilnehmern ebenfalls ohne 45 Modellierung Simulation Beurteilung 5 Anwendung im Rahmen des Space Station Design Workshops 700 00 Power Storage S vi 00 00 Power Demand W kal Regulator O2 vi Vi 4BMS 4 vi Sr Ale home mr EE 7 rs nl A rs VVaste VVater Multifiltration 4 vi W w Multifiltration aste VVater Output kg s Water gt Waste Water out kg s 0 00 LS Tank H20 Si EL System mass kg Flow D k 40 00 O Flow Demand kg s Potable Water kg s 0 00 Simulation_Control vi Master Control Panel vi re Abbildung 5 1 ECLS
9. Initialisierungswerte der Komponenten an Diese und weitere Daten sind nachfolgend f r alle verwendeten Mo dule aufgef hrt um die Reproduzierbarkeit der Untersuchungen zu gew hrleisten Die Aufz hlung umfa t nur solche Parameter die an den Front Panels der einzelnen Ger ten vom Benutzer eingestellt werden k nnen Generelle Angaben ber die Modellierung der Ger te und zugrundeliegende Annahmen sind den Dokumentationsausdrucken der MELISSA Module in Anhang C ab S 91 zu entnehmen Ein Gro teil der Werte ist direkt der Literatur entnommen fehlende Angaben bedingen jedoch die Notwendigkeit von ei nigen Sch tzungen Die Aufz hlung folgt der Anordnung der Ger te in Abbildung 4 1 33 Wasserkreislauf Umsetzung Verfolgte GroBen Anfangswerte 8JSEM PIOS MS USPAXONOCHSISEMS PIOSHOULN Sle MS SSE ADIOUAS PE10 S OMOqS PSONPO EMO qS PESMN OOLNVOZHNZOONZONEN 13M ASEM MM 3115 4H JOMOd 4 Beispielanwendung Internationale Raumstation Modell des ISS Lebenserhaltungssystems US Teil MELISSA Abbildung 4 2 34 4 1 Aufbau des Simulationsmodells aste Levels kg Store Levels kg 62 0 0000 0 5000 42 0 0000E 0 zul 5 0000E 1 0 0000 0 Es Vent Active Power W Stored Energy J C Used 164963 122096 27 1 2000E 8 E Abbildung 4 3 Front Panel des MELISSA Modells mit Anfangswerten Abbildung 4 4 Anf ngliche Luftzusammen
10. Instrumenten beliebigen Typs Die Elemente m ssen alle Controls oder alle Indicators sein Connector Der Teil eines Vls der die Ein und Ausgabeschnittstellen bereitstellt Control Ein Front Panel Objekt mit dem man Daten eingeben oder angezeigte Daten ndern kann Diagramm Das wei e Fenster eines VIs in dem der Algorithmus des Programmes mit tels der von LabVIEW zur Verf gung gestellten graphischen Programmiersprache G eingegeben wird Draht Eine symbolische Datenverbindung zwischen einer Datenquelle und einer Daten senke ECLS Environmental Control and Life Support Lebenserhaltung ECLSS Environmental Control and Life Support System Lebenserhaltungssystem EDC Electrochemical Depolarized Concentration Methode zur COs Entfernung aus der Luft EPS Electrical Power Supply System Energieversorgungssystem Flow Siehe Flu 57 A Glossar und Abk rzungsverzeichnis Flu Ein Wert der eine nderung pro Zeit repr sentiert z B ein Massenflu in kg s oder Leistung Energie pro Zeit in W Front panel Das graue Fenster eines VIs in dem Instrumente als Schnittstellen zum Benutzer und zu anderen Programmen zur Verf gung stehen Function Ein eingebauter Befehl der meist eine einfache Berechnung oder Aktion aus f hrt z B plus dividiert durch Global variable Eine Variable auf die von allen im Speicher befindlichen VIs her zu gegriffen werden kann Sie werden
11. Zudem orientieren sie sich an den Bed rfnissen der Gro chemie so da keine ECLSS spezifischen Komponenten vorhanden sind 2 2 1 2 Mathematisch orientierte Software Aus dem Bereich der Regelungstechnik bietet die Kombination MATLAB Simulink 27 Anla zur n heren Betrachtung Ihr Hauptvorteil ist die durchgehend verwendete Zu standsraumdarstellung simulierter Systeme die eine zeitkontinuierliche Berechnung er m glicht Auch hier erleichtert eine graphische Oberfl che die Bedienung jedoch mu zur Erstellung benutzerdefinierter Module wieder auf den Textmodus zur ckgegriffen werden Durch das Zustandsraumkonzept bedingt m ssen s mtliche Systemgr en st ndig zur Verf gung stehen d h am Eingang jedes Bauteils mu der komplette Zustandsvektor vorliegen Dies macht die Modellierung komplexer Systeme fehleranf llig und umst nd lich zumal keine wirksamen Dokumentationsfunktionen zur Verf gung stehen Auch die graphische Darstellung des Systemmodells ist eher einfach gehalten und praktisch ohne Anpassungsm glichkeiten Simulink zielt wie MATLAB auf Anwender aus der Regelungstechnik und Mathematik so da ebenfalls keine EULSS spezifischen Komponenten vorhanden sind Detailgetreu Erfahrung n tig Zustandsraum MeBdatenerfassung Bibliotheken Unspezifisch ECLSS spezifisch 2 Grundlagen 2 2 1 3 Graphische Programmiersprachen Auf einen v llig anderen Anwenderkreis zielt das kommerzielle Programm LabVIEw
12. der Ausscheidungsrate von z B Urin und so fort Eing nge sind Luft Trinkwasser und Nahrung Ausg nge sind Schmutzwas ser Urin F kalien und W rme Der Einflu der Besatzung wird durch Verwendung des Crew_s vi ber cksichtigt Hauptschaltfeld Dieses bietet eine M glichkeit zum zentralisierten Ein und Ausschal ten aller Komponenten des Lebenserhaltungs und Energieversorgungssystems Es ist als Master_Control_Panel vi implementiert Kabine Die Gr e des druckbeaufschlagten Volumens beeinflu t auch die Funktion des Lebenserhaltungssystems Die Umw lzungsrate der Kabinenatmosph re spielt ebenfalls eine Rolle Die Modellierung erlaubt dieses Volumen sowie die anf ngli che Luftzusammensetzung vorzugeben Ein und Ausgang dieser Komponente ist ein Luftstrom Die Kabine ist als Cabin_s vi implementiert Radiator Zur W rmeabfuhr durch Abstrahlung werden Radiator Elemente einstellba rer Gr e verwendet Aufgrund der vereinfachten Modellierung h ngt der Wir kungsgrad des Prozesses im Gegensatz zu den wirklichen Verh ltnissen nicht von 24 3 2 Konkrete Umsetzung Simulationsumgebung MELISSA Multifiltration 4 vi fl x hil Li Water S vi gal alld ank 2 S vi Abbildung 3 6 Erster Schritt der Modellierung Einf gen der n tigen Module den thermodynamischen Zustandsgr en des K hlmediums oder den Bedingun gen an der Radiatoroberfl che ab sondern l t sich vorgeben Eingang ist ein W
13. noch die Verifikation von Modul und Programmfunktionalit t durch Vergleich der Ergebnisse von Simulationsrechnun gen mit tats chlichen Betriebsdaten von Mir oder ISS aus Dies ist jedoch erst nach Ver ffentlichung entsprechender Daten m glich Erweiterung des Simulationsumfangs e Abspeicherungs und Ladem glichkeit f r Simulationsparameter wie Luftzusam mensetzung Tankinhalte Initialisierungswerte e Integration des Thermalkontrollsystems e Einbeziehung von Kosten Zuverl ssigkeit Wartungsaspekten Lebensdauer Programmierung zus tzlicher Module e Nahrungsversorgung Lagertanks Produktionseinrichtungen Bahnregelung elektrisch Kaltgas H Oz Luftkreislauf EDC SAWD APC LiOH Bosch Superoxyde WVE e Wasserkreislauf TIMES VAPCAR Verdunster Umkehrosmose Verbesserung vorhandener Module e verst rkter Abfang von fehlerhaften Eingaben vor allem in den VIs der Hilfs Bibliotheken e anfangliche Initialisierung der Simulation nur bei Bedarf e Vent und Shunt mit Hysterese Vereinfachung der Datenspeicherung Log_Data vi z B durch Einsatz von globa len Variablen e Ubernahme von Bahndaten aus IRIS Ubernahme von Konfigurationsdaten aus GISSAD variabler Kabinendruck Leckagesimulation e druck und temperaturabh ngige Prozesse in den Modulen des Luftkreislaufs e temperaturabhangige Funktion des Radiator Moduls 51 6 Zusammenfassung K hleffekt des CHX Moduls Lufterw rmung durch
14. ver ndern Als Ausweg aus dieser Situation bietet sich an mehrfach verwendete Module verschieden zu benennen z B Tank H20 1 und Tank_H20_2 worauf LabVIEW dann die VIs als separate Programme behandelt und die oben geschilderte Problematik nicht mehr auftritt Eine weitere kleine Unstimmigkeit kann sich bei der Berechnung von Simulationszeit und datum ergeben wenn w hrend der Simulation die Simulationszeit die Grenze zwischen Winter und Sommerzeit oder umgekehrt berschreitet Die entsprechenden nderungen werden von den verwendeten LabVIEW Algorithmen automatisch durchgef hrt so da eventuell eine Stunde zuviel oder zuwenig angezeigt wird Hier beseitigt ein Vergleich der angezeigten Simulationszeit mit den gez hlten verstrichenen Sekunden seit Simulations anfang Anzeige Simulation Seconds im Time Control Panel eventuelle Unsicherheiten Au erdem kann im Rahmen von weiterf hrenden Arbeiten versucht werden die in Ab schnitt 3 2 4 angesprochenen erkl rungsbed rftigen Besonderheiten in ihrer Anzahl oder Tragweite zu reduzieren um die intuitive Bedienbarkeit von MELISSA zu erh hen 50 6 3 Ausblick 6 3 Ausblick Eine bersicht ber geplante oder gew nschte Erweiterungen und Verbesserungen von MELISSA schlie t den Hauptteil dieses Berichtes ab Diese bersicht bietet neben der obigen Aufstellung von verbesserungsbed rftigen Funktionen einen Ausblick auf m gliche weiterf hrende Arbeiten Zus tzlich steht
15. 2 143 Auswahl weiterf hrender Literatur Belaventsev Y et al A System for Oxygen Generation from Water Electrolysis Aboard MIR Proceedings of the 4th European Symposium on Space Environment Systems ESA SP 324 Oktober 1991 5 477 479 Doll Susan Tillotson Brian TRIALSS Tool for Rapid and Intelligent Advanced Life Support System Selection and Sizing Presented on the 22nd International Conference on Environmental Systems Seattle WA July 13 16 1992 SAE Technical Paper Series 921123 SAE International Warrendale PA 1992 Gustavino Stephen R et al Concepts for Advanced Waste Water Processing Systems SAE Technical Paper 941500 Presented on the 24th International Conference on Environmental Systems and 5th European Symposium on Space Environmental Control Systems Friedrichshafen Germany June 20 23 1994 SAE International Warrendale PA 1994 Hall John B Jr Thomas Carolyn C Alternate Environmental Control and Life Support Systems Technologies for Space Station Application SAE Technical Paper 941464 Presented on the 24th International Conference on Environmental Systems and 5th European Symposium on Space Environmental Control Systems Friedrichshafen Germany June 20 23 1994 SAE International Warrendale PA 1994 Hutchens Cindy F A Description and Comparison of US and Russian Urine Processing Hardware for the International Space Station SAE Technical Paper 941251 Presented on the 24th Int
16. 2 sowie deren ESA Pendant 3 zu erw hnen Beide Progamme bieten eine graphische Oberfl che f r die Systemmodellie rung sowie Bibliotheken mit Lebenserhaltungssystem spezifischen Komponenten Die zugrundeliegenden Komponenten werden mit Differentialgleichungssystemen beschrie ben Zur Erweiterung ist der Benutzer auf Texteingabe angewiesen CASE A benutzt dabei FORTRAN hnlichen Code Im Falle von ECOSIM mu der Benutzer auf C zur ck greifen Bei beiden Programmen ist aufgrund des speziellen Anwendungszwecks mit erheblichen Einarbeitungszeiten zu rechnen Weitere Nachteile der beschriebenen Pro gramme sind ihre begrenzte Portabilit t CASE A steht nur f r DEC VAX Maschinen zur Verf gung ECOSIM nur f r HP oder Sun Workstations Dar berhinaus schlie t auch der von der NASA festgesetzte Preis von US 12 000 f r internationale Lizenzen eine Verwendung von CASE A im nichtkommerziellen Bereich aus 10 2 3 Kurze Beschreibung des ausgew hlten Programms 2 2 2 Entscheidungskriterien Ein Vergleich der Vor und Nachteile aller oben vorgestellten Programme f hrt zu einer Entscheidung zugunsten von LabVIEW Folgende Uberlegungen tragen dazu bei e LabVIEW bietet eine umfassende und doch einfach zu benutzende graphische Pro grammierumgebung e Umfangreiche Funktionsbibliotheken erleichtern rasches und effizientes Program mieren ohne Beschr nkung auf ECLSS spezifische Fragestellungen e Erweiterungen sind a
17. Andrew Hrsg Concurrent Engineering Automation Tools and Techniques John Wiley amp Sons New York 1993 Schad Ryan C Don t Let Recycle Streams Stymie Your Simulations Chemical Engineering Progress Dezember 1994 S 68 ff Schuler Hans Hrsg Proze simulation VCH Weinheim 1995 Simulink User s Guide The MathWorks Inc Natick Mass M rz 1992 Unterlagen und Notizen zur Vorlesung Raumfahrtsysteme Institut f r Raumfahrtsysteme Universit t Stuttgart Sommersemester 1993 Sullivan L P Quality Function Deployment Quality Progress June 1986 5 39 ff Taylor Tony Data Acquisition One Step at a Time Physics World vol 8 no 10 Oktober 1995 S 49 53 Thimbleby Harold User Interface Design Addison Wesley London 1990 Utilisation of the International Space Station ESA Document No MSM 4785 22 Juni 1995 Wertz James R Larson Wiley Larson J Space Mission Analysis and Design Microcosm Inc Torrance CA 1992 Wieland P Designing for Human Presence in Space NASA Marshall Space Flight Center Web Ver ffentlichung 1996 http augusta msfc nasa gov ed61 papers rp1324 intro html Stand 06 April 1997 Wydeven Theodore A Survey of Some Regenerative Physico Chemical Life Support Technology NASA Technical Memorandum 101004 Ames Research Center Moffett Field CA November 1988 99 Literaturverzeichnis 56 36 37 38 39 140 141 4
18. Crew Ger te Sonneneinstrah lung e variable Verbrauchs und Produktionsraten der Crew abh ngig von Eingabe fl ssen Dichteberechnung abh ngig von Druck und Temperatur e selbst ndiges Abschalten von Ger ten bei fehlender Energie und Massenversor gung Zuerst sollte die Programmierung zus tzlicher Module in Angriff genommen werden um vergleichende Untersuchungen zu erm glichen Auch eine genauere Modellierung des Einflusses der Kabinenatmosph re w re w nschenswert Schlie lich w rde die Er weiterung der Datenspeicherungsfunktionalit t die Durchf hrung von Simulationen mit MELISSA vereinfachen 52 Literaturverzeichnis 1 Aspen Plus Information Aspen Technology Inc Cambridge Mass VVeb Ver ffentlichung 1 Mai 1996 http vrvrvr aspentec com products softvvare aspenplus aspenbro html CASE A Computer Aided System Engineering and Analysis NASA Marshall Space Flight Center VVeb Ver ffentlichung ohne Datum http cognac cosmic uga edu abstracts mfs 28573 html Stand 06 April 1997 Crutcher A Perez Vara R ECOSIM Environmental Control amp Life Support Simulation Dubbel Taschenbuch f r den Maschinenbau 17 Auflage Beitz VV Kiittner K H Hrsg Springer Verlag Berlin 1990 Eckart Peter Spaceflight Life Support and Biospherics Microcosm Press Torrance CA 1996 6 Fabig Joachim Bewertung von Konzepten zur regenerativen 10 Stoffwirtschaf
