Systemanalyse & Regelung
Die Forschungsgruppe Systemanalyse und Regelung befasst sich mit der Beschreibung und Analyse des Gesamtsystems Flüssigkeitsraketentriebwerk inklusive dessen transienten Verhaltens, welches sich durch den gekoppelten Betrieb der einzelnen Komponenten ergibt. Ein weiterer Forschungsschwerpunkt liegt in der Entwicklung geeigneter Steuerungs-, Regelungs- und Zustandsüberwachungskonzepte.
Aufgrund der komplexen physikalischen Prozesse innerhalb der Komponenten des Triebwerks sowie der Wechselwirkungen der Komponenten untereinander, besitzen Flüssigraketenantriebe ein vielschichtiges, teilweise hochdynamisches Systemverhalten. Beim Betrieb müssen daher die Konditionierung des Triebwerks, das Zünden von Vor- und Hauptbrennkammern sowie das Hochfahren der Turbopumpen in eng abgestimmter Weise erfolgen und Betriebspunktwechsel präzise durchgeführt werden. Eine optimale Steuerung beziehungsweise Regelung kann nicht nur die Antriebsleistung garantieren, sondern auch die Lebensdauer signifikant erhöhen und so wesentlich zu einem kosteneffizienten Betrieb wiederverwendbarer Triebwerke beitragen. Raketentriebwerke sind anfällig für eine Vielzahl von Fehlern. Aufgrund der notwendigen Gewichtsminimierung werden die Triebwerke an der Grenze des technisch Möglichen betrieben, und ein abnormales Verhalten kann verheerende Folgen haben. Die immensen Kosten, die mit dem Verlust der Trägerrakete oder eines Prüfstandes verbunden sind, zeigen die Wichtigkeit eines geeigneten Zustandsüberwachungssystems. Ein solches System muss auf der Grundlage der verfügbaren Sensordaten Anomalien in Echtzeit erkennen und beurteilen, um zum Beispiel eine erforderliche Notabschaltung oder Rekonfiguration auszulösen.
Zum Einsatz kommen moderne Informatikmethoden, insbesondere auch Techniken des maschinellen Lernens. Im Fokus stehen einerseits validierte physikalische und Daten-basierte Modelle für die Systembeschreibung und Systemanalyse und anderseits die Kombination von fortschrittlicher Regelungstechnik mit Methoden der Künstlichen Intelligenz für den effizienten und sicheren Betrieb. Die Forschungsarbeiten besitzen einen hohen Anwendungsbezug und sind in ein nationales und internationales Netzwerk führender Universitäten, Forschungseinrichtungen und Industrieunternehmen eingebettet.
Zu den Aktivitäten gehören insbesondere:
- Beschreibung des Systems und einzelner Komponenten