1 Servicesatelliten für Wartung, Reparatur und Bahnänderung von Raumflugkörpern Rev. Stuttgart Apr Servicesatelliten für Wartung, Reparatur und Bahnänderung von Raumflugkörpern Unbemannter Service im All insbes. GEO G. Krülle ehem. DLR Stuttgart / Lampoldshausen PMO TV.Sat-TDF1 München Univ. Stuttgart -IRS

1 Servicesatelliten für Wartung, Reparatur und Bahnänderung von Raumflugkörpern Rev. Stuttgart Apr  Motivation  TV-Sat - SOS (Satellite for Orbital Services)  Anwendungen – spez. GEO  Projekte: ESS - OSS - Roger/ OLEV - Promess..  Robotik – Tecsas  Anforderungen an Service Satelliten  Situation im erdnahen Raum  Business Case Servicesatelliten …

1 Servicesatelliten für Wartung, Reparatur und Bahnänderung von Raumflugkörpern 3 Motivation TV-Sat - 1. deutscher Direktfernsehsatellit - versagt kurz nach dem Start Nov Solargeneratorflügel (N) klemmt - 2 Haken nicht gelöst - vollkommener Verlust der Mission, da Antenne (Rx) nicht in Endlage zu bringen Satellit - konnte trotz Schaden (Unsymmetrie) in Zielorbit (GEO) gebracht werden - alle Bus-Systeme funktionieren Behebungsmöglichkeit ausschließlich durch unbemannten Rettungssatelliten gegeben  Marktlücke ? Start-, Transfer- und Orbitalkonfiguration Rev. Stuttgart Apr. 2008

1 Servicesatelliten für Wartung, Reparatur und Bahnänderung von Raumflugkörpern Rev. Stuttgart Apr TV-Sat vor Start Solargenerator in Startposition einer von 6 Befestigungshaken

1 Servicesatelliten für Wartung, Reparatur und Bahnänderung von Raumflugkörpern Rev. Stuttgart Apr Projekt SOS – Satellite for Orbital Services (G. Krülle, J. Puls, G. Hirzinger, DLR, 1988) Experimentalsatellit zur Erprobung von Serviceleistungen im Orbit, spez. GEO  Billig-Erstellung durch Übernahme vorhandener Konzepte / Hardware Minimalaufwand bezüglich Standards / Verifikation / Dokumentation erhöhtes, aber akzeptables Risiko ?  Billigstart durch Adapterkonzept 2-/3-fach-Starts mit Ariane (4)  Dreiteilung: Antriebsteil int. Serviceteil Robotikteil

1 Servicesatelliten für Wartung, Reparatur und Bahnänderung von Raumflugkörpern 6 SOS System / Aktionen Subsysteme - Struktur: Adapterkonfiguration - Energie: Solarzellen auf Oberfläche (++) - Lageregelung und Antrieb: weitgehend ‚Symphoniekonzept‘ - TM/TC: S-band mit relativ hoher Bitrate - Tracking, ranging: über TM-Frequenzen? - Beobacht.: mehrere TV-Kamera, Sensoren; Kommunikation ? - Robotik: Arme mit mehreren Freiheits- graden; spezielle (End-)Effektoren Homing / Docking / Manipulation - Letzte Annäherung sichtkontrolliert und vom Boden aus gesteuert - SOS greift Zielsatellit an zentraler Stelle - Manipulator mit Werkzeug schneidet blockierte Haken Masse BoL 500 – 600 kg Rev. Stuttgart Apr. 2008

1 Servicesatelliten für Wartung, Reparatur und Bahnänderung von Raumflugkörpern 7  Potenzielles Anwendungszenario von Servicesatelliten Rev. Stuttgart Apr. 2008

1 Servicesatelliten für Wartung, Reparatur und Bahnänderung von Raumflugkörpern 8 Anwendung von Servicesatelliten  Inspektion von Zielsatelliten (Zustands-/Schadenserkennung) oder anderer Flugobjekte mittel  Wartung und/oder Reparatur von Satelliten, x **  Ersatz von Komponenten (‚ORUs‘) * gering *  Betankung von Satelliten * gering *  Bahnänderung Re-orbiting (aus GEO bzw. spez. Bahnen hoher Population  Graveyard (  300 km über GEO) hoch De-orbiting (aus niederen Bahnen < 1000 km) mittel Änderung von Bahnparametern (a, ,) , i, ,  mittel * erfordert entsprechende Einrichtung des Zielsatelliten ** hängt vom Einzelfall ab (TV-Sat)  Anwendung vor allem im erdnahen Raum in : - vorzugsweise GEO hoch - LEO, MEO verschiedener Inklination mittel - polaren (sonnensynchronen) Bahnen mittel zu Anwendungs- Wahrscheinlichkeit (intuitiv) Rev. Stuttgart Apr. 2008