19. E 1 Clean 2 0000E 6 9 0027E 4 134 7222E 6 Pre CHX 0000E 0 4 8296E 5 8 6092E 4 Post Cre 6 7361E 6 Post CH 0000E 0 Solids 237 D ECLSS Dokumentation SISEM PIIOS MS Sem ASEM MM i Ber EZ S A 1 ISEM MM MM idil 00 0 JejeM gz 0 0 Das JOJeM Dy 19497 19e NA 00 000 15 1 0 BOZH s ylno 20 5 no BOZH 238 D 3 155 ECLSS Simulation VI D 3 155 ECLSS Simulation VI aste Levels ko Store Levels ka g 62 0 0000E 0 1 5000 2 0 0000E 0 5 0000E 1 0 0000E 0 Vent Active Power W Stored Energy J 122096 27 1 2000E 8 SE 241 D ECLSS Dokumentation SEM PIIOS MS UABAXONOZHNAISEMS PHOS UUM VOTE MSSE M ADJOUJs P910 S J9M0GS PSONPO1q JOMOGS PAS NOD LNSOZHZCOONZONSN aM SISEM AM 3115 4H 8 26y 5 J MOd 242 E MELISSA User Manual Nachfolgend ist das MELISSA Benutzerhandbuch eingef gt Aufgrund des internationa len Nutzerkreises von SSDW und MELISSA wurde es in englischer Sprache verfa t Das Handbuch gibt wichtige Hinweise f r Benutzer die eigene Simulationen oder Module erstellen wollen Auch einige im Hauptteil dieser Diplomarbeit angesprochenen Punkte z B zu den Besonderheiten der Simulationsumgebung werden vertieft dargestellt Damit das Handbuch bei Bedarf direkt aus diesem Anhang kopiert und eigenst n
20. EW heraus stattfinden da der kompilierte Code nicht unabh ngig lauff hig ist Die dazu notwendigen Befehle werden als Schaltfl chen im LabVIEW Toolbar zur Verf gung gestellt siehe nebenstehende Abbildung Dies f hrt zu erh hten Systeman 20 forderungen f r MELISSA da eine vollst ndige LabVIEW Installation vorhanden sein mu Auf der anderen Seite hat der Benutzer dadurch immer die volle Leistungsf higkeit des Basisprogrammes zur Verf gung File Edit Operate 2 3 5 Zus tzliche Funktionen LabVIEW stellt einige Funktionen zur Verfiigung die zum Programmieren nicht unmittel bar notwendig sind die jedoch dazu beitragen da LabVIEW die Anforderungen gem Abschnitt 2 1 1 erf llt Wenn ein Programm aufgrund falschen Codes nicht ausgef hrt werden kann wird im Toolbar statt des Run Schalters ein Fehlersymbol gezeigt das nach Anwahl ei ne Liste mit allen von LabVIEW gefunden Fehlern anzeigt Auf Code der zwar die Ausf hrung des Programmes nicht unm glich macht jedoch trotzdem Fehler enthalten k nnte wird durch ein Warnsymbol amp auf gleiche Weise aufmerksam gemacht Ein zus tzlicher Schalter steht zum Aufsp ren von Laufzeitfehlern zur Verf gung Wenn dieser gedr ckt ist wird das zugeh rige VI im Zeitlupentempo ausgef hrt wobei alle Zwischenergebnisse auf dem Bildschirm angezeigt werden und der Datenflu in den Dr hten graphisch dargestellt wird Diese Funktionen helfen beim Erstellen korre
21. IEW space station design systems design International Space Station Vorwort The Earth is just too small and fragile a basket for the human race to keep all its eggs in Robert A Heinlein 21 Diese Diplomarbeit entstand in einer Zeit in der die mittel und langfristigen Anwen dungsaussichten des behandelten Themas Lebenserhaltungssysteme nicht sicher be urteilt werden k nnen Auf der einen Seite mu die bemannte Raumfahrt wie jeder haupts chlich von staatlichen Organisationen getragene Bereich der Gro forschung in Europa aufgrund der gesamtwirtschaftlichen Lage weiterhin mit knappen Mitteln le ben Andererseits bieten sich gerade in den n chsten Jahren durch die Indienststellung der Internationalen Raumstation nie zuvor dagewesene M glichkeiten um Technologien und Abl ufe f r eine dauerhafte Pr senz der Menschheit im All zu entwickeln Die Notwendigkeit dieser Pr senz wurde bereits an anderer Stelle 23 5 22 28 berzeugend begr ndet ebenso wie die Vorteile einer europ ische Beteiligung an der Internationalen Raumstation 7 Die vorliegende Arbeit besch ftigt sich daher mit der eher pragmatischen Fragestellung wie die Entwurfsarbeit des Systemingenieurs im f r bemannte Raumfahrtprojekte zentralen Bereich des Lebenserhaltungssystems sowie bei hnlich strukturierten Entwurfsaufgaben unterst tzt werden kann Dazu wurde nach eingehenden Voruntersuchungen als konkreter L sungsansatz das Simulation
22. Interaktiv Modular Weiterverarbeitung Dokumentation Kontext Hilfe graphische Ausgabe Datentransfer SSDW Anpassung Methodik Verwendung vorh SW erweiterbar flex Beschreibungstiefe Multiplattformfahig Parallelverarbeitung Verfolgung von Fl ssen Plausibilitatskontrolle Forderungen Ergonomie Effizienz Transparenz SSDW Einbindung Lehreinsatz Abbildung 2 1 Die ausgef llte House of Quality Matrix 2 Assoziatives Finden von umsetzbaren Programmeigenschaften die diese Forderun gen unterstutzen 3 Ordnen dieser Eigenschaften nach Oberbegriffen in der Umsetzung Zeile 4 Dokumentieren des Zusammenhanges zwischen Kundenforderungen und Umset zungsaspekten in der Matrix 5 Gegebenenfalls Entfernen von Umsetzungsaspekten die sich nach dem vorange gangenen Schritt als nicht relevant erweisen d h keine Zusammenhangssymbole in ihrer Spalte haben 6 Gegebenenfalls Hinzuf gen weiterer Aspekte welche die Umsetzung von zuvor unterreprasentierten Kundenforderungen sicherstellen Durch diese Vorgehensweise wird gew hrleistet da den allgemein gehaltenen Kun denforderungen direkt umsetzbare und objektiv berpr fbare Entwurfsvorgaben ge gen berstehen Abbildung 2 1 zeigt die fertig ausgef llte Matrix f r den im Rahmen dieser Diplomarbeit durchgef hrten Entwurfsproze Im abschlie enden Kapitel 6 wird basierend auf der hier erzeugten Matrix untersuc
23. Iteration durch Verwendung einer linearen Approximation Dadurch wird zwar erhebliche Rechenzeit eingespart jedoch ist der dabei verwendete lineare Faktor f r normale Luftzusammensetzungen mengen und dr cke optimiert Es kann also vorkommen da der Sauerstoffgehalt des austretenden Luftstromes trotz vorhandener Sauerstoffversorgung niedriger als der vorgegebene Wert ist Dieses Fehlverhalten kann durch weitere Optimierung der Approximation verringert oder durch Verwendung des Iterationsalgorithmus auf Kosten der Ausf hrungsgeschwindigkeit verhindert werden Einige Schwierigkeiten werden direkt durch die Verwendung von LabVIEW verursacht So mu sorgf ltig darauf geachtet werden Unterprogramme mit lokaler Datenspeiche rung pro Diagramm nur einmal einzusetzen Dies trifft z B auf die diversen Tanks oder das Energiespeicher Modul zu Das Problem r hrt daher da LabVIEW jedes Unterpro gramm samt dazugeh rigen lokalen Variablen und Front Panel Werten nur einmal im Speicher h lt auch wenn es mehrfach in einem Diagramm vorkommt Falls der Benutzer etwa ein System mit zwei Wassertanks simulieren m chte und da her einfach das Tank_H20 Symbol zweimal auf das Diagramm zieht w rde LabVIEw trotzdem nur einen Satz lokale Variablen f r den Tankinhalt etc anlegen Das Entneh men von Wasser aus einem Tank w rde sich also genauso im anderen niederschlagen und die nderung der Tankkapazit t des einen w rde auch den anderen Tank
24. Nach der Modellierung die im n chsten Abschnitt beschrieben ist werden die Ergeb nisse von Untersuchungen zum Betriebsverhalten unter Normalbedingungen sowie bei Ausfall einzelner Teilsysteme pr sentiert Solche Simulationen sind zur Qualifikation ei nes ECLSS Konzeptes notwendig und dienen zum Nachweis spezifikationsgem en Sub systemverhaltens Die Ausfalluntersuchungen sind nach den j ngsten Schwierigkeiten an Bord der russischen Raumstation Mir Ausfall des Sauerstoffgenerators 18 und des CO2 Filters 1191 von zus tzlichem Interesse Die Ergebnisse der Simulationsl ufe wer den in den Abschnitten 4 2 und 4 3 dokumentiert und in Abschnitt 4 4 diskutiert 4 1 Aufbau des Simulationsmodells Abbildung 4 1 zeigt ein bersichtsbild des zu modellierenden ECLSS welches auf den in den oben angegebenen Quellen enthaltenen Informationen basiert Die Bestandteile des Lebenserhaltungssystems sind in der gezeigten Endausbaustufe auf mehrere Module der Raumstation verteilt Die Sauerstoff und Stickstofftanks sind aus Platz und Sicherheitsgr nden au en an der Luftschleuse angeordnet Die Hauptmodule f r Labor Lab und Wohnen Hab verf gen jeweils ber einen eigenen Luftkreislauf der jedoch ber das freie Kabinenvolumen mit den anderen Modulen in Verbindung 31 ISS Luftkreislauf GE TSL SN uoryegsumeyg s p SSTOA TT sunpriqqy Airlock LAB CHX M CH
25. S Entwurf eines SSDW Teams gr ere Schwierigkeiten gel st werden jedoch war aufgrund der kurzen Einarbeitungs zeit st ndige Betreuerpr senz unabdingbar 5 2 Gewonnene Erfahrungen Der erfolgreiche erste Einsatz von MELISSA in der Lehre best tigte die Verwendbar keit des gew hlten Ansatzes f r Modellierung und Simulation Die vorhandenen er kl rungsbed rftigen Abweichungen von der verwendeten Analogie wie sie in Kapitel 2 beschrieben und erl utert werden stellten nach entsprechenden Hinweisen und kurzer Einarbeitung kein Hindernis f r den Umgang der Teilnehmer mit dem Programm dar Auch die gew hlte Form der Benutzerschnittstelle mit Me instrumenten und Anzeigen wurde von den Teilnehmer positiv beurteilt Durch den hohen Interaktionsgrad und die dynamische Simulation konnte dar ber hinaus auf eine die Benutzer motivierende Art ein vertieftes Verst ndnis f r die Bestandteile und Zusammenh nge eines Lebenserhal tungssystems herbeigef hrt werden Seitens der Teilnehmer kam der Wunsch auf durch zus tzlich zur Verf gung gestellte Module des Lebenserhaltungssystems die M glichkeiten des Designers beim Entwurf zu erweitern Im folgenden abschlie enden Kapitel wird darauf n her eingegangen werden 46 6 Zusammenfassung 0 1 L sungsansatz und Entwicklungsstand Zum Vorentwurf von Raumstationen ist neben VVerkzeugen f r Geometrie und Konfi gurationsdefinition wie sie z B von den bisherigen Elementen des Space S
26. SSA den Teilnehmern des Space Station De sign Workshops zur Verfiigung gestellt um die ECLS Subsysteme der im Rahmen dieser Veranstaltung entworfenen Raumstationen zu simulieren Schlie lich werden im letzten Textkapitel die wichtigsten Punkte noch einmal zusam mengefa t und diskutiert sowie ein Ausblick auf weiterf hrende Arbeiten gegeben Ein ausf hrliches Literaturverzeichnis schlie t den Hauptteil dieses Berichtes ab Im Anhang sind neben einem Begriffsverzeichnis zun chst die vollst ndigen Ergebnis se der Simulationen zu Kapitel 4 enthalten Danach werden alle Bestandteile von MELISSA sowie die modellierten Beispiel Lebenserhaltungssysteme durch ihre kommen tierten Quellcodeausdrucke umfassend dokumentiert Die ebenfalls im Rahmen dieser Diplomarbeit verfa ten englischsprachigen Unterlagen zur Simulationsumgebung ein Benutzerhandbuch und eine Kurzreferenz schlie en diesen Bericht ab 2 Grundlagen Die zielgerichtete und effiziente Implementierung der Entwurfs und Simulationsumge bung erfordert eine detaillierte Kenntnis der spezifischen Anforderungen die der potenti elle Benutzer an das VVerkzeug stellt Dadurch werden zugleich die Kriterien formuliert welche die Auswahl des der Umgebung zugrundeliegenden Basisprogramms bestimmen In den folgenden Abschnitten werden diese Anforderungen sowie der Auswahlproze dokumentiert und das gewahlte Basiswerkzeug vorgestellt 2 1 Anforderungen an die Entwurfs und Simulations
27. Water 10 0000E 0 Urinel xyqeri 1 00002 2 Solid Active 6000 50007 4000 3000 20002 Produced 1 4163E 8 1000 Shunt Active 0 Abbildung 4 9 Front Panel mit Tankinhalten nach 138 Tagen 4 2 Langzeitsimulation Die oben beschriebenen Einstellungen sind Grundlage der durchgefiihrten Langzeitsimu lation des ECLSS der Internationalen Raumstation Alle vorhandenen Module bleiben dabei angeschaltet und arbeiten mit normaler Kapazitat Die anfanglichen Verl ufe der Luftzusammensetzung des Energieverbrauchs sowie der Tankinhalte sind in den Abbil dungen 4 5 4 6 4 7 und 4 8 dargestellt Nach ca 138 Tagen kommt es durch Uberlauf des F kalientanks der seine maximale Kapazit t von 100 kg erreicht hat zum Abbruch der Simulation Durch regelm iges Leeren des Tanks wie in den Betriebsplanen der ISS vorgesehen l t sich dieser Abbruch nat rlich vermeiden und die Simulation somit weiter fortsetzen Die Tankinhalte zu diesem Zeitpunkt sind auf dem Front Panel in Abbildung 4 9 zu erkennen wahrend Abbildung 4 10 die entsprechende Luftzusammen setzung zeigt 4 3 Ausfalluntersuchungen Neben der Analyse des Langzeitverhaltens des Lebenserhaltungssystems unter Normal bedingungen geh rt auch die Untersuchung der Auswirkungen von Ger teausf llen zum Umfang der Qualifikation eines ECLSS Ein Ger teausfall kann im Rahmen der MELISSA Simulation durch Abschalten des entsprechenden Moduls mittels des in A
28. X L International Space Station US Life Support System Simplified Final Configuration HAB Air Ana lyzer 2 Remover TCC Oxygen Generator Solid Waste Urine Processor Water Processor CHX L Air Ana lyzer 2 TCC UOI CISUINEU Sunpuomuerrdsriog fF 4 1 Aufbau des Simulationsmodells steht In diesem Kabinenkreislauf werden die Luftfeuchtigkeit der CO2 Gehalt und der Spurengasanteil geregelt Im Wohnmodul befindet sich auch ein Sauerstoffgenerator der nach dem Elektrolyseprinzip SF WE arbeitet Ein Rack des Labormoduls bietet Platz f r einen Kondenswasserbeh lter der leicht ver schmutztes Wasser wie z B aus der Luftentfeuchtung bis zur Weiterverarbeitung im Wasserfilter Multifiltration zwischenlagern kann Dieses befindet sich ebenso wie ein Urin Destillator Vapor Compressed Distillation VCD und eine Toilette mit angeschlos senem F kalienbeh lter im Wohnmodul Der Trinkwasservorrat kann gegebenenfalls durch Ubernahme von Wasser das in den Brennstoffzellen des Space Shuttle produziert wird erganzt werden Aufgrund des konservativ ausgelegten Systems ist nur der Wasserkreislauf als weitgehend geschlossen anzusehen Das aus der Luft entfernte Kohlendioxyd wird ge
