Bsf01 Fundamentals And Applications Of Space Systems V1.2
Upcoming SlideShare
Loading in...5
×
 

Bsf01 Fundamentals And Applications Of Space Systems V1.2

on

  • 847 views

 

Statistics

Views

Total Views
847
Views on SlideShare
847
Embed Views
0

Actions

Likes
0
Downloads
10
Comments
0

0 Embeds 0

No embeds

Accessibility

Categories

Upload Details

Uploaded via as Adobe PDF

Usage Rights

© All Rights Reserved

Report content

Flagged as inappropriate Flag as inappropriate
Flag as inappropriate

Select your reason for flagging this presentation as inappropriate.

Cancel
  • Full Name Full Name Comment goes here.
    Are you sure you want to
    Your message goes here
    Processing…
Post Comment
Edit your comment

Bsf01 Fundamentals And Applications Of Space Systems V1.2 Bsf01 Fundamentals And Applications Of Space Systems V1.2 Presentation Transcript

  • Basics of Spaceflight Fundamentals & Applications  of Space Systems Prof. Dr.‐Ing. Bernd Dachwald dachwald@fh‐aachen.de Aerospace Technology Department Hohenstaufenallee 6, 52064 Aachen, Germany FH Aachen University of Applied Sciences Winter 2009 / 2010 v1.2
  • Overview and Introduction The Solar System The Solar System – Space Mission Targets Prof. Dr.‐Ing. Bernd Dachwald Introduction to Space Systems FH Aachen / Winter 2009/10 / v1.2      2
  • History of Spaceflight The Beginning of the Space Age • 04 Oct 1957 : Sputnik launched from  Baikonur on a modified intercontinental  rocket R‐7 (USSR) • 01 Feb 1958: Explorer 1 launched from  Cape Canaveral on a Jupiter‐C rocket (USA) Sputnik (USSR) Launched 04 Oct 1957 William Pickering, James Van Allen, and  R‐7 (USSR) Wernher von Braun with a model of  Explorer 1 Jupiter‐C (USA) Prof. Dr.‐Ing. Bernd Dachwald Introduction to Space Systems FH Aachen / Winter 2009/10 / v1.2      3
  • History of Spaceflight The Space Race Between the USA and the USSR Wernher von Braun Sergej Koroljow 1912 ‐ 1977 1907 ‐ 1966 Prof. Dr.‐Ing. Bernd Dachwald Introduction to Space Systems FH Aachen / Winter 2009/10 / v1.2      4
  • History of Spaceflight The Early Days of Human Spaceflight Juri Gagarin • 12 Apr 1961: First human spaceflight  (Juri Gagarin, USSR) • 05 May 1961: First American in space  (Alan Shepard, USA) 1961‐1963 • 18 Mar 1965: First EVA („spacewalk“,  Alexander Leonow, Woschod 2, USSR) • 19 Apr 1971: First Space Station Mercury capsule with (Salyut 1, USSR) launch escape tower Gemini 6 during rendezvouz with Gemini 7 Salyut 1 1965‐1966 Prof. Dr.‐Ing. Bernd Dachwald Introduction to Space Systems FH Aachen / Winter 2009/10 / v1.2      5
  • History of Spaceflight The Exploration of the Solar System • 04 Jan 1959: First lunar flyby (Lunik 1,  • 01 Sep 1979: First flyby of Saturn  USSR) (Pioneer 11, USA) • 14 Dec 1962: First flyby of Venus  • 24 Jan 1986: First flyby of Uranus  (Mariner 2, USA) (Voyager 2, USA) • 15 Jul 1965: First flyby of Mars (Mariner  • 14 Mar 1986: First flyby of a comet  4, USA) (Giotto, ESA) • 03 Feb 1966: First soft lunar landing  • 25 Aug 1989: First flyby of Neptune  (Luna 9, USSR) (Voyager 2, USA) • 15 Dec 1970: First landing on Venus  • 29 Oct 1992: First flyby of an asteroid  (Venera 7, USSR) (Gaspra, Galileo, USA) • 30 May 1971: First orbiter around Mars  • 13 Jul 1995: First orbiter around Jupiter  (Mariner 9, USA) (Galileo, USA) • 03 Dec 1973: First flyby of Jupiter  • 14 Feb 2000: First orbiter around an  (Pioneer 10, USA) asteroid (NEAR, USA) • 29 Mar 1974: First flyby of Mercury  • 01 Jul 2004: First orbiter around Saturn  (Mariner 10, USA) (Cassini/Huygens, USA, ESA, ASI) • 20 Aug 1975: First landing on Mars  … to be continued (Viking 1, USA) Prof. Dr.‐Ing. Bernd Dachwald Introduction to Space Systems FH Aachen / Winter 2009/10 / v1.2      6
  • History of Spaceflight Apollo: The Race to the Moon • 25 May 1961: John F. Kennedy: “I believe that this nation should commit itself to achieving the goal, before this decade is out, of landing a man on the moon and returning him safely to the earth.“ • 21 Jul 1969: Apollo 11,  first human on a celestial body • 14 Apr 1970: Apollo 13, farthest travel from Earth, near catas‐ trophic failure due to explosion of an oxygen tank • 14 Dec 1972:  Apollo 17,  last human on a celestial body Prof. Dr.‐Ing. Bernd Dachwald Introduction to Space Systems FH Aachen / Winter 2009/10 / v1.2      7