1 Servicesatelliten für Wartung, Reparatur und Bahnänderung von Raumflugkörpern 9 Folgeprojekte ESS Experimenteller Service Satellit DARA … 1994 OSS Operationeller Servicing Satellit OHB / DLR 2000 ROGER Robotik Geostationary Orbit Restorer ConeXpress / OHB / Dutch Space / Qinetiq et al OLEV Promess Proj. Minimierter Experim. Service-Satellit / SO3S u. a. Standardisiertes Orb. Serv. Sat. System - Konzept ‚Stuttgart‘ 2000 ff Rev. Stuttgart Apr. 2008

1 Servicesatelliten für Wartung, Reparatur und Bahnänderung von Raumflugkörpern 10 ESS ‚Automatisierungstechnologien für die Raumfahrt, Der Experimentelle Service- Satellit ESS‘, G. Gölz, DARA Bonn, 1994 Zielsatellit TV-Sat (GEO, Bahndaten verfügbar) - Erprobung des Andockens unter remote control - Angriffsstelle 400N-Triebwerk - kommt mit einem Roboterarm aus (6 Freiheitsgr.) Masse 1300 kg Rev. Stuttgart Apr. 2008

1 Servicesatelliten für Wartung, Reparatur und Bahnänderung von Raumflugkörpern Rev. Stuttgart Apr Anflug- Szenario OSS (OHB, DLR – 2000) - Verifikation der Interaktion mit einem nicht-kooperativen Satelliten: ROSAT (Röntgen), Höhe 580 km, i = 53°, inaktiv, Zerodur!  controlled re-entry Masse BoL 1000 kg El. Leistung 400 W Trägerrak.: Kosmos

1 Servicesatelliten für Wartung, Reparatur und Bahnänderung von Raumflugkörpern 12 Rev. Stuttgart Apr OSS – Service-Satelliten: Missions-Aufgaben im einzelnen Phasen des orbitalen Fluges Orbitales Rendezvous ServSat- Flugkörperdynamik Zielsatellitenerkennung Zielanflug und – falls notwendig - Umfliegen Einfangen des Zielsatelliten Bestimmung der Zieldynamik Ausrichten des ServSat zum Zielsatelliten Berührung und Verankerung Stabilisierung der Kombination ServSat - Zielsatellit Intervention am Zielsatelliten Visuelle Inspektion und Diagnose des Zustandes des Z.S. Gemeinsames Ausrichten – falls missionserforderlich Manipulation / Re- oder De-Orbiting

1 Servicesatelliten für Wartung, Reparatur und Bahnänderung von Raumflugkörpern 13 OSS Rendezvous & Docking schwenkt dann auf SG-Fläche, um gute Ausgangsposition für de-orbiting-Manöver zu haben Rev. Stuttgart Apr OSS greift am Antennen- boom des ROSAT an  DLR FF-RM Video_Rosat \ossavi3a.avi …\ossavi4c.avi

1 Servicesatelliten für Wartung, Reparatur und Bahnänderung von Raumflugkörpern 14 OSS GNC - Übersicht 2 unabhängige (high level) Regelkreise Lageregelung Positionsregelung - Aktionen werden am Boden simuliert - Führungsgrößen werden dem Sat. vorgegeben - Regelkreise führen die Vorgaben selbständig aus TM/TC Bahnverfolgung-Tracking (10 -1 km) GPS (kontinuierlich /absolut. ca. 100 m) FGAN (Radar - absolut 20 m, relativ m) Mittelbereich-Sensor (1 km – 10 m) ? – Video? Relativer Positionssensor (100 m – 1 m) A&R Video-System (< 1 m) GNC Blockdiagramm  DLR FF-RM Sensoren für Posi- tions- Be- stimmung Rev. Stuttgart Apr. 2008

1 Servicesatelliten für Wartung, Reparatur und Bahnänderung von Raumflugkörpern 15 Rev. Stuttgart Apr Masse BoL 1450 kg el. Leistung 4300 W ConeXpress (Adapter-Prinzip) Roger Problem: Einfangen der Zielsatelliten und spätere Wieder-Freigabe Missionstrategie Einfangen eines Satelliten Gemeinsame Beförderung auf höhere Bahn Nach Ablösung Rückkehr des Service-Satelliten Einfangen des nächsten Sat. nach Positionsänderung  CX-OLEV Konzepte für Satellite reorbiting/ orbital recovery (GEO) OHB, DutchSpace et al. – 2002 ff.