29. air stream pressures Custom control indicator for power Simulation control Provides various functions for convenient continue Opens automatically when simulation pause stop initialize call counter flag called auxiliary panels time control log data air paths analyzer master control names Species accounting Provides mass accounting for air species flow return outflux Not needed for simulation initial spe available level programming cies mass species circulation mass demand Base module for the various tanks of the tank type empty Not needed for simulation ECLS modules library flow return mass level level programming capacity flow out initial level overflow flow demand EE control variables Time control Interface for simulation time and time step Not needed for simulation control level programming is called by the Simulation control VI species in an air stream fractions Volume flow Calculates the individual and total air flow rates volumetric flow rates of the species in an air stream 155 C Dokumentation der entwickelten VIs 156 C 3 C 3 Auxiliary Library Auxiliary Library Module Name Outputs Averaging Calculates the average of the last N values input value average of an input N Deg_Rad Converts degrees to radians and vice angle in rad Can convert in both directions versa deg or rad or deg simultaneously and
30. alen Raumstation modelliert und sowohl unter Normalbedingungen als 47 Aufgabenstellung L sungsansatz Beispiel anwendungen Quantifizierung Auswertung Ergebnis Speichermodule 6 Zusammenfassung auch bei Ausfall von Ger ten untersucht Ferner wurde MELISSA w hrend eines Work shops f r Raumstationsentwurf im Rahmen der Lehre eingesetzt In der derzeitigen Version erf llt MELISSA im wesentlichen die Anforderungen der Auf gabenstellung Zur Quantifizierung dieser Aussage und zur Identifizierung von Schwer punkten f r die zuk nftige Weiterentwicklung wird die in Kapitel 2 hergeleitete House of Quality Matrix verwendet Abbildung 6 1 In der untersten Tabellenzeile ist bewertet inwieweit MELISSA nach den gemachten Anwendungserfahrungen die unter Umsetzung angegebenen Anforderungen erf llt Dabei wird folgendes Schema verwendet e erf llt Anforderung in besonderem Ma e 5 Punkte erf llt Anforderung v 4 Punkte e erf llt Anforderung nur teilvveise 2 Punkte erf llt Anforderung nicht 0 Punkte Mit Hilfe der Matrix kann f r jede der f nf Kundenforderungen ermittelt werden in wieweit MELISSA diese befriedigt Dazu wird zun chst f r jede Zelle der Matrix der in der zugeh rigen Spalte vergebene Bewertungs Punktwert mit einem den Zusammen hang wiedergebenden Faktor multipliziert Ein starker Zusammenhang geht dabei mit dem Faktor 5 ein ein schwacher Zusa
31. alette ist in Abbildung 2 3 dargestellt Ein Beispiel f r ein Front Panel mit Instrumenten ist in Abbildung 2 5 gegeben Front Panels werden im Rahmen von MELISSA zur Steuerung von Simulationsl ufen und von Modulen des modellierten Systems verwendet ferner zur Anzeige von Zwischen und Endergebnissen Das folgende Kapitel geht darauf noch n her ein Auch das LabVIEw Handbuch 12 sowie das zugeh rige Tutorial und die Online Hilfe stellen weitere Infor mationen ber die hier angesprochenen Grundfunktionen der Benutzerschnittstelle zur Verf gung 2 3 3 Graphisches Programmieren im Diagramm Die Berechnungen und sonstigen Aktionen die ein Unter Programm ausf hrt werden in dessen Diagrammfenster festgelegt Wie schon auf dem Front Panel f hrt die graphi sche Natur von LabVIEW auch hier zu einer entsprechenden Vorgehensweise Operato ren wie Strukturen wie While Schleifen und auch zus tzliche Unterprogramme und Module werden als Symbole icons eingef gt und durch Dr hte wires verbun den um den Datenflu festzulegen Dadurch werden zeichenbasierte Befehlssequenzen z B a b c wie sie aus anderen Programmiersprachen bekannt sind berfl ssig Abbildung 2 6 zeigt wie ein einfaches Beispielprogramm das zwei Zahlen addiert in LabVIEW aussehen k nnte 12 2 3 Kurze Beschreibung des ausgew hlten Programms Abbildung 2 2 LabVIEW Tools Palette Functions _ At Controls Hum
32. angepa ten Entwurfs und Simulationswerkzeugs erforder lich 1 1 Entwurf und Simulation Der erfolgreiche Entwurf resultiert in der Definition eines Systems das eine vorgege bene Aufgabe erf llt Bei der Entwicklung von Raumfahrtsystemen f hren jedoch die Komplexit t des Themas und vielf ltige Interaktionen zwischen Unterbereichen wie sie z B in 17 oder 33 dargestellt sind w hrend dieses Prozesses oft zum Verlust der Anschaulichkeit die eine Voraussetzung f r effizientes ingenieurm iges Entwerfen ist 1 Einleitung 100 offenes Lebenserhaltungssystem _ Typ APOLLO Nachschubbedari 9 5 kg Asironautentag _ F Abvvasser R ckgevvinnung 80 Regenerative l 60 Verarbeitung der Abf lle zu Nahrung 2 g 40 Regenerative Geruchstilgung 9 RE a 0 q 0009007700 Eliminierung allen Bedarfs 3 m 20 FT kosystem 0 Abbildung 1 1 Logistikbedarf verschiedener ECLS Konzepte aus 17 Abhilfe schafft hier neben der Unterteilung der Entwurfsarbeit in berschaubare Teilauf gaben besonders die Verwendung von Simulationen zur Analyse des Systemverhaltens Simulationen erlauben dem Entwurfsingenieur dar ber hinaus durch direkten teilwei se nur von der Intuition geleiteten Umgang mit dem modellierten System vertiefte Einblicke in dessen dynamisches Verhalten zu gewinnen und so die Konvergenzrate des Entwurfsprozesses zu erh hen Hier erkennt man auc
33. ationsger t weiterverarbeitet so da der Urintank leer bleibt Der F kalientank f llt sich entsprechend der nat rlichen Rate In Abbildung 4 8 ist zu sehen da die Elektrolyseeinheit SFWE mehr Sauerstoff als n tig erzeugt denn selbst nach dem Einschalten des Sauerstoffregulators nimmt der Sau erstofftankinhalt noch leicht zu Dies wird durch die Annahme einer konstanten Pro duktionsrate im Modell des SFWE Moduls verursacht Der Frischwasservorrat nimmt hingegen langsam ab da f r die Elektrolyse mehr Wasser als n tig entnommen wird und das Wasserfilter wie erw hnt nicht alles anfallende Schmutzwasser verarbeiten kann Die Abbildungen 4 9 und 4 10 zeigen da der Inhalt aller Tanks bis auf den Frischwas sertank w hrend der simulierten 138 Tage zunimmt w hrend sich die Luftzusammenset zung auf den oben erw hnten stabilen Werten einpendelt Die Zunahme an Gesamtmasse ist darauf zur ckzuf hren da die Nahrung f r die Crew nicht mitbilanziert wurde 4 4 2 Ausfalluntersuchungen Ohne Wiederverwendung des verschmutzten Wassers ist in Abbildung 4 12 eine rasche Entleerung des Trinkwassertanks sichtbar Gleichzeitig f llt sich der Schmutzwasser tank wobei durch das automatische berbordlassen von Schmutzwasser venting der H chststand von 80 kg nicht berschritten wird Die Untersuchung zeigt da das Was serfilter ein kritisches Element des Raumstations ECLSS ist Jedoch bleibt bei Aus fall gen gend Zeit f r Gegenma
34. atzes f hrte zur Erstellung der Entwurfs und Simulationsumgebung MELISSA In diesem Abschnitt werden Einzelhei ten der Implementierung beschrieben und die programmierten Komponenten vorgestellt Auch auf die Erstellung und Durchf hrung von Simulationen mit MELISSA sowie dabei auftretende Besonderheiten wird eingegangen 3 2 1 Implementierung Die Modellierung der Komponenten st tzt sich haupts chlich auf das Werk 151 jedoch entstammen einige Daten auch sonstigen B chern 17 33 28 11 4 sowie ver schiedenen Forschungsberichten 61 1131 35 Die meisten Komponenten des ECLSS oder EPS sind als konkrete Ger te bestimmter Gr e oder Kapazit t implementiert Die Crewanzahl f r die diese ausgelegt sind ist an der Zahl im VI Namen erkennbar z B ist das VCD_6 vi Modul f r sechs Personen ausgelegt Einige Module sind jedoch auch skalierbar erkennbar an einem angeh ngten S z B Tank H20 s oder besitzen eine unbeschr nkte Kapazit t angeh ngtes X z B x Die physikalisch notwendigen Ein und Ausg nge sind als Front Panel Instrumente vor handen Dar ber hinaus kann der Benutzer am Front Panel gegebenenfalls zus tzliche Parameter wie Wirkungsgrade oder Verarbeitungskapazit ten angeben Die berwiegen de Anzahl der VIs hat einen zus tzlichen Ausgang f r die Ger temasse damit die Ge samtmasse eines Systems leicht ermittelt werden kann wie z B bei dem in Abbildung 5 1 in Kapitel 5
35. bbildung 4 11 gezeigten Hauptschaltfeldes herbeigef hrt werden 38 4 3 Ausfalluntersuchungen Air Analyzer Volume flows Volumetric fractions Partial pressures Air in N2 in kg s TC in kg s 2 m3 s N2 Vol ppNe Pa 9 875E 3 1 ne 7 900E 3 78 558E 0 79 580E 3 Sen ka 2 m3 s 02 Vol ppO2 Pa v 2 919E 9 2 040E 3 20 285 0 D0 549E 3 CO2 in kg s pin IPal 2162 348 6 101 300E 3 O2 m3 s CO2 Vol ppCO2 Pa 2 in kg s T in K 26 479E 6 1263 305 3 1266 728 0 134739 6 1293 5 u a H2Og m3 s H20g Vol ppH20g Pa 9 826E 6 1893 238E 3 1904 850E 0 Total mass flow kg s Total volume flow m3 s TC m3 s TC Vol ppTC Pal 112 977E 3 110 056E 3 27 780E 9 276 252E 6 1279 843E 3 Abbildung 4 10 Luftzusammensetzung nach 138 Tagen Die jeweils wichtigsten Ger te des Wasser bzw Luftkreislaufes sind das Wasserfilter bzw die Molekularsiebe zur Kohlendioxydentfernung Ferner ist im ung nstigsten Fall ein Totalausfall des ECLSS m glich Aus diesem Grunde sind hier die Ergebnisse von entsprechenden Simulationsl ufen wiedergegeben Die zugrundeliegenden Simulationsrechnungen gehen von Anfangswerten f r die F ll st nde der Tanks und f r die Luftzusammensetzung aus wie sie von einem normal ar beitenden System nach der Anlaufphase ca nach 8 Tagen erreicht werden Dies kommt den Bedingungen bei einem Ausfall w hrend des laufenden Betriebes am n chsten
36. bleme MELISSA House of Quality SSDVV Zusammenhang Benutzerschnittstelle Schnittstelle Interne Funktionen stark schwach X Bewertung gt bes erf llt y erf llt r teilw erf llt nicht erf llt Umsetzung Intuitive Bedienung Interaktiv Modular Weiterverarbeitung Dokumentation Kontext Hilfe graphische Ausgabe Datentransfer SSDW Anpassung Methodik Verwendung vorh SW erweiterbar flex Beschreibungstiefe Multiplattformf hig Parallelverarbeitung Verfolgung von Fl ssen Plausibilit tskontrolle Forderungen Ergonomie Effizienz Transparenz SSDW Einbindung Lehreinsatz Bowers z Abbildung 6 1 Die House of Quality Matrix mit den Bewertungen Ergonomie 100906 q Trans x Lehr einsatz Einbindung Abbildung 6 2 Erf llung der Kundenforderungen durch MELISSA 49 Sauerstoffregulator LabVIEW Mehrfach Vls Zeit Besonderherten 6 Zusammenfassung bis auf die Restmenge leerem Tank den Simulations Zeitschritt time step andert Hier kann gegebenenfalls eine Modifikation der Speicherlogik Abhilfe schaffen Fin vveiteres kritisches Element ist der Sauerstoffregulator Der verwendete Algorith mus umgeht bei der Berechnung der Sauerstoffmenge die zum Erreichen des vorgegebe nen Os Partialdruckes dem Luftstrom zugef gt werden mu eine eigentlich notwendige numerische
37. bung MELISSA 3 2 4 2 Serielles Verbinden von Modulen Von der Problematik des Informationsflusses ist auch ein weiteres erklarungsbediirftiges Modellierungsprinzip abgeleitet Mehrere Ger te die vom gleichen Tank versorgt wer den m ssen seriell an diesen angeschlossen werden Auch hier soll ein Beispiel zur Verdeutlichung dienen Normalerweise werden mehrere Ger te die aus einer Leitung versorgt werden mittels eines T St cks oder eines hnlichen Elementes parallel ange schlossen Abbildung 3 12 Dies setzt jedoch wieder einen stromaufw rts gerichteten Informationsflu voraus damit die gemeinsam ben tigte Menge aus dem Tank str men kann und sich der Massenstrom dann am T St ck entsprechend dem Bedarf aufteilt In MELISSA l t sich dies wegen des von LabVIEW vorgegebenen unidirektionalen In formationsflusses wiederum nicht bernehmen so da nur eine serielle Schaltung wie in Abbildung 3 13 in Frage kommt Hier erh lt der zweite Verbraucher den vom ersten briggelassenen Massestrom entnimmt daraus den von ihm ben tigten Anteil und leitet den Rest wieder gem dem oben eingef hrten Recycling Konzept an den Tank zur ck 3 2 4 3 R ckf hren der bersch ssigen Massenstr me Beim R ckf hren von bersch ssigen Massenstr men mu ber cksichtigt werden da kein LabVIEW Diagrammelement ob einfacher Operator oder komplexe Sub VI Ein g nge haben darf die ihren Ursprung vom Datenflu her betrachtet stro
38. chnische Software Da die behandelte Thematik Lebenserhaltungssysteme sich hauptsachlich mit che misch physikalischen Prozessen befaBt liegt es nahe auch Programmpakete aus dem Bereich der Proze simulation auf ihre Eignung hin zu untersuchen N her betrachtet werden sollen hier die kommerzielle Software AspenPlus 1 der amerikanischen Firma Aspen Technologies sowie der an der Universit t Stuttgart entwickelte Proze simulator Diva 26 Beide Programme zeichnen sich durch detailgetreue Modellierung chemischer und physi kalischer Prozesse aus wobei zur L sung der entstehenden Differentialgleichungssysteme Methoden der numerischen Mathematik eingesetzt werden Jedoch ist auch eine entspre chend genaue Detailkenntnis der Prozesse in zu modellierenden Modulen notwendig die normalerweise im fr hen Stadium des Systementwurfs oder bei noch nicht fertigent wickelten Unterbaugruppen nicht vorhanden ist Dar ber hinaus ben tigt ein Benutzer zur erfolgreichen Definition eigener Modelle erhebliche Erfahrung 14 AspenPlus liefert au erdem nur station re L sungen eine dynamische Simulation ist erst mit weiterer Software Erweiterungsprogramm Speedup m glich Die Programme bieten eine graphische Benutzeroberfl che die sich aber auf Netzwer keditoren zur Systemerstellung beschr nkt ansonsten ist die Benutzerschnittstelle tex torientiert Zur Steuerung und Erweiterung bedienen sich beide der Sprache FORT RAN 14