  • History of Spaceflight The Space Shuttle Program • Officially, the Space Shuttle is called STS, Space Transportation System • Oct 1969: Preliminary Studies • 05 Jan 1972: Formal launch of the  program • 17 Sep 1976: Roll‐out of the Enterprise • 12 Apr 1981: Maiden flight of Columbia  (STS‐1) • 28 Jan 1986: Challenger disaster • 29 Sep 1988: Return to flight • 01 Feb 2003: Columbia disaster • 26 Jul 2005: Return to flight • 2010: Last space shuttle flight (?) The maiden flight of Space Shuttle Columbia on 12 Apr 1981 Prof. Dr.‐Ing. Bernd Dachwald Introduction to Space Systems FH Aachen / Winter 2009/10 / v1.2      8
  • History of Spaceflight Europe’s Way Into Space • Early 1960s: Formation of the  European Launcher Development  Organisation (ELDO) and the  European Space Research  Organisation (ESRO) • 06 Jun 1970: First successful launch  of an ELDO rocket (Europa 1, the  first launch on 30 Nov 1968 and the  second launch failed) Europa 1 • 1975: Establishment of the  European Space Agency (ESA),  merging ELDO and ESRO • 24 Dec 1979: First launch of an  Ariane 1 • 30 Oct 1997: First successful launch  of an Ariane 5 (the first launch on 04  Jun 1996 failed) Ariane 1 Ariane 5 Prof. Dr.‐Ing. Bernd Dachwald Introduction to Space Systems FH Aachen / Winter 2009/10 / v1.2      9
  • Space Mission Elements Space Mission Elements Payload Orbit Spacecraft Bus Space Segment Launch Segment Ground Segment Launcher Ground Station Network Launch Site Control Center Prof. Dr.‐Ing. Bernd Dachwald Introduction to Space Systems FH Aachen / Winter 2009/10 / v1.2      10
  • Space Mission Elements Spacecraft Project Elements Space Segment Ground Segment Launch Segment Adapted from [Br02] Prof. Dr.‐Ing. Bernd Dachwald Introduction to Space Systems FH Aachen / Winter 2009/10 / v1.2      11
  • Space Mission Elements Spacecraft Subsystems Adapted from [Br02] Prof. Dr.‐Ing. Bernd Dachwald Introduction to Space Systems FH Aachen / Winter 2009/10 / v1.2      12
  • Space Mission Elements Spacecraft Subsystems Adapted from [Br02] Prof. Dr.‐Ing. Bernd Dachwald Introduction to Space Systems FH Aachen / Winter 2009/10 / v1.2      13
  • Space System Applications and Design Examples Overview Prof. Dr.‐Ing. Bernd Dachwald Introduction to Space Systems FH Aachen / Winter 2009/10 / v1.2      14
  • Space System Applications and Design Examples Earth Observation Disaster Mitigation Tracking and  forecasting of  storm motion Mapping of  wildfires using infrared  sensors Mapping of  floods Prof. Dr.‐Ing. Bernd Dachwald Introduction to Space Systems FH Aachen / Winter 2009/10 / v1.2      15
  • Space System Applications and Design Examples Earth Observation Energy Resource Management Coastal wind mapping  using radar satellites  Solar irradiance map Prof. Dr.‐Ing. Bernd Dachwald Introduction to Space Systems FH Aachen / Winter 2009/10 / v1.2      16
  • Space System Applications and Design Examples Earth Observation Conserving Ecosystems and Biodiversity 1975 1992 Radar instruments on board satellites  such as ESA’s ERS‐2 and Envisat can  pierce through the near‐total cloud cover  of the rainforest to identify illegal forest  clearance or settlements, data that can  be integrated with visible imagery from  satellites and with ground observations  2000 2002 provided by organizations working in the  Landsat time series images of large scale deforestation in the Amazon. area – before being supplied to local  Such images have raised global awareness of deforestation.  authorities.  Prof. Dr.‐Ing. Bernd Dachwald Introduction to Space Systems FH Aachen / Winter 2009/10 / v1.2      17
  • Space System Applications and Design Examples Earth Observation Climate Change Prof. Dr.‐Ing. Bernd Dachwald Introduction to Space Systems FH Aachen / Winter 2009/10 / v1.2      18
  • Space System Applications and Design Examples Earth Observation TerraSAR‐X • Payload: high‐resolution radar • Orbit: Polar LEO (520 km altitude) • Mass: 1200 kg • Launch: 15 June 2007 • Launcher: DNEPR‐1 • Manufactured by EADS Astrium • Operated by GSOC • Nominal lifetime: 5 years • Will be complemented by a second  satellite, TanDEM‐X in December 2009 • Together, they will generate high‐precision  elevation model of the Earth Prof. Dr.‐Ing. Bernd Dachwald Introduction to Space Systems FH Aachen / Winter 2009/10 / v1.2      19