1 Servicesatelliten für Wartung, Reparatur und Bahnänderung von Raumflugkörpern 16 Rev. Stuttgart Apr Kayser-Threde / OHB- Projekt OLEV (orbital life extension system)

1 Servicesatelliten für Wartung, Reparatur und Bahnänderung von Raumflugkörpern 17 Stuttgarter Projektvorschläge Promess : Angebot an DLR einer Billig-Servicesatelliten-Demonstration auf der Basis der AMSAT/Symphonie-Technologie, Start: Huckepack Masse BoL < 600 kg, el. Leistung 500 W Steinbeis Transferzentrum Raumfahrt (TZR), 2000 SO3S : Konzept eines standardisierten S-Satellitensystems ( kg Start) bestehend aus  einem einheitlichen Zentralkörper,  standardisierten Schnittstellen und  mehreren auf bestimmte Anwendungen spezialisierten Nutzlasten Satellit kann bei Vorliegen eines Versagensfalles kurzfristig integriert werden Start innerhalb von wenigen Monaten möglich. G. K., 2002 Planung eines Miniatur-Inspektionssatelliten (IRS) zur Verifikation der Grundmodalitäten der Missionsführung auf Lehr- und Lernbasis + Bodenstation, 2007 Rev. Stuttgart Apr. 2008

1 Servicesatelliten für Wartung, Reparatur und Bahnänderung von Raumflugkörpern 18  Robotik und Mechatronik (DLR-Institut FF-RM, O‘pfaffenhofen, et al.)  Verifikationsprojekte  Komponenten  Demonstrationen Rev. Stuttgart Apr. 2008

1 Servicesatelliten für Wartung, Reparatur und Bahnänderung von Raumflugkörpern 19 Projekte zur Robotik-Verifikation im Raum (DLR FF-RM) ROTEX - Robotikexperiment in Spacelab 1993 (Shuttle D2-Mission)  GETEX – Japan.-D Verifikationsmission 1999 auf ETS-VII (jap. Technologie-(Komm-)Satellit) Verifikationsziele : - Fernsteuerung unter Verzögerungsbedingungen (> 1 Sek.) – prädiktive Simulation - dynamischer Bewegungs-Simulator - ‚Weltmodell‘ (Vergleich synthetischer Daten (aus CAD/CAM- Systemen) mit realen (Video) Daten ROTEX beschickt ORU fängt freiflieg. Würfel TECSAS - Technol.-Satellitenpaar zur Verifikation von Service-Systemen im Hinblick auf überlastete Kreisbahnen ROKVISS – Test intelligenter Roboter-Gelenkeinheiten auf ISS 2005 ( Robot Komponenten Verifikation …) Rev. Stuttgart Apr. 2008

1 Servicesatelliten für Wartung, Reparatur und Bahnänderung von Raumflugkörpern 20 GETEX ETS VII Chaser + Target ETS VII Robotik- teil Arbeit der Bodenstation mit virtueller Realität Rev. Stuttgart Apr ROKVISS (DLR 2005) Telepräsenz-Experiment auf ISS Svesda (Service-Modul)

1 Servicesatelliten für Wartung, Reparatur und Bahnänderung von Raumflugkörpern 21 Gelenk- mechatronik TECSAS Technologieprogramm 2 Satelliten ähnlicher Bauart als Chaser and (stummes) Target erproben Kopplung und De-Orbiting Chaser 100  2.5 kg 80 Nm 85 W Start: Volna (SS-N-18) Rev. Stuttgart Apr. 2008

1 Servicesatelliten für Wartung, Reparatur und Bahnänderung von Raumflugkörpern 22 TECSAS Rev. Stuttgart Apr  DLR FF-RM Video_TECSAS\ Compound-operations.avi

1 Servicesatelliten für Wartung, Reparatur und Bahnänderung von Raumflugkörpern 23 Rev. Stuttgart Apr CanadArm2 (Reichweite  17 m) In Anwendung befindliche Roboter-Arme (ISS) ERA (Reichweite  10 m)

1 Servicesatelliten für Wartung, Reparatur und Bahnänderung von Raumflugkörpern 24 Service-Satelliten.., Folgerungen  Anforderungen / Rahmenspezifikation  Situation im erdnahenRaum  Business Case – Revenue ? Rev. Stuttgart Apr. 2008