39. dargestellten Modell Bei skalierbaren Modulen wird die Ger temasse in tern entsprechend berechnet 18 3 2 Konkrete Umsetzung Simulationsumgebung MELISSA Condensing Heat Exchanger of arbitrary size Air in N2 in kg s TC in kg s N2 out kg s TC out kg s 0 000E 0 v 0 000E 0 0 000E 0 0 000E 0 O2 in kg s O2 out kg s 0 000E 0 0 000E 0 CO2 in kg s p in Pa CO2 out kg s p out Pa 0 000E 0 10 000E 0 0 000E 0 0 000E 0 H20g in kg s Tin K H20g out kg s T out K 0 000E 0 0 000E 0 1 0 00 Efficiency VVater out kg s Heat out W 7195 0 000E 0 0 00 Abbildung 3 1 Condensing Heat Exchanger Front Panel Als Beispiel f r eine einfache Implementierung dient der Luftentfeuchter W rmetauscher Condensing Heat Exchanger CHX dessen Front Panel und Diagramm in Abbildung 3 1 bzw 3 2 dargestellt sind Die Ein und Ausg nge dieses VIs sind ein Luftstrom sowie Kondenswasser und W rme Zus tzlich kann auf dem Front Panel noch der Wirkungs grad des Ger ts eingestellt sowie dieses an oder ausgeschaltet werden Im Diagramm ist sichtbar da sich der Wasserdampfanteil des Luftstromes entspre chend dem gew hlten Wirkungsgrad reduziert und proportional Kondensationsw rme frei wird Die Schaltlogik im unteren Teil des Diagrammes befindet sich in dieser Form in jedem schaltbaren VI Sie sorgt f r korrektes Verhalten der An und Ausschalter auf dem Hauptsteuerfeld und auf den jeweili
40. der Atemluft enthaltenen Spurengase meist organische Ver bindungen werden von diesem Filter entfernt Das modellierte Ger t ist f r sechs Personen ausgelegt Eing nge sind ein Luftstrom und Energie Ausgang ist der gereinigte Luftstrom Diese Komponente ist als TCC_6 vi implementiert Tanks F r den Luftkreislauf stehen Tanks f r Kohlendioxyd Methan Sauerstoff Stick stoff sowie Wasserstoff zur Verf gung Die Gr e dieser Tanks kann frei gew hlt werden Eingang ist jeweils ein Massenstrom Ausg nge sind ein Massenstrom und eine den F llstand anzeigende Variable Die Komponenten sind als Tank_CO2 vi Tank_CH4 vi Tank_O2 vi Tank_N2 vi und Tank_H2 vi implementiert 3 2 2 3 Energieversorgungssystem EPS Solarzellen Die Leistung der photovoltaischen Energieerzeugungsanlage h ngt von den Faktoren Zellenfl che Zellenmaterial Gallium Arsenid Gallium Phosphid oder Indium Phosphid und Zellenalter ab Eing nge sind der solare Strahlungsflu in W m sowie dessen Einfallswinkel Ausgang ist die erzeugte Leistung Diese Komponente ist als Solar_Array_s vi implementiert Speichereinheit Die Energiespeicherung kann wahlweise durch Akkumulatoren Nickel Cadmium oder Nickel Wasserstoff oder Schwungr der erfolgen Im ersteren Fall 23 3 Vorstellung der MELISSA Simulationsumgebung geht ein Wirkungsgradverlust in die Berechnung ein Eingang ist die z B von ei nem Solarzellen Array erzeugte Leistung Ausg nge sind die abg
41. der den Tank verl t nicht nur vom Tankventil sondern genauso auch vom stromabwarts des Tanks angeordneten Ventil am Verbraucher Modul ab Dieses Verhalten beruht auf der Ausbreitung von Information in der Leitung entgegen der Str mungsrichtung wie sie zumindest bei Unterschallstr mungen selbstverst ndlich ist Falls nun aber die eigentliche Leitung diesen Informationstransport nicht bewerkstelligen kann mu das Anpassen des den Tank verlassenden Massenstroms an die Bed rfnisse des Verbrauchers auf andere Weise geschehen Beispielsweise kann der Verbraucher tiber eine Steuerleitung die gew nschte Einstellung des Tankventils vornehmen Abbildung 3 10 geregelter Massenflu Eine andere M glichkeit besteht darin bei mehr als n tig ge ffnetem Tankventil den vom Verbraucher nicht ben tigten Anteil des Massenstroms wieder in den Tank zur ck zuleiten Abbildung 3 11 Recycling Bei MELISSA wird letzteres Konzept verwendet weil dies die Problematik von Reglern in einer zeitdiskreten Umgebung vermeidet Daher besitzen die meisten MELISSA Module zus tzlich zu den in Abschnitt 3 2 2 angegebe nen Ausg nge ber die der nicht verbrauchte oder verarbeitete Rest der eingehenden Massen oder Energiestr me wieder zur ckgegeben wird Au erdem mu an jedem Tank oder Speicherelement ein Sollwert f r den abflie enden Massen oder Energiestrom an gegeben werden Flow Demand Value 28 3 2 Konkrete Umsetzung Simulationsumge
42. die leichte Erweiterbarkeit von MELISSA durch Programmieren neuer Module oder Erh hen der Beschreibungstiefe vorhandener Bausteine wird dadurch gew hrleistet Die VIs modellieren das Verhalten der entsprechenden Ger te durch die in ihnen ent haltenen Algorithmen Dabei werden haupts chlich arithmetische Beziehungen zwi schen Ein und Ausgangsgr en verwendet die wo sinnvoll durch vom Benutzer ver nderbare Parameter angepa t werden k nnen Abbildung 3 2 im nachfolgenden Abschnitt zeigt exemplarisch einen solchen arithmetischen Algorithmus in Form einen LabVIEW Diagramms Die im Rahmen dieser Arbeit programmierten dem Benutzer zur Verfiigung stehen den Module simulieren typische Bestandteile des Lebenserhaltungs und Energiesystems wie Wasserfilter Sauerstofftanks Solarzellen oder auch Luft Analysatoren Es sind gen gend Komponenten ber cksichtigt um ein einfaches weitgehend geschlossenes Le benserhaltungssystem zu modellieren Weitere Module k nnen bei Bedarf nach dem Beispiel der vorhandenen leicht erstellt werden siehe auch Kapitel 6 Entsprechend dem graphischen Charakter von LabVIEW erfolgt auch die Simulations erstellung und ausf hrung mit MELISSA durchweg auf graphische Weise Das zu si mulierende System wird zun chst unter Verwendung der vordefinierten Komponenten in schaltplan hnlicher Form am Bildschirm eingegeben Daraufhin werden die gew nschten lokalen Anfangsbedingungen fiir die einzelnen Systemkompon
43. dig verwendet werden kann wurde die urspr ngliche Seitennumerierung von 1 bis 58 bei behalten Die Seitennummern auf den n chsten 58 Seiten sind also nicht an die Z hlung der Diplomarbeit angepa t 247 E MELISSA User Manual 248 F Melissa Kurzreferenz Auf den folgenden Seiten ist abschlie end eine Kurzreferenz f r den fortgeschrittenen MELISSA Anwender eingef gt Sie fa t auf sieben Seiten die wichtigsten Abbildungen Tabellen und Grunds tze aus dem MELISSA User Manual siehe Anhang E ab Seite 247 zusammen 307 F MELISSA Kurzreferenz 308
44. ected efficiency results in efficiency values between 0 and 1 s removed from the air stream and output as a separate water stream Heat out W xo The appropriate amount of Condensation Heat of Water J kg Source Messerschmid97 chap 12 heat is generated tor each kg of condensed water Swi tching logic for On Off switching 15 This structure is necessary to prevent constant switching of the unit if the use keeps the button pressed False dax F al S e D Switched off 5 amp Abbildung 3 2 Condensing Heat Exchanger Diagramm 3 2 Konkrete Umsetzung Simulationsumgebung MELISSA aster Control Panel vi MASTER ank SolidWaste S vi egulator O2 vi ank N2 S vi r Vent Power Storage S vil Solar Array S vi Shunt S vi Fe Fiar HTH Air Shunt Abbildung 3 3 VIs und Icons in der ECLS Modules Palette Simulation Control Time Control wi In t vi ol Percent wi Air n INIT Val Initialize All vi Partial Pressure vi Partial kga kgs INIT Press p w of E 1 Master Control vi a m a m Genenc Storage wi Species accounting Molume flow m mz Hi KE Abbildung 3 4 VIs und Icons in der ECLS Library Palette ya esil ZAR mi in vi imiter minmax vi Limiter max vi xponentia
45. egebene Leistung und eine Variable die die im Modul gespeicherte Energie angibt Die Speicherein heit ist als Power_Storage_s vi implementiert Widerstand Zur Umwandlung nicht ben tigter elektrischer Energie in W rme steht ein Widerstand einstellbarer Leistungsf higkeit Shunt zur Verf gung Der Shunt wird automatisch aktiviert wenn die Energie die im vorgeschalteten Energiespei cher vorhanden ist einen vorgebbaren Grenzwert berschreitet Eingang ist elek trische Leistung Ausg nge sind W rme sowie eine Variable die die insgesamt umgewandelte Energie anzeigt Diese Komponente ist als Shunt_s vi implemen tiert 3 2 2 4 Allgemeine Komponenten Abla ventil Diese Komponente Vent dient zum berbordgeben von bersch ssigen Fl ssigkeiten oder Gasen Falls der Inhalt des vorgeschalteten Tanks ber einen einstellbaren Grenzwert steigt wird ein Teil des zugeh rigen Spezies Massenstroms mit vorgebbarer Rate ber Bord geleitet Eingang ist ein Massenstrom Ausgang eine Variable die die insgesamt ber Bord gegebene Masse anzeigt Das Abla ventil ist als Vent_s vi implementiert Besatzung Die Anzahl und das Komfortniveau der Crew beeinflussen die Massen und W rmebilanz eines Lebenserhaltungssystems In der verwendeten vereinfachten Modellierung sind die Verbrauchs und Ausscheidungsraten abweichend vom wirk lichen Verhalten unabh ngig voneinander d h mangelnde Zufuhr von z B Trink wasser f hrt nicht zu einer Abnahme
46. ektrolyse Static Feed Water Electrolysis SFWE wird aus Wasser Sauerstoff und Wasserstoff hergestellt Das modellierte Ger t ist zur Sau erstoffversorgung von vier Personen ausgelegt Eing nge sind Wasser und Energie Ausg nge Sauerstoff Wasserstoff und W rme Diese Komponente ist als SFWE_4 vi implementiert Luftentfeuchter Dieses Ger t Condensing Heat Exchanger CHX entfernt einen ein stellbaren Bruchteil des Wasserdampfes aus einem Luftstrom und gibt diesen als separaten Wasserstrom wieder aus Die bei dem Proze freiwerdende Kondensa tionsw rme wird im Modell berechnet Der einzige Eingang ist der Luftstrom Ausg nge sind der entfeuchtete Luftstrom W rme und Kondenswasser Der ge w nschte Wirkungsgrad kann auf dem Front Panel eingestellt werden Diese Kom ponente ist als CHX_x vi implementiert Sabatier Ein Sabatier Reaktor dient zur Umwandlung von CO zu CH4 und H20 unter Verwendung von zus tzlichem Ha Der modellierte Reaktor ist f r f nf Personen ausgelegt Eing nge sind Kohlendioxyd Wasserstoff und Energie Ausg nge sind Methan Wasser und W rme Der Reaktor ist als Sabatier_5 vi implementiert Sauerstoff Regulator Dieses Ger t h lt den Sauerstoff Partialdruck in der Luft auf einem gew hlten Wert indem bei Bedarf zus tzlicher Sauerstoff zugef gt wird Eing nge sind ein Luft und ein Sauerstoffstrom Ausgang ist ein Luftstrom Dieses Ger t ist als Regulator_O2 vi implementiert Spurengas Filter Die in
47. ells 4 2 Langzeitsimulation 4 3 Ausfalluntersuchungen 4 4 Diskussion der Ergebnisse Anwendung im Rahmen des Space Station Design Workshops 5 1 Einsatz von MELISSA durch VVorkshop Teilnehmer 5 2 Gewonnene Erfahrungen 17 17 18 31 31 38 38 41 45 45 46 11 Inhaltsverzeichnis 6 Zusammenfassung 47 6 1 L sungsansatz und Entwicklungsstand 47 6 2 Verbleibende Probleme 48 6 3 Ausblick 51 Literaturverzeichnis 53 A Glossar und Abk rzungsverzeichnis 57 B Ergebnisse der ISS Simulationen 61 C Dokumentation der entwickelten Vis 91 C 1 ECLS Modules 93 C 2 ECLSLibrary 155 C 3 Auxiliary Library 203 D ECLSS Dokumentation 231 D 1 Example Simulation VI 233 D 2 Closed Water Loop Simulation VI 237 D 3 ISS ECLSS Simulation VI 241 E MELISSA User Manual 247 F Melissa Kurzreferenz 307 IV 1 Einleitung Raumstationen haben verglichen mit anderen Systemen der Raumfahrt einen deutlich h heren Nachschubbedarf Nutzlasten m ssen entsprechend den W nschen der Anwen der im Orbit installiert oder ausgetauscht werden und der laufe
48. em der Wert einer Variablen von einem Schleifenschritt in den n chsten weitergereicht wird 58 SI Internationals System der Mafeinheiten Syst me International d Unit s das in dieser Arbeit ausschlieBlich verwendet wird SSDW Space Station Design Workshop am Institut fiir Raumfahrtsysteme entwickelte Entwurfsumgebung fiir Raumstationen mit Modellierungs und Simulationswerk zeugen SubVl Fin VI das eine Unteraufgabe in einem hierarchisch h herstehenden VI ausf hrt TCC Trace Contaminant Control Filter zur Entfernung von Spurengasen aus der Luft TIMES Thermoelectric Integrated Membrane Evaporation System Verfahren zur Re generierung von Wasser Tool Ein spezieller LabVIEW Cursor mit dem bestimmte Funktionen ausgef hrt wer den k nnen Beispiele sind die Tools zum Verschieben von Objekten oder zum Verdrahten Die Tools befinden sich auf der auf Seite 13 dargestellten Tools Pa lette USOS United States Orbital Segment Bezeichnung f r den amerikanischen Anteil der Internationalen Raumstation VAPCAR Vapor Phase Catalytic Ammonia Removal Physikalisch chemisches Verfah ren zur Wasserreinigung VCD Vapor Compressed Distillation Destillationsverfahren zur Wasser und Urinauf bereitung VI Virtuelles Instrument Bezeichnung f r ein Programm in LabVIEW Wire Siehe Draht WVE Water Vapor Electrolysis Methode zur Erzeugung von Sauerstoff aus der Luft feuchtigkeit 59 A Glossa
49. en Ergebnissen zufolge noch gen gend Zeit f r Gegenma nahmen oder im u ersten Fall zum geordneten Verlassen der Station 44 5 Anwendung im Rahmen des Space Station Design Workshops Erste Erfahrungen mit der Anwendung von MELISSA in der Lehre konnten im Rah men des Space Station Design Workshops gemacht werden der vom 17 bis 21 Marz 1997 am Institut f r Raumfahrtsysteme stattfand Die Teilnehmer dieser Veranstaltung waren Vertiefungsstudenten aus der Fachrichtung Raumfahrtsysteme der Universit t Stuttgart der cole Nationale Sup rieure de l A ronautique et de l Espace und der cole Nationale Sup rieure d Ing nieurs de Constructions A ronautiques beide in Toulouse Frankreich Nach anfanglichen Finf hrungsvorlesungen die die Teilnehmer mit der Thematik und Entwurfsmethodik vertraut machten wurden drei Teams gebildet die betreut von Institutsmitarbeitern selbst ndig eine Raumstation inclusive der Subsysteme Energie und Lebenserhaltungssystem konzipierten und ihre Entw rfe unter Zuhilfenahme der vorhandenen Simulationsprogramme GISSAD IRIS MELISSA analysierten 5 1 Einsatz von Melissa durch Workshop Teilnehmer Die ECLSS Spezialisten der Teams wurden anhand der Finf hrung im Benutzerhand buch siehe Anhang E ab Seite 247 mit MELISSA vertraut gemacht Das dabei entspre chend der Anleitung Schritt f r Schritt erstellte Lebenserhaltungssystem mit geschlos senem Wasserkreislauf Example vi siehe