  • Space System Applications and Design Examples Communication Communication Satellites – EUTELSAT W5 • Largest field of application for  commercial satellites • Payload: 24 transponders • Geostationary orbit (35 786 km altitude) • Launch: 20 Nov 2002 • Launcher: Delta IV Medium • Positioned by GSOC • Nominal lifetime: 12 years • Launch Mass: 3170 kg • On‐station mass: 1900 kg • Power consumption: 5900 W Prof. Dr.‐Ing. Bernd Dachwald Introduction to Space Systems FH Aachen / Winter 2009/10 / v1.2      20
  • Space System Applications and Design Examples Navigation Navigation Satellite Systems • GPS (USA) • GLONASS (Russia) • Galileo (Europe) Prof. Dr.‐Ing. Bernd Dachwald Introduction to Space Systems FH Aachen / Winter 2009/10 / v1.2      21
  • Space System Applications and Design Examples Solar System Exploration Rosetta / Philae (Overview) • First comet orbiter and lander (67P/Churyumov‐Gerasimenko) • First solar‐powered deep space  probe • Mission: 2003 – 2015 • Launcher: Ariane 5 • Mission type: chemical (with  EMEE gravity assists) • Mass: 3065kg – 1135 kg dry – 1719 kg propellant – 165 kg orbiter science payload – 108 kg lander • Telemetry: 10 bit/s – 22 kbit/s • Power consumption: 400 W at  the comet • Cost: 1000 M€ Prof. Dr.‐Ing. Bernd Dachwald Introduction to Space Systems FH Aachen / Winter 2009/10 / v1.2      22
  • Space System Applications and Design Examples Solar System Exploration Rosetta / Philae (Science Objectives) • Comets are the most primitive  objects in the solar system and  therefore hold many clues to its  origin and evolution • Characterization of the comet  nucleus (determination of  Coma of comet Borelly dynamic properties, surface  morphology, and composition) Nucleus of comet Borelly, as  imaged by the Deep Space 1  • Determination of the chemical,  spacecraft mineralogical, and isotopic  Nucleus of comet Wild 2, as imaged by the  composition of the comet  Stardust spacecraft Coma of comet Wild 2 nucleus • Study of the development of  cometary activity and the  processes in the surface layer of  the nucleus and the inner coma Prof. Dr.‐Ing. Bernd Dachwald Introduction to Space Systems FH Aachen / Winter 2009/10 / v1.2      23
  • Space System Applications and Design Examples Solar System Exploration Rosetta / Philae (Spacecraft Design Drivers) • Reliability: 10 years of flight before  reaching the target • Electric power: from solar arrays at  0.9 AU < r < 5.7 AU (1680 W/m2 > S > 43 W/m2) – Thermal control ! – Telecommunication ! • Autonomy: Round‐trip light time up to  90 min • Flying close to a small body (disturbances  and risk of collision) – Navigation accuracy ! – Autonomy ! Prof. Dr.‐Ing. Bernd Dachwald Introduction to Space Systems FH Aachen / Winter 2009/10 / v1.2      24
  • Space System Applications and Design Examples Astronomy and Fundamental Physics Astronomy and Fundamental Physics Mission Kepler USA, Launch 2009, Earth‐trailing orbit The first mission that will  be able to detect Earth‐ sized planets Hubble Space Telescope USA, Europe, Launch 1990, LEO Brilliant pictures of the universe LISA WMAP USA, Launch 2001, L2 Europe, USA, Launch ≈2019, Earth‐trailing orbit Measurement of gravitational waves Exact determination of the age and the topology,  and the fabric of the universe Prof. Dr.‐Ing. Bernd Dachwald Introduction to Space Systems FH Aachen / Winter 2009/10 / v1.2      25
  • Space Mission Characteristics Characteristics of Space Systems Development • Broad range of requirements from different parties • Procurement in small numbers → uniqueness • Long development cycles (≈ 20 years for the ISS)  → significant technology changes over the  development life cycle • Inability to perform in‐space repairs and upgrades  → reliability and redundancy  • Co‐operation between many parties – persons – companies – agencies – countries with different backgrounds and objectives Prof. Dr.‐Ing. Bernd Dachwald Introduction to Space Systems FH Aachen / Winter 2009/10 / v1.2      26
  • Space Mission Characteristics General Requirements for Space Systems Prof. Dr.‐Ing. Bernd Dachwald Introduction to Space Systems FH Aachen / Winter 2009/10 / v1.2      27
  • References References [Ro08] Lucy Rogers: It’s ONLY Rocket Science. An Introduction in Plain English. Springer, 2008 [Sw08] Graham Swinerd: How Spacecraft Fly. Spaceflight Without Formulae. Springer, 2008 [Se05] Jerry Jon Sellers: Understanding Space. An Introduction to Astronautics. Third Edition. McGraw‐Hill, 2005 [Gr04] Michael D. Griffin, James D. French:  Space Vehicle Design. Second Edition. AIAA Education Series, 2004 Prof. Dr.‐Ing. Bernd Dachwald Introduction to Space Systems FH Aachen / Winter 2009/10 / v1.2      28