1 Servicesatelliten für Wartung, Reparatur und Bahnänderung von Raumflugkörpern 25 Anforderungen an Service-Satelliten  Subsysteme Struktur, Thermal, Kabel /Housekeeping (Raum) Energie (Solargenerator, Aufbereitung, Batterie) Antriebe (Versorgung, Aktuatoren) TM/TC + OBDH (Data Handling) OCS (Bahnsteuerung und Zielannäherung über GNC) ACS – grob: Sonnensensoren, Magnetometer; Erdsensoren? fein: Sternsensoren (< 0.02 grd), Gyros; kein Drallrad! GNC (GPS, Software, Video) A&R – Autom.+Robotik (Video, Steuerung, Sender [10 W Hf] )  (Boden)TM/TC, Radar, Video – A&R-Station  Systemanpassung an Mission: Rendezvous / Docking / Manipulation im Prinzip erprobt, im einzelnen zu verifizieren – Kollisionsgefahr (S.G.!)  Low Cost -Erstellung /-Verifikation (STM -RM* -PFM)? / Billigstart  Zuverlässigkeit moderat  Verfügbarkeit hoch ?   v – Reserve t.b.d. – Hauptantrieb? (elektr. Antrieb?) *Referenzmodell Rev. Stuttgart Apr. 2008

1 Servicesatelliten für Wartung, Reparatur und Bahnänderung von Raumflugkörpern 26 Wir entdecken den Schwerpunkt:  ‚Müllbeseitigung‘ ‚Reparieren‘ / Entfernen Zurück zur Anwendung: Rev. Stuttgart Apr. 2008

1 Servicesatelliten für Wartung, Reparatur und Bahnänderung von Raumflugkörpern 27 Ausfall-/Fehlerszenario – Situation im erdnahen Raum Einzelschicksale: TV-Sat, Artemis, Rosat; Hubble; Olympus, Hipparcos, Horizont u. a. Space debris - Raummüll ca Starts seit Beginn der Raumfahrt   Objekte > 10 cm  7500 noch im Raum vorhanden, davon 6 % operationelle Satelliten 50 % nicht-operat. Sat., Oberstufen und missionsbezog. Objekte 44 % Trümmer v.  130 ‚Zerlegungen‘ 70 – 120 T Objekte > 1 cm 1996 extr. Nahe GEO Umgebung ( v = v GEO, i < 20 o ) 940 Objekte, darunter 730 Nutzlasten, davon 45 % operationell (aktive Bahnhaltung), Anzahl Objekte zunehmend nur 20 % des Restes haben ‚Graveyard‘-Richtlinien (ITU) befolgt Rev. Stuttgart Apr Status  2003

1 Servicesatelliten für Wartung, Reparatur und Bahnänderung von Raumflugkörpern 28 A Gesamtz. d. Objekte, n. katalogisiert B katalogisiert C Zerlegungsresultate D Satelliten E Raketenstufen/-teile F missionbezogene Objekte ‚Debris‘-Szenario, Forts Geschwindigkeitsbedarf  v für Beseitigung aus verschiedenen Orbits: Aus GEO in Friedhofsbahn:  v (netto)  11 m/s Aus LEO (+ polar) ( <  700 km) in Bahn mit Lebensdauer < 1 Jahr (  unkontr. verglühen):  v = 100 – 200 m/s Zur Folgeseite: Rev. Stuttgart Apr. 2008

1 Servicesatelliten für Wartung, Reparatur und Bahnänderung von Raumflugkörpern 29 Business Case - Revenue ( Kosten / Nutzen) ?  GEO säubern durch Re-Orbiting (  graveyard) von > Kommunikations-Satelliten am Lebensende (Roger..) verlängern der operationellen Lebensdauer (ca. ½ Jahr) durch Möglichkeit, Treibstoff restlos (ohne Friedhofsreserve) zu verbrauchen  10 Mill. $ / € Nutzungsgewinn pro Satellit - > nicht-operationellen Objekten  Mehrere Interessenten/Verursacher finanzieren Anteil  GEO beobachten (evt. aus GTO) - Trümmerszenario  LEO säubern ? durch De-Orbiting – hohe Beweglichkeit erforderlich -  v  polaren Orbit säubern ? “ “ “ Für die letzten 4 Aufgabenbereiche ist Unterstützung durch europ./nationale Organe unter Beteiligung der Verursacher auf der Basis von t.b.d. Regelungen nötig Rev. Stuttgart Apr. 2008

1 Servicesatelliten für Wartung, Reparatur und Bahnänderung von Raumflugkörpern 30 Marktlücke ? Europäisches (nationales) Interesse Chance durch Kompetenz Rev. Stuttgart Apr. 2008