50. en eines internationalen Raumstations VVorkshops wurde MELISSA bereits angewendet Abstract new simulation environment MELISSA has been added to the Space Station Design Workshop software package existing at the Institut fur Raumfahrtsysteme The new environment supports the modeling and simulation of network type subsystems like the Environmental Control and Life Support System ECLSS It is based on the commercial software LabVIEW which provides a convenient graphical programming environment and user interface Applications of MELISSA range from the analysis and validation of new ECLSS designs to parametric optimization studies to failure mode effects and criticality analysis of a life support system Additionally MELISSA can be employed for training ECLSS developers and users and as a teaching tool for lectures and seminars on system design As a demonstration of the powerful capabilities of MELISSA the ECLSS of the Inter national Space Station was modeled Its time dependent behavior was analyzed under normal operation conditions and with partial subsystem failures MELISSA was also used during an international workshop on space station design Schl sselw rter Keywords Systemsimulation Proze simulation Synergetische Simulation Lebenserhaltungssyste me LabVIEW Raumstationsentwurf Systementwurf Internationale Raumstation Systems simulation process simulation synergistic simulation life support systems LabV
51. enten eingestellt Sobald ein Simulationslauf gestartet ist kann der Benutzer das Systemverhalten am Bildschirm 17 Komponenten Algorithmen Auswahl Simulation Interaktive Simulation Keine DGLs Auslegung Ein und Ausgange 3 Vorstellung der MELISSA Simulationsumgebung verfolgen und durch Ver ndern von Parametern direkt beeinflussen Durch diesen inter aktiven Ansatz l t sich das dynamische Verhalten eines modellierten Systems einfach und dennoch zuverl ssig untersuchen Selbstverstandlich k nnen auch zeitinvariante Gr en wie z B die Systemmasse angezeigt werden Bei der dynamischen Simulation wird auf explizites L sen von Differentialgleichungen wie es z B in eher proze technisch orientierter Software wie AspenPlus 1 oder auch ECOSIM 3 angewandt wird verzichtet Statt dessen werden die im System zirkulie renden Stoff und Energiestr me direkt modelliert und bei Bedarf z B in den Tank Modulen zeitdiskret integriert Ein Simulationslauf besteht also aus aufeinanderfolgen den Simulationsschritten von denen jeder einem Zeitinkrement von w hlbarer L nge entspricht Durch diesen Ansatz reduziert sich der Rechenaufwand f r einen Simula tionsschritt erheblich Auch die Anschaulickeit der Modellierung sowohl von einzelnen ECLS Komponenten als auch des Simulationsmodells insgesamt wird verbessert 3 2 Konkrete Umsetzung Simulationsumgebung MELISSA Das Umsetzen des oben beschriebenen allgemeinen Ans
52. er urine processing respectively 15 people only urine processing Generic vent to space for getting mass flow storage venting indicator rid of liquids level activation vented mass counter level vent rate mass flow 93 C Dokumentation der entwickelten VIs 94 C 2 HCLS Library C 2 ECLS Library Module Name Outputs Air in out Custom control indicator for an air stream consisting of individual elements for its five species N O2 CO water vapor trace contaminants pressure and temperature Eclipse simulation Provides the available solar power flux altitude solar flux 1 Adjustable to different density W m2 at any given time during a inclination orbit time planetary environments simulation eclipse time Venus Earth Mars Jupiter s and influx flow flow out Not needed for simulation return level level programming capacity overflow initial level indicator while loop and wire to it Generic storage Base VI for power storage and tanks Initializes simulation elements Initialize All Global variable initialization flag Mass flow in out Custom control indicator for mass BEE eee a l Not needed for simulation level programming Not needed for simulation Master control Global variable on off flag cluster level programming Partial pressure Calculates the partial pressures of the five air partial Species in an
53. eric Abbildung 2 3 Controls Palette Abbildung 2 4 Functions Palette 13 Functions Palette Bearbeitungs reihenfolge Data flow programming 2 Grundlagen Alle Elemente die im Diagramm verwendet werden k nnen werden von einem weiteren Hauptmenii der Functions Palette zur Verfiigung gestellt die in Abbildung 2 4 darge stellt ist Auch die im folgenden Kapitel vorgestellten MELISSA Module sind ber diese Palette erreichbar Fin wichtiger Unterschied zwischen LabVIEW und herk mmlichen textbasierten Pro grammiersprachen soll an dieser Stelle hervorgehoben werden In LabVIEW h ngt die Bearbeitungsreihenfolge nur vom Datenflu zwischen den einzelnen Befehlen ab die durch die Verdrahtung festgelegt wird Keine Rolle spielt hingegen die r umliche Anordnung der Icons auf dem Diagramm oder die Reihenfolge in der diese eingef gt wurden Dies ist ein klarer Unterschied zu anderen Programmiersprachen bei denen die Bearbeitungsreihenfolge von der r umlichen Anordnung der Befehle im Quelltext eines Programms abh ngt So wird zum Beispiel bei folgendem Programmcode a read_input b read_input result a zun chst a eingelesen danach b bevor schlieBlich die Summe der beiden Zwischenspei cher an result zugewiesen wird Mit LabVIEW wird dieser Algorithmus unter Zuhilfenahme von Symbolen und Dr hten hnlich wie in Abbildung 2 6 dargestellt ausgedriickt Aufgrund des bei LabVIEW un te
54. ernational Conference on Environmental Systems and 5th European Symposium on Space Environmental Control Systems Friedrichshafen Germany June 20 23 1994 SAE International Warrendale PA 1994 Life Support and Habitability Manual ESA PSS 03 406 1992 Samsonov N M et al Development and Operation of the MIR Space Station System for Hygiene Waste Water Recovery SAE Technical Paper 941535 Presented on the 24th International Conference on Environmental Systems and 5th European Symposium on Space Environmental Control Systems Friedrichshafen Germany June 20 23 1994 SAE International Warrendale PA 1994 Sulzman Frank Hrsg Life Support and Habitability Space Biology and Medicine Series Volume II American Institute of Aeronautics and Astronautics Washington DC 1993 A Glossar und Abk rzungsverzeichnis Nachfolgend werden die im Text verwendeten Abk rzungen und Begriffe erl utert Fi nige der Definitionen sind bersetzungen aus 12 und 5 Dort sind auch weitere LabVIEW und ECLS spezifische Begriffe erkl rt 4 BMS Vierbett Molekularsieb zur Extraktion von CO aus der Atemluft AOCS Attitude and Orbit Control System Lage und Bahnregelungssystem APC Air Polarized Concentrator ebenfalls zur Extraktion von CO aus der Atemluft Bibliothek Eine Sammlung von zusammenh ngenden VIs CHX Condensing Heat Exchanger W rmetauscher Luftentfeuchter Cluster Eine geordnete nicht indizierte Gruppe von
55. ezifische Hardware simulieren ECLS Library In dieser Bibliothek sind Module zusammengefa t die in einer Simula tion ECLSS und EPS spezifische Hilfsfunktionen ausf hren oder die Grundbau steine fiir die Module in der ECLS Modules Library zur Verfiigung stellen Auxiliary Library Einige allgemeine Funktionen ohne direkten ECLSS oder EPS Bezug die w hrend der Erstellung von MELISSA programmiert wurden und fiir nachfol gende Benutzer von gewissem Nutzen sein k nnen werden in dieser Library zur Verfiigung gestellt 91 C Dokumentation der entwickelten VIs 92 C 1 C 1 ECLS Modules ECLS Modules Module Name 4 BMS Four bed molecular sieve to air power CO heat unit mass Sized for 4 people remove CO from an air stream air power Air analyzer Provides the mass and volume air flovv rates the volumetric percentages and the partial pressure of an air stream pressurized volume extract vvater vapor from air capacity Crevv Models the contribution of the air potable water air waste water Crew size and crew to the ECLS food urine feces heat various comfort potable water food levels are selectable Master control Allows convenient remote Uses global variable panel controlling of the ECLS Master Control modules Multifiltration Multifiltration unit for waste water power clean water heat Sized for 4 people conversion of waste water to unit mass waste potable water water power
56. gen Ger te Front Panels Die vier untersten rechteckigen Strukturen zeigen den alternativen Code f r die IF Abfragen Die erstellten Module sind entsprechend ihrem Verwendungszweck auf die folgenden drei Modulbibliotheken Libraries aufgeteilt ECLS Modules Hier befinden sich alle VIs die ECLSS und EPS spezifische Hardware simulieren Eine bersicht ber die in dieser Bibliothek zusammengefa ten Kom ponenten bietet Abbildung 3 3 ECLS Library In dieser Bibliothek sind Module zusammengefa t die in einer Simu lation ECLSS und EPS spezifische Hilfsfunktionen ausf hren oder die Grund bausteine f r die Module in der ECLS Modules Library zur Verf gung stellen Abbildung 3 4 zeigt die in dieser Bibliothek enthaltenen VIs Auxiliary Library Einige allgemeine Funktionen ohne direkten ECLSS oder EPS Bezug die w hrend der Erstellung von MELISSA programmiert wurden werden in dieser Library zur Verf gung gestellt Abbildung 3 5 19 Beispiel CHX Bibliotheken 3 20 Vorstellung der MELISSA Simulationsumgebung The water vapor value of the air stream is extracted for further processing e H20g in kg s 5 Efficiency H20g in kg s fe Off switching is done Extracted water vapor the efficiency x water vapor in air x efficienc to 0 Efficiency in divided by 100 ater out kg s A fraction of the water vapor influx 7 as determined by the sel
57. h den engen Zusammenhang mit einer Anwendung von Simula tionssoftware im Rahmen der Lehre Die Ausbildung im Systementwurf mu die oben beschriebene Praxis aufnehmen und dadurch ber eine rein theoretische Vermittlung von Wissen hinausgehen Das Konzept des Learning by doing hat sich als u erst wirkungs voll erwiesen wie beispielsweise George P lya feststellt 1311 S 429 Learning should be active not merely passive or receptive merely by reading books or listening to lectures or looking at moving pictures without adding some action of your own mind you can hardly learn anything and certainly you cannot learn much Dieses aktive Lernen ist in vielen Bereichen der Technik so auch in der Raumfahrt nur unter Verwendung von Simulationen m glich Der direkte Umgang mit den interessieren den Systemen kommt aufgrund des hohen finanziellen und zeitlichen Aufwandes sowie wegen meist stark beschr nkter oder nicht vorhandener Verf gbarkeit entsprechender Hardware nicht in Betracht 1 2 Lebenserhaltungssysteme Dabei mu die Simulation nicht ein perfektes Bild der Wirklichkeit bieten und in den meisten F llen lie e sich das auch nicht erreichen Simulation verfolgt immer einen bestimmten Zweck wenn dieser erf llt werden kann sind die Modellierung und die darauf aufbauenden Berechnungen ausreichend Marvin Minsky 1261 S 7 liefert hierzu die pragmatische Definition To an observer B an object M is a model of an object A to
58. her Komponenten erreicht werden wie sie ansatzweise bei diversen Biosph renprojekten versucht wurde 5 S 249 Die hierzu notwendigen Elemente sind bisher noch nicht ausreichend erforscht so da auf ihre Modellierung im Rahmen dieser Arbeit verzichtet wird Modular Environment for Life Support Systems Simulation and Analysis Simulations umgebung Anwendungen Zusammenfassung Anhang 1 Hinleitung 1 3 Gliederung des Berichts An dieser Stelle soll ein kurzer Uberblick ber die Gliederung dieses Berichtes gege ben werden Die Kapiteleinteilung richtet sich nach den ausgefiihrten Arbeitsschritten Zunachst wird in Kapitel 2 auf die Grundlagen der Erstellung der Simulationsumge bung eingegangen Dazu geh rt die Herleitung der Anforderungen sowie die Auswahl des Basiswerkzeuges Dartiberhinaus wird das hierzu ausgewahlte Programm genauer beschrieben Das darauffolgende Kapitel stellt dann die entwickelte Simulationsumge bung MELISSA im Detail vor von den Grundlagen der Simulationserstellung bis zur Dokumentation der entwickelten ECLS Modulbibliotheken Mit einer ersten Beispielanwendung im Rahmen von Untersuchungen zur Internationa len Raumstation befa t sich Kapitel 4 Das Lebenserhaltungssystem des amerikanischen Teils der ISS wurde modelliert und sein Verhalten unter verschiedenen Betriebsbedingun gen simuliert In Kapitel 5 wird der erste Einsatz der Simulationsumgebung im Rahmen der Lehre beschrieben Hierbei wurde MELI
59. ht inwieweit das entwickelte Programm die anf nglichen Erwartungen erf llt Die durch dieses Verfahren gewonnene Anforderungsliste repr sentiert die W nsche des Kunden und bestimmt so die weitere Entwicklungsarbeit 2 1 Anforderungen an die Entwurfs und Simulationsumgebung e Schnittstelle zum Benutzer intuitive Bedienung interaktives Erstellen und Ausf hren von Simulationen objektorientierter modularer Aufbau automatisierter Datentransfer zur bequemen Weiterverarbeitung ausf hrliche Dokumentation kontextsensitive Hilfefunktion graphische Ausgabe von Simulationsergebnissen Schnittstelle zur existierenden Softvvare SSDVV automatisierter Datentransfer Einpassung in Entwurfsmethodik Benutzung vorhandener SSDW Software f r bestimmte Aufgaben e nterne Funktionen hohe Ausf hrungsgeschwindigkeit einfache Erweiterung durch neue Module Unterst tzung unterschiedlicher Beschreibungstiefe einzelner Bausteine einfache Anderung der Beschreibungstiefe existierender Bausteine Einsetzbarkeit auf mehreren Computerplattformen parallele Ausf hrbarkeit des Codes bei entsprechender Hardware Verfolgen der Systemmasse sowie der Massen und Energiestr me im System eventuell auch Verfolgen der Kosten der Zuverl ssigkeit und des Entwick lungsrisikos Plausibilit tskontrolle f r erstellte Systemmodelle 2 1 2 Entwurfsgrunds tze einer intera
60. iCd Akkumulatoren Kapazit t 150 10 J anf nglich gespeicherte Energie 120 10 J Solarzellen Silizium Fl che 1000 m Alter 3 Jahre Bestrahlungswinkel 0 d h a und B Nachf hrung der Arrays Bahnsimulation Bahnh he 400 km Inklination 51 6 Eklipse Berechnungen f r den ung nstigsten Fall worst case entsprechend einem Eklipse Faktor von 37 96 Shunt maximale Energieabgabe 2 10 W automatisches Einschalten bei 140 10 J gespeicherter Energie 36 4 2 Langzeitsimulation 0 3 0 28 0 26 N 0 24 0 22 N o o CO2 Vol 2 a o N gt N 0 2 100000 200000 300000 400000 500000 600000 700000 800000 time s N Abbildung 4 5 Anf nglicher Verlauf der Luftzusammensetzung 100000 200000 300000 400000 500000 600000 700000 800000 time s Abbildung 4 6 Anf nglicher Verlauf des Energieverbrauchs Waste Water Urine Solid Waste Tank Levels kg 100000 200000 300000 400000 500000 600000 700000 800000 time s 7 Water Tank Level kg Oxygen Tank Level kg 45 100000 200000 300000 400000 500000 600000 700000 800000 time s Abbildung 4 8 Anfanglicher Verlauf der Vorratstank Inhalte 37 berlauf 4 Beispielanwendung Internationale Raumstation International Space Station USOS Life Support System Waste Levels ka Store Levels kg 7 9962E 1 Water 84536 41
61. ichkeiten mit dem Benutzer vertrauten Elementen und Vorg n gen soll die Einarbeitung in die Software erleichtert und das Verst ndnis gef rdert werden Der Benutzer kann jedoch leicht verwirrt werden durch kleinere Abwei chungen zwischen tats chlichem Verhalten der Software und dem durch die Ana logie nahegelegten Daher wird hier besonderer Wert darauf gelegt diese Abwei chungen eingehend zu erl utern und auf Besonderheiten hinzuweisen siehe Ab schnitt 3 2 4 Erfahrungswerte Im Bereich der Gestaltung von graphischen Benutzeroberfl chen gibt es viele Erfahrungswerte e Bevorzugung eines neutralen hellgrauen Hintergrundes e Verwendung von h chstens f nf verschiedenen Farben gleichzeitig e Vermeidung von Farben hnlichen Helligkeits oder Farbwerts e Deutliche Kennzeichnung verwechselbarer Elemente e Ausreichende Gr e der Bedienelemente e Einheitlicher und ausreichend gro er Zeichensatz Diese Grunds tze sind nicht nur bei der Aufstellung der oben erw hnten Design Regeln zu ber cksichtigen sondern sie beeinflussen auch die nachfolgend beschrie bene Auswahl des Basisprogrammes 2 2 Auswahl des Basiswerkzeuges Nachdem im vorangegangenen Abschnitt das Anforderungsprofil dokumentiert wurde wird nun die Auswahl der Basis Software beschrieben auf der die eigentliche MELISSA Simulationsumgebung basiert 2 2 Auswahl des Basiswerkzeuges 2 2 1 bersicht ber die zur Auswahl stehenden Werkzeuge 2 2 1 1 Verfahrenste
62. ige Abweichungen von dieser Analogie erkl rungsbed rftig Die folgenden Ausf hrungen dienen damit auch dem besseren Verst ndnis der M glich keiten und Grenzen von MELISSA 3 2 4 1 Uhn direktionaler Datenflu Die Mehrzahl dieser Abweichungen wird von der Tatsache verursacht da die Ka bel die von LabVIEW zur Verf gung gestellt werden im Gegensatz zu echten Leitungs verbindungen nur einen unidirektionalen Datenflu erm glichen Die LabVIEW Kabel definieren eine Quelle und eine oder mehrere dazugeh rige Senken f r bestimmte In formationen z B Massenstr me Entlang eines solchen Kabels kann sich Information also nur in eine Richtung fortpflanzen Dieser Unterschied hat weitreichende Folgen vor allem im Zusammenhang mit den zu simulierenden Masse und Energiestr men Zur Verdeutlichung diene folgendes Beispiel Ein Tank sei ber eine Leitung mit einem Verbraucher verbunden der von diesem Tank mit einem Massenstrom versorgt wird 27 Beispiel Tank Recyclingstrom 3 Vorstellung der MELISSA Simulationsumgebung Demand nformation Tank Recip Valve Valve Recipient Abbildung 3 9 Tank und Verbraucher Abbildung 3 10 Geregelter Massenflu Recycled Flow Abbildung 3 11 Recycling des Massenflusses Abbildung 3 9 Sowohl am Tankausgang wie auch am Eingang des Verbraucher Moduls werde der Massenstrom in der Leitung durch Ventile reguliert Offensichtlich hangt der Massenstrom
63. kter Programme und reduzieren sowohl die anf ngliche Einarbeitungszeit als auch den Programmieraufwand Zum Ausdruck von VIs stellt LabVIEW eine eingebaute Dokumentations Ausdruckfunkti on zur Verf gung Mit dieser wurden die MELISSA Moduldokumentationen in Anhang C erzeugt Weiterhin wird der Informationstext zu jeder VI in einem Online Hilfefenster angezeigt In diesem Informationstext ist auch eine Auflistung aller Ein und Ausg nge des VIs enthalten Besonders f r unerfahrene oder gelegentliche Anwender von MELISSA ist diese Funktion von Vorteil Die Kompilierung wird von LabVIEW automatisch beim Abspeichern durchgef hrt 15 Vorteile Fehlermeldung Warnung Fehlersuche Dokumentation 2 Grundlagen 16 3 Vorstellung der MELISSA Simulationsumgebung 3 1 Allgemeiner L sungsansatz Die entwickelte Umgebung soll die Modellierung und Simulation von vernetzten Syste men erm glichen Da diese Systeme aus diskreten Komponenten aufgebaut sind und ihr Verhalten sich aus deren Interaktion ergibt basiert auch die Modellierung auf der Verwendung vorbereiteter Unterprogramme die einzelne Komponenten repr sentieren und der Definition der Verbindungen zwischen diesen Die ECLSS und EPS Module die in MELISSA Simulationen verwendet werden k nnen sind als LabVIEW Unterprogramme Virtuelle Instrumente VIs implementiert Auf diese Weise werden die Eigenschaften der graphischen Oberfl che von LabVIEW genutzt Auch
64. ktiven Benutzerschnittstelle Die Eigenschaften der geforderten graphisch interaktiven Benutzerschnittstelle k nnen ber das durch die House of Quality Methodik erreichte Ma hinaus noch weiter spe zifiziert werden Dem kommt in diesem Fall besondere Bedeutung zu da aufgrund der nachfolgend in Abschnitt 2 2 erl uterten Auswahl der Basissoftware nicht nur die Dieser Punkt wird auch von erfahrenen Simulationsanwendern z B aus der Verfahrenstechnik un terst tzt Um die systemtechnische Modellentwicklung zu vereinfachen und zu unterst tzen ist es angebracht einen Satz von m glichst universellen Modellbausteinen f r die Beschreibung von Teilsy stemen und deren Verkn pfungen zu definieren aus denen sich durch Aggregation eine Vielzahl der unterschiedlichsten verfahrenstechnischen Proze modelle aufbauen l t 1261 S 14 2 Grundlagen eigentliche Simulations Schnittstelle sondern auch die vom Benutzer zur Simulations und Modulerstellung verwendete Umgebung rein graphischer Natur ist Folgende Grunds tze werden von der herangezogenen Referenzliteratur 20 als wichtig herausgestellt Konsistenz Software soll nachvollziehbare Funktionalitat bieten und ein einheitliches Erscheinungsbild haben Sowohl der urspriingliche Autor als auch nachfolgende Entwickler m ssen dabei Konsequenz zeigen Diesem Zweck dienen die im MELISSA User Manual Anhang E ab Seite 247 zusammengestellten Design Regeln Analogien Durch Ahnl
65. l v di m 3 PE USB PE SR Remainder vi A ging n ray vi ine Generator vi rem A Deg Rad vi Show Panel vi Log Data vi Density vi rad Show redo Panel Log Q Abbildung 3 5 VIs und Icons in der Auxiliary Library 21 3 Vorstellung der MELISSA Simulationsumgebung 3 2 2 Vorhandene Komponenten Im Folgenden ist angegeben welche ECLS und EPS Komponenten in der derzeitigen Version von MELISSA zur Verf gung stehen Jeder Eintrag enth lt Genaueres zur Art der Modellierung soweit sie von den in Abschnitt 3 2 1 beschriebenen Grunds tzen ab weicht spezifiziert die Ein und Ausg nge und benennt die jeweiligen VIs Zu beachten ist da die implementierungsbedingten oder durch Besonderheiten der Simulationsum gebung notwendigen zus tzlichen Ein und Ausg nge wie sie in Abschnitt 3 2 4 angespro chen werden hier nicht angegeben sind Diese k nnen der Dokumentation der jeweiligen MELISSA VIs in Anhang C entnommen werden Dort sind auch alle VIs der hier nicht ber cksichtigten ECLS Library und Auxiliary Library Bibliotheken beschrieben 3 2 2 1 Wasserkreislauf Destillation Eine Destillationseinheit Vapor Compressed Distillation VCD dient zur Gewinnung von Brauchwasser aus Urin oder anderen verschmutzten Fl ssigkeiten Die modellierte Einheit ist f r die Aufbereitung der gesamten Urin und Schmutz wasserproduktion von sechs Personen ausgelegt Falls sie nur zur Urinaufbereitung verwendet wird kann sie ungef hr f
66. lt z B anf ngliche Tankinhalte Crewanzahl oder Luftzusammensetzung Nach Starten der Simulation kann der Benutzer auf den Front Panels der Simulations VI und ihrer Kom ponenten das Fortschreiten der Rechnungen verfolgen und gegebenenfalls steuernd ein greifen Gewonnene Zwischen und Endergebnisse k nnen f r jeden Lauf in einer Datei 26 3 2 Konkrete Umsetzung Simulationsumgebung MELISSA Example Life Support System Air in N2 in kg s TC in kg s N2 out kg s TC out kg s 7 2 963E 3 410 000 0 2 963E 3 55 556E 9 O2 in kg s O2 out kg s 900 270E 6 860 918E 6 CO2 in kg s pin Pal CO2 out kg s p out Pa 0 000E 0 3 101 300E 3 46 296E 6 101 300 3 H20g in kg s T in IK H20g out kg s T out K 0 000E 0 293 15 ezes 0935 Water Tank kg Multifiltration Output kg s VVaste VVater Tank kg Water Vapor kg s 50 000E 0 0 000E 0 Pre CHX 6 736E 6 Post CH Abbildung 3 8 Front Panel mit Digital und Analoganzeigen gespeichert und mit herk mmlichen Datenverarbeitungsprogrammen wie MS Excel oder gnuplot zus tzlich ausgewertet und visualisiert werden 3 2 4 Besonderheiten der Simulationsumgebung Wie jedes Computerprogramm hat LabVIEW und damit auch MELISSA Besonderheiten die nicht auf Anhieb intuitiv zu erfassen sind Obwohl die verwendete graphische Ober flache mit ihrer Schaltbild Analogie dem Benutzer das Erstellen und Ausf hren von Si mulationen erleichert sind ein
67. mabw rts des Elementes haben da dies die Schaffung eines arithmetisch nicht aufl sbaren Zirkel bezugs bedeuten w rde Diese Zirkelbez ge f hren selbst in spezialisierten verfahrens technischen Simulatoren wie z B dem in Kapitel 2 auf Seite 9 vorgestellten AspenPlus zu Problemen und sollten generell vermieden werden 25 Das hat zur Folge da die Recycling Leitung auf dem Diagramm nicht einfach wieder zur ck zum Tank gelegt werden kann Deshalb wird im betrachteten Fall der zur ckzuf hrende Massenstrom zwischengespei chert und dann erst zu Anfang des nachfolgenden Simulationsschrittes in den entspre chenden Tank weitergeleitet F r dieses Verfahren stellt LabVIEW im Zusammenhang mit der zur wiederholten Ausf hrung der Simulationsschritte verwendeten While Schleife sogenannte Shift Register zur Verf gung die in Abbildung 3 14 zu sehen sind 3 2 5 Benutzerhandbuch Das im Rahmen dieser Arbeit erstellte MELISSA Benutzerhandbuch Anhang E ab Sei te 247 enth lt weitere detaillierte Informationen zu Bedienung und Besonderheiten von MELISSA Es bietet auch eine Schritt f r Schritt Anleitung f r Benutzer die eigene Simulationen erstellen wollen sowie ausf hrliche Design Leitlinien f r die Modifikation vorhandener oder den Entwurf neuer MELISSA Module 29 Shift Register Vorstellung der MELISSA Simulationsumgebung Abbildung 3 12 Paralleler Anschlu zweier Verbraucher an einen Tank B
68. mit diesen Modellen sowie deren anschlie en de Auswertung mit geringem Aufwand m glich sind Die notwendige Rechenzeit h lt sich ebenfalls in Grenzen Die Langzeitsimulation lief ber Nacht die Ausfallsimula tionen ben tigten auf dem verwendeten Rechner Pentium PC 60 MHz 32 MB RAM Windows 3 1 jeweils weniger als eine Stunde Die Ergebnisse weisen keine Abweichungen von den zu erwartenden Verl ufen auf so da von korrekter Modellierung und Simulation ausgegangen werden kann Mangels vorliegender Betriebs oder Testdaten des tats chlichen ISS Lebenserhaltungssystems kann jedoch noch keine weitergehende Verifikation durchgef hrt werden Es wurden beide 4 BMS abgeschaltet 41 4 Beispielanwendung Internationale Raumstation CO2 Vol 2 o o mb 100000 150000 200000 250000 time s Abbildung 4 14 Verlauf der Luftzusammensetzung bei ECLSS Totalausfall VVaste VVater Urine Solid Waste Tank Levels kg N 100000 150000 200000 250000 time s Abbildung 4 15 Verlauf der Schmutztank Inhalte bei ECLSS Totalausfall 2 Oxygen Water Tank Level kg Oxygen Tank Level kg 50 100000 150000 200000 250000 time s Abbildung 4 16 Verlauf der Vorratstank Inhalte bei ECLSS Totalausfall 42 4 4 Diskussion der Ergebnisse 4 4 1 Langzeitsimulation Das Anlaufverhalten des Systems das i
69. mmenhang mit dem Faktor 2 Die so berechneten Zellenwerte werden zeilenweise addiert und ergeben die Ist Punktzahlen f r jede der Forderungen Als Referenz werden die Soll Punktzahlen ermittelt indem der beschriebene Rechengang mit 4 Bewertungspunkten f r jede Umsetzungs Spalte ent spricht erf llt Anforderung wiederholt wird Abbildung 6 2 zeigt das jeweilige Verh ltnis von Ist zu Sollwert f r jede der f nf Kunden forderungen aufgetragen als Radar Diagramm gem 1161 Die ausreichende Erf llung von vier der f nf Forderungen ist ersichtlich genauso wie der Verbesserungsbedarf im Bereich der Einbindung in die vorhandene SSDW Umgebung Abschnitt 6 3 am Ende dieses Kapitels geht hierauf noch genauer ein 6 2 Verbleibende Probleme Trotz der insgesamt zufriedenstellenden Funktion der derzeitigen MELISSA Version fielen im Laufe der Entwicklung und w hrend der ersten Anwendungen einige Verhaltensweisen des Programmes auf die im Rahmen weiterer Arbeiten beseitigt werden sollten Die meisten dieser Probleme werden durch den zeitdiskreten Simulationsansatz verur sacht und treten im Zusammenhang mit dem Generic Storage Modul auf das den Tanks und dem Energiespeicher zugrunde liegt Am auffallendsten ist die stets in den Speichern verbleibende Restmenge Der Speicheralgorithmus liefert jedoch auch unge naue Ergebnisse f r einen Tankinhalt wenn der Benutzer bei laufender Simulation und 48 6 2 Verbleibende Pro
70. n den Abbildungen 4 5 4 6 4 7 und 4 8 auf Sei te 37 zu erkennen ist zeigt ein Einpendeln des Kohlendioxyd Gehaltes der Kabinenluft weit unterhalb des spezifizierten Grenzwertes Die Form der Kurve resultiert aus dem konstanten Wirkungsgrad der als CO 2 Filter verwendeten Molekularsieb Module die erst ab einem bestimmten Kohlendioxyd Gehalt der Luft die von der Crew eingebrachte Menge auch wieder entfernen und den CO Anteil somit konstant halten k nnen Der Sauerstoffgehalt der Luft sinkt zun chst aufgrund des konstanten Verbrauchs durch die Besatzung linear ab bis die Ansprechschwelle des Sauerstoff Regulators erreicht ist Danach sorgt dieser f r einen gleichbleibenden O2 Anteil Der Energieverbrauch des ECLSS verl uft parallel zum Kohlendioxyd Gehalt da der Leistungsbedarf des Molekularsiebs als proportional zu der zu entfernenden CO2 Menge modelliert wurde und die anderen Komponenten eine konstante Leistungsaufnahme ha ben Der Gesamtverbrauch von etwas ber 1 7 kW f r die in die Modellierung ein bezogenen Komponenten liegt etwas unter dem tats chlich zu erwartenden Wert Dies r hrt daher da der Energieverbrauch der Luftentfeuchter und der Kabinenzirkulations Ventilatoren mangels Daten nicht ber cksichtigt werden konnte Die Verlaufskurven zeigen ein leichtes Ansteigen des Inhaltes des Schmutzwasser Tanks das durch die Unterdimensionierung des Wasserfilters bedingt ist Alles von der Crew ausgeschiedene Urin wird vom Destill
71. nauso ber Bord gegeben wie der bei der Elektrolyse anfallende Wasserstoff Auch der Schmutzwassertank kann auf diese Weise entleert werden falls er die Grenze seiner Aufnahmekapazitat erreicht Das MELISSA Modell des Lebenserhaltungssystems zu sehen in Abbildung 4 2 ist ent sprechend den Leitlinien aus Kapitel 2 erstellt Die wesentlichen Unterschiede ergeben sich aus der gleichzeitigen Modellierung eines Energieversorgungssystems sowie aus der separaten Beschreibung diverser Tanks die im Original ECLSS in die entsprechenden Verarbeitungsger te integriert sind Trinkwasser Urin F kalien Au erdem sind eini ge f r die Simulation notwendige Hilfsmodule auf dem Diagramm vorhanden z B das Master Control Panel Abbildung 4 11 Die Stickstofftanks sind nicht erfa t da die Simulation in ihrer derzeitigen Version keine Leckagen ber cksichtigt und so mangels Stickstoffverbrauchern immer eine konstante Stickstoffmenge vorhanden ist Das Front Panel der ISS Simulation Abbildung 4 3 ist mit Anzeigen f r die F llst nde der Tanks und den Zustand des Energiesystems versehen Mehrfachinstrumente fassen jeweils die Tankinhalte der Schmutztanks Schmutzwasser Urin F kalien und der Vor ratstanks Trinkwasser Sauerstoff zusammen Neben diesen Werten wird bei den Un tersuchungen auch die Luftzusammensetzung betrachtet die vom Air Analyzer Moduls Abbildung 4 4 angezeigt wird Die Instrumente in Abbildung 4 3 und Abbildung 4 4 zeigen die
72. nde Betrieb erfordert die Bereitstellung von Verbrauchsstoffen f r die Lage und Bahnregelung Attitude and Orbit Control System AOCS sowie f r das Lebenserhaltungssystem Environmental Control and Life Support System ECLSS Wahrend die zu transportierende Nutzlastmenge durch die Mission vorgegeben ist und daher vom Entwurfsingenieur nur wenig beeinflu t werden kann ist der Transportbedarf speziell f r das Lebenserhaltungssystem in hohem Ma e abh ngig von der Auslegung des zugeh rigen Subsystems wie Abbildung 1 1 zeigt Dadurch kommt der fr hzeitigen Einbeziehung des ECLSS in den Systementwurfsproze besondere Bedeutung zu In der Anfangsphase ist die Entwurfsaufgabe dadurch gekennzeichnet da nur unscharfe Vorgaben und Ziele vorhanden sind Gleichzeitig macht die iterative Vorgehensweise eine Automatisierung der einzelnen Entwurfsschritte empfehlenswert F r den Bereich des Systementwurfs auf Architektur und Konfigurationsebene stehen im Rahmen des Space Station Design Workshops SSDVV bereits Entwurfswerkzeuge zur Verf gung GISSAD zum computergest tzten Konfigurationsdefinition und IRIS zur bahndynamischen und Mikrogravitationssimulation Die Untersuchung vernetzter Subsysteme wie z B des ECLSS ist mit diesen Program men jedoch nicht m glich da die zwischen deren Komponenten bestehenden vielf ltigen synergetischen Kopplungen nicht modelliert werden k nnen Daher ist die Entwicklung eines dieser Aufgabenstellung
73. nfzehn Personen versorgen Eing nge sind Schmutzwasser und Energie Ausg nge sind gereinigtes Wasser feste R ckst nde brine und W rme Diese Komponente ist als VCD_6 vi implementiert Multifiltrierung Zur R ckgewinnung von Trinkwasser aus Schmutzwasser wird auch die Multifiltrierung MF eingesetzt Das hier verwendete Ger t ist f r vier Personen ausgelegt Ein Wirkungsgrad von 99 9 wird aufgrund der geschlossenen Pro ze f hrung angenommen Eing nge sind Schmutzwasser und Energie Ausg nge Trinkwasser und W rme Diese Komponente ist als Multifiltration_4 vi implemen tiert Tanks F r den Wasserkreislauf stehen Trinkwasser Schmutzwasser und Urintanks sowie ein Lagerbeh lter f r feste Abfallstoffe wie z B F kalien zur Verf gung Die Gr e dieser Tanks kann frei gew hlt werden Eingang ist ein Massenstrom Ausg nge sind ein Massenstrom und eine den F llstand anzeigende Variable Die Komponenten sind als Tank_H20 vi Tank_WW vi Tank_U vi bzw Tank_SW vi im plementiert 3 2 2 2 Luftkreislauf Analysator Diese Komponente zeigt die Massenstr me die Volumenstr me die Volu menanteile und die Partialdr cke der Spezies eines Luftstroms N Oz CO2 Was serdampf Spurengase an Gleichzeitig werden auch die gemeinsamen Zustands variablen Druck und Temperatur angegeben Das Ger t ist als Air_Analyzer vi implementiert 22 3 2 Konkrete Umsetzung Simulationsumgebung MELISSA Elektrolyse Bei der Wasserel
74. r und Abk rzungsverzeichnis 60 B Ergebnisse der ISS Simulationen In diesem Anhang sind die Ergebnisse der zur Anwendungsdemonstration von MELISSA verwendeten Simulationen in tabellarischer Form zusammengefa t Die Auswertung und graphische Darstellung erfolgt im Hauptteil der Diplomarbeit in Kapitel 4 ab Seite 31 Die Reihenfolge der Tabellen ist e Anlaufverhalten 7 Blatt Ausfall des Multifiltrationsger tes 1 Blatt Ausfall der Molekularsiebe 3 Blatt Ausfall des gesamten ECLSS 3 Blatt Folgende Daten wurden w hrend der Simulationsl ufe gespeichert und sind in den Ta bellen angegeben 1 Simulationsschritt Z hler 2 Verstrichene Sekunden seit Simulationsbeginn 3 Zusammensetzung der Luft in Volumen e Stickstoff Sauerstoff e Kohlendioxyd Wasserdampf e Spurengase 4 verbrauchte Leistung in Watt 5 erzeugte Leistung in Watt 6 gespeicherte Energie in Joule 61 B Ergebnisse der 155 Simulationen 7 Tankst nde in kg e Schmutzwasser Urin F kalien Trinkwasser e Sauerstoff 8 Simulationsdatum und zeit 62 C Dokumentation der entwickelten VIs Auf den folgenden Seiten werden die im Rahmen dieser Diplomarbeit entwickelten VIs dokumentiert Die Seiten wurden direkt mit der LabVIEW internen Dokumentations funktion erzeugt Die Ausdrucke sind entsprechend den MELISSA Modulbibliotheken geordnet ECLS Modules Hier findet der Benutzer alle VIs die ECLSS und EPS sp
75. ranching Element Abbildung 3 13 Serieller Anschlu zweier Verbraucher an einen Tank Recycled Flow E Shift register right hand side data sink Abbildung 3 14 LabVIEW While Schleife mit Shift Register Der nach Ausf hrung der Schleife im Draht vorhandene Wert wird zu Beginn des n chsten Schleifendurchlaufs wieder stromauf eingespeist und auf diese VVeise mit jedem Schleifendurchlauf um eins erhoht 30 4 Beispielanwendung Internationale Raumstation Die Internationale Raumstation ISS wird bis weit ber das Jahr 2000 hinaus das wich tigste Anwendungsfeld f r Technologien der bemannten Raumfahrt sein Die Analyse ih rer System und Subsystemeigenschaften stellt eine typische Aufgabe f r den Space Sta tion Design VVorkshop dar und bietet sich somit auch zur berpr fung der Fahigkeiten der entwickelten Entwurfs und Simulationsumgebung an Deshalb wird hier die Unter suchung des 155 Lebenserhaltungssystems als erstes Anwendungsbeispiel f r MELISSA beschrieben Aus Gr nden der Datenverf gbarkeit beschr nkt sich die Modellierung auf den US Teil der Station United States Orbital Segment USOS Die zugrundeliegenden Daten stehen gr tenteils elektronisch zur Verf gung 191 k nnen aber auch konventionellen Publikationen wie dem Werk 32 entnommen werden Hifreich ist in diesem Zusammenhang da sich die meisten implementierten MELISSA Module bereits an ISS Hardware anlehnen
76. rschiedlichen Abarbeitungskonzeptes das als data flow programming bezeichnet wird kann jedoch in diesem Fall nur gesagt werden da vor der Berechnung des Ergebnisses zun chst die Eingaben a und b abgefragt werden Es ist jedoch nicht feststellbar ob dabei a vor b eingelesen wird oder umgekehrt In diesem einfachen Beispiel ist dieser Unterschied aufgrund der Kommutativit t des verwendeten Algorithmus nat rlich bedeutungslos Er mu jedoch bei komplexeren Programmieraufgaben stets ber cksichtigt werden Auch die Gestaltung von MELISSA Simulationen und Modulen wird dadurch beeinflu t Dem Nachteil da einige Algo rithmen mit expliziter Angabe der Ausf hrungsreihenfolge programmiert werden m ssen This simple V adds a and b Abbildung 2 5 Front Panel Beispiel Abbildung 2 6 Diagramm Beispiel 14 2 3 Kurze Beschreibung des ausgew hlten Programms z B die Zeitverwaltung oder Initialisierung stehen jedoch deutliche Vorteile gegen ber So kann die Anordnung der Programmelemente im Diagramm frei und nur nach bersichtlichkeitskriterien erfolgen Ferner wird die Ausf hrungsgeschwindigkeit des Co des erh ht da die Bearbeitungsreihenfolge innerhalb der durch den Datenflu gegebenen Grenzen vom Compiler optimiert werden kann Auch die parallele Ausf hrbarkeit des Codes auf entsprechenden Rechnern wird gef rdert 2 3 4 LabView Programmausf hrung Die Ausf hrung einer MELISSA Simulation kann nur aus LabVI
77. setzung nach dem Crew Modul 39 4 Beispielanwendung Internationale Raumstation Crew 4 Personen mittelhohes Komfortniveau nice Kabine Volumen 1000 m anf ngliche Luftzusammensetzung 79 Stickstoff 21 Sau erstoff Umw lzungsrate 0 1 s Sauerstofftank Kapazit t 100 kg anf nglicher Inhalt 50 kg Sauerstoff Generator SFWE_4 Modul Sauerstoffregulator auf optimalen O2 Partial druck von 21 kPa vor Crew eingestellt Luftentfeuchter CHX_x Modul Wirkungsgrad 95 Kohlendioxyd Entfernung 4 Bett Molekularsiebe 4 BMS 4 Wirkungsgrad 66 Spurengasfilter TCC_6 Modul Wirkungsgrad 99 F kalien Tank Kapazit t 100 kg anf nglicher Inhalt 0 kg Urinprozessor VCD 6 Modul Tank Kapazit t 100 kg anf nglicher Inhalt 0 kg Schmutzwassertank Kapazit t 100 kg anf nglicher Inhalt 0 kg VVasserprozessor Multifiltration 4 Modul Tank Kapazit t Trinkwasser 200 kg an f nglicher Inhalt 150 kg Wasser Abla Vent_s Modul maximaler Durchflu 1 kg s automatische Aktivierung bei 80 kg Schmutzwassertank Inhalt Kohlendioxyd Abla direktes berbordgeben am 4 BMS Wasserstoff Abla direktes berbordgeben am Elektrolyseger t Das zus tzlich modellierte Energiesystem ist ohne Bezug zur ISS ausgelegt es dient nur dazu die ECLSS Komponenten w hrend der Simulation mit korrekter Eingangslei stung zu versorgen Die Bahnsimulation beruht jedoch auf der ISS Spezifikation Die relevanten Daten sind Energiespeicher N
78. steht aus zwei Hauptelementen ein Front Panel genanntes Fenster mit grauem Hintergrund sowie ein als Diagramm bezeichnetes 11 Front Panel Diagramm Tools Palette Controls Palette Handbuch VVires 2 Grundlagen mit wei em Hintergrund Diese bernehmen die Funktionen der von anderen Program miersprachen her bekannten Elemente Das Front Panel stellt die Schnittstelle eines LabVTEvv Programms zum Benutzer und zu anderen Programmen dar auf dem Daten ein und ausgegeben werden w hrend das Diagramm zum Implementieren des eigent lichen Algorithmus des VIs dient Im Falle von LabVIEW wird hierzu die eingebaute graphische Programmiersprache G verwendet Ein Palette genanntes Meniifenster stellt die Werkzeuge zur Verfiigung durch die der Benutzer mit LabVIEW interagieren kann Abbildung 2 2 Zur Erkl rung der verschie denen Elemente sei auf die LabVIEW Kurzreferenz Anhang F ab Seite 307 verwiesen 2 3 2 LabView Benutzerschnittstelle Entsprechend dem graphischen und intuitiven Konzept von LabVIEW sind die zur Verfii gung gestellten Schnittstellenelemente f r das Front Panel so gestaltet daf sie vertrauten Schaltern und Instrumenten hneln Drehkn pfe Zeigerinstrumente Kippschalter Kur venschreiber und so fort Diese Elemente werden durch einfaches Ziehen drag and drop von den graphischen Men s auf denen sie zur Verf gung stehen auf das Front Panel bertragen Das entsprechende Hauptmen die Controls P
79. swerkzeug MELISSA entwickelt das nachfolgend vorgestellt wird Die Entwicklungsarbeit wurde durch die Mitarbeiter der Arbeitsgruppe Raumfahrt technologie und Raumfahrtnutzung am Institut f r Raumfahrtsysteme sehr erleichtert denen ich daf r meinen herzlichen Dank ausspreche Besonders bedanken m chte ich mich bei meinem Betreuer Reinhold Bertrand sowie bei Arndt Hin ber und J rg Kr ger f r ihre kontinuierliche Unterst tzung An dieser Stelle m chte ich auch die gro z gige Hilfestellung durch die Firma Natio nal Instruments hervorheben die das MELISSA zugrundeliegende Programm LabVIEW bereitwillig kostenfrei zur Verf gung stellte Die vorliegende Arbeit ist in Dankbarkeit meinen Eltern gewidmet auf deren liebevolle Begleitung ich mich auf dem langen Weg zum Diplom stets verlassen konnte Il Inhaltsverzeichnis Vorwort Einleitung 1 1 Entwurf und Simulation 1 2 Lebenserhaltungssysteme 1 3 Gliederung des Berichts Grundlagen 2 1 Anforderungen an die Entwurfs und Simulationsumgebung 2 2 Auswahl des Basiswerkzeuges 2 3 Kurze Beschreibung des ausgew hlten Programms Vorstellung der MELISSA Simulationsumgebung 3 1 Allgemeiner L sungsansatz 3 2 Konkrete Umsetzung Simulationsumgebung MELISSA Beispielanwendung Internationale Raumstation 4 1 Aufbau des Simulationsmod
80. t f r Raumstationen Studienarbeit IRS 94 S 03 Institut fiir Raumfahrtsysteme Universitat Stuttgart 1994 Feustel Biiechl Jorg Europa braucht die Internationale Raumstation 5 1 3 DGLR Mitteilungen 3 95 Deutsche Gesellschaft fiir Luft und Raumfahrt Bonn 1995 Hauser John R Clausing Don The House of Quality Harvard Business Review May June 1988 5 63 ff ISS Technical Data Book Sub System Environmental Control and Life Support System ECLSS on Flight 19A NASA Web Ver ffentlichung 20 Marz 1995 http issa www jsc nasa gov ss techdata ECLSS 19A html Johnson Gary W Kay Meg F LabView Programmer s Style Guide VVeb Ver ffentlichung 14 Juli 1994 Verf gbar als lvstyle ps unter ftp ftp natinst com support labview documents style guide postscript 53 Literaturverzeichnis 54 11 17 118 119 120 121 Kurtz H Energieversorgungssysteme f r die Raumfahrt Vorlesungsskript Institut f r Raumfahrtsysteme Universit t Stuttgart 1992 LabView User Manual for Windows National Instruments Austin TX 1994 Leonard Kathleen M Aksamentov Valery K Compatibility of Russian Life Support Systems to Future Space Missions Journal of Aerospace Engineering Vol 8 No 1 Januar 1995 S 68 ff Marquardt W Trends in Computer Aided Process Modeling Computers and Chemical Engineering Vol 20 No 6 7 Juni Juli 1996 S 591 ff Mavris Dimitri N HSCT Design St
81. tation Design Workshop zur Verf gung gestellt werden auch ein geeignetes Programm zum Entwurf und zur Simulation von Subsystemen erforderlich Dieses mu knappen Vorgaben und unterschiedlichen Beschreibungstiefen gerecht werden Neben seiner Verwendung f r Entwurfsaufgaben soll es auch in der Lehre zur Demonstration vernetzter Systemdyna mik eingesetzt werden Die auf der Basis der graphischen Programmierumgebung LabVIEW entwickelte L sung MELISSA erlaubt die Modellierung und Simulation von vernetzten dynamischen Syste men mittels graphischem Netzwerkeditor und interaktiven Bedienelementen Folgende Schritte sind dazu erforderlich 1 Auswahl der ben tigten Subsystemkomponenten 2 Verbinden der Ein und Ausg nge der gew hlten Komponenten in schaltplan hn licher Form 3 Anschlu von virtuellen Anzeigeinstrumenten f r Zwischen und Endergebnisse 4 Einstellen der gew nschten Anfangsbedingungen der Komponenten 5 Durchf hrung der Simulationsrechnungen mit dem modellierten System 6 gegebenenfalls zus tzliche Auswertung der gewonnenen Daten mit externen Pro grammen F r den Bereich des Lebenserhaltungs und Energieversorgungssystems sind bereits um fangreiche Modulbibliotheken vorprogrammiert die existierende Subsystem Hardware modellieren Weitere Ger te k nnen nach dem Beispiel der vorhandenen einfach hinzu gef gt werden Zum Nachweis der Leistungsf higkeit von MELISSA wurde das Lebenserhaltungssystem der Internation
82. ten des Grenzwertes f r den CO3 Partialdruck in der Luft Dieser ist f r die Internationale Raumstation mit 1010 Pa 134 Anhang B 1 spezifiziert Die Auswirkungen von Notma nahmen seitens der Crew wie der Einsatz von Lithiumhydroxyd zur Kohlendioxyd Bindung sind dabei jedoch nicht in Betracht gezogen Abbildung 4 13 zeigt den zeitlichen Verlauf der Luftzusammenset zung 4 3 3 Totalausfall des ECLS Subsystems Der v llige Ausfall aller ECLS Komponenten kann z B beim Ausfall der Energieversor gung eintreten Fin solcher Zwischenfall hat sich ebenfalls bereits auf der Raumstation Mir ereignet Er wird hier als worst case in Betracht gezogen Deshalb ist f r diese Unter suchung auch die Crew Anzahl von 4 auf 6 erh ht um ein notfallbedingtes Mitversorgen der Bewohner des russischen Teils der Internationalen Raumstation zu ber cksichtigen gleichzeitig ist das Komfort Niveau auf den niedrigsten Wert spartan gesetzt In der Simulation unterschreitet der Sauerstoffpartialdruck der Kabinenluft den Grenz wert von 19 5 kPa siehe wiederum 34 Anhang B 1 nach 234980 s ca 65 h Auch der COs Partialdruck bewegt sich zu diesem Zeitpunkt schon auf seinen Grenzwert zu Die Verl ufe der Luftzusammensetzung und der Tankinhalte sind in den Abbildungen 4 14 4 15 und 4 16 dargestellt 4 4 Diskussion der Ergebnisse Die Untersuchungen zeigen da das Modellieren von Lebenserhaltungssystemen und die Durchf hrung von Simulationsrechnungen
83. ter out kg s 0 00F Lx Potable Water kg s 0 00 1el Water Water u Tank H20 S vi Flow Demand kg s Lil Abbildung 3 7 N chster Schritt Anschlie en der Komponenten nauer eingegangen wird Abbildung 3 7 zeigt das Aussehen des Simulationsmodells im Diagramm nach Beenden dieses Schrittes Durch entsprechende Festlegungen in den Komponenten VIs ist sichergestellt da der Benutzer beim Verbinden der Module die notwendigen Anschl sse vornimmt required connections siehe Benutzerhandbuch im Anhang Zus tzlich kann im Hilfefenster an gezeigt werden an welchen Ausgang eines VIs ein Draht angeschlossen ist Auf diese Weise kann die korrekte Verkabelung berpr ft werden Nach Erstellen des Diagramms werden die zur Anzeige von Simulationswerten ben tigten Schnittstellen auf dem Front Panel eingef gt und angeschlossen Hier k nnen die von LabVIEW zur Verf gung gestellten Instrumentenbibliotheken benutzt werden die wie in Abbildung 3 8 ersichtlich vertraute Formen wie Digitalanzeigen oder Analoginstru mente enthalten Abschlie end k nnen noch Hilfsmodule die im Benutzerhandbuch detailliert beschrieben sind zur Vereinfachung des Simulationsablaufs eingef gt werden Sobald das MELISSA Modell eines Systems fertiggestellt ist kann mit Simulationsl ufen begonnen werden Dazu werden zun chst im Systemdiagramm und auf den Front Panels der beteiligten Module die gew nschten Anfangsbedingungen eingestel
84. the extent that B can use M to answer questions that interest him about A Dementsprechend wird auch bei der im Rahmen dieser Diplomarbeit erstellten Simula tionsumgebung auf einen gesunden Mittelweg zwischen Detailtreue auf der einen und Programmier und Bedienungsaufwand auf der anderen Seite Wert gelegt 1 2 Lebenserhaltungssysteme Lebenserhaltungssysteme sind eine unabdingbare Voraussetzung bemannter Raumfahrt missionen 34 Auch in anderen Bereichen werden sie eingesetzt um Menschen einen l ngeren Aufenthalt in lebensfeindlicher Umgebung zu erm glichen so z B in Untersee booten oder Schutzr umen 5 5 425 Der derzeitige Stand der Technik erlaubt jedoch nur relativ einfache Systeme Es domi nieren Konzepte die auf externem Nachschub von Verbrauchsg tern basieren und meist nur einfache Luft und Wasserreinigungsprozesse anwenden 5 S 134 F r zuk nftig geplante Raumfahrtprojekte wie Mond oder Marsmissionen oder auch zum Ausbau der im Entstehen begriffenen Internationalen Raumstation m ssen je doch diese Kreisl ufe wirksamer geschlossen werden 34 Dabei werden fortgeschrit tene physikalisch chemische Verfahren zur Anwendung kommen deren komplexes Zu sammenwirken den Einsatz von Simulationssoftware wie des im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Programmes MELISSA beim Entwurf erforderlich macht Die vollst ndige Schlie ung aller lebensnotwendigen Stoffkreisl ufe kann aber nur unter Einbeziehung biologisc
85. udy Tools Vortrag Georgia Tech AE 6351 Georgia Institute of Technology Atlanta GA 1995 Mavris Dimitri N DeLaurentis Daniel An Integrated Approach to Military Aircraft Selection and Concept Evaluation Paper presented at the Ist AIAA Aircraft Engineering Technology and Operations Congress Los Angeles CA September 19 21 1995 American Institute of Aeronautics and Astronautics 1995 Messerschmid Ernst Bertrand Reinhold Pohlemann Frank Raumstationen Vorabversion Springer Verlag Heidelberg 1997 Mir Status Report NASA Web Ver ffentlichung 28 M rz 1997 http shuttle mir nasa gov shuttle mir mir23 status vveek4 missrpt html Mir Status Report NASA Web Ver ffentlichung 4 April 1997 http shuttle mir nasa gov shuttle mir mir23 status vveek5 missrpt html Newman William M Lamming Michael G Interactive System Design Addison Wesley Publishing Company Cambridge 1995 Niven Larry Pournelle Jerry Lucifer s Hammer Ballantine Books New York 1977 Zitat auf S 638 Osburg Jan Space Missions to Mars Past Present and Future Georgia Tech AE 6250 Term Paper Georgia Institute of Technology Atlanta GA 1996 Puttkamer Jesco v Jahrtausendprojekt Mars Albert Langen Georg M ller Verlag M nchen 1996 124 125 126 27 128 129 30 31 32 33 34 35 Literaturverzeichnis Sanchez Susan M et al Quality by Design In Kusiak
86. ufgrund der hierarchischen und modularen Programmierung einfach m glich e Im Vergleich zu den oben vorgestellten Konkurrenten l t sich mit LabVIEW das Konzept der graphischen Modellierung und Bedienung am konsequentesten imple mentieren e Durch die intuitive Bedienoberfl che werden neue Benutzer schnell mit dem Pro gramm und darauf basierenden Anwendungen wie z B MELISSA vertraut e Die Bedienoberfl che ist bereits entsprechend den oben in Abschnitt 2 1 2 erw hn ten Grundlagen gestaltet siehe auch 1101 e LabVIEw kann sowohl auf PCs unter Windows 3 1 Windows 95 und Windows NT als auch auf Macintosh und diversen Unix Plattformen eingesetzt werden e Der interne Compiler liefert schnellen Code der bei entsprechender Hardware auch zur Parallelverarbeitung geeignet ist e Durch vorhandene Hardware Interface Funktionen kann gegebenenfalls auch ech te Versuchshardware in Simulationsl ufe eingebunden werden 2 3 Kurze Beschreibung des ausgew hlten Programms Die folgenden Darstellungen sollen soweit mit LabVIEW vertraut machen wie es zum Verst ndnis der weiteren Kapitel notwendig ist F r eine weitergehende Einf hrung sei auf das MELISSA Benutzerhandbuch im Anhang ab Seite 247 verwiesen Auch direkter Umgang mit LabVIEW stellt eine effiziente Erg nzung dar 2 3 1 Programmkonzept Ein LabVIEW Programm das aufgrund der me technischen Urspr nge der Software als Virtuelles Instrument V Dbezeichnet wird be
87. umgebung Bereits in der Aufgabenstellung werden mit den Begriffen transparent und ergono misch grundlegende Leistungsmerkmale der Simulationsumgebung spezifiziert Diese Forderungen bediirfen jedoch noch einer genaueren Definition um praktisch umgesetzt werden zu k nnen Auch in Bezug auf die gefordere graphisch interaktive Benutzer oberflache sind genauere Festlegungen von Nutzen 2 1 1 Erwartungen der Benutzer Die Simulationsumgebung soll sowohl den Systemingenieur bei Entwurf und Analyse des Lebenserhaltungssystems und anderer Subsysteme unterst tzen als auch in anschaulicher Weise Seminarteilnehmern die Zusammenh nge komplexer Systeme wie des Lebenser haltungssystems nahebringen Damit die Software diesen Anspriichen gerecht wird k nnen die von der Aufgaben stellung geforderten allgemeinen Eigenschaften im Rahmen des kundenorientierten Ent wurfsprozesses mittels einer House of Quality Matrix auf strukturierte und effiziente Weise in eine Liste konkreter Designvorgaben transformiert werden 15 29 24 181 Die Erstellung einer solchen Matrix siehe Abbildung 2 1 erfordert folgende Schritte 1 Schlagwortartiges Zusammenfassen der Kundenforderungen in der Forderungen Spalte Kundenorientierung 2 Grundlagen MELISSA House of Quality SSDW Benutzerschnittstelle Schnittstelle Interne Funktionen Zusammenhang stark schwach Umsetzung Intuitive Bedienung
88. von LabVIEW als spezielles VI gespeichert das nur ein Front Panel und kein Diagramm besitzt Globale Variablen stehen im Numeric Untermenu der Functions Palette zur Verf gung Icon Das graphische Symbol f r ein VI Indicator Ein Front Panel Element auf dem Daten angezeigt werden Eingaben sind nicht m glich Instrument Ein Front Panel Objekt das Daten enth lt d h ein Control oder ein In dicator ISS International Space Station LabView Name des als Basis f r MELISSA verwendeten Programms Laboratory Vir tual Instrument Engineering Workbench Hersteller National Instruments Inc Austin Texas Library Siehe Bibliothek LiOH Lithiumhydroxyd zur nicht regenerativen Entfernung von CO 2 aus der Atem luft MELISSA Name der entwickelten Simulationsumgebung Modular Environment for Life Support Systems Simulation and Analysis Modul Ein VI das eine Baugruppe eines Systems simuliert Palette LabVIEW Ausdruck f r ein graphisches Men dessen Elemente durch Symbole dargestellt werden Die am meisten benutzten Paletten sind die Controls Palette die Functions Palette beide auf Seite 13 abgebildet sowie die Tools Palette SAWD Solid Amine Water Desorption Methode zur Entfernung von Kohlendioxyd aus der Luft SFWE Static Feed Water Electrolysis Elektrolyseger t zur Erzeugung von Sauerstoff und Wasserstoff aus Wasser Shift register Ein optionales Element von Schleifenstrukturen mit d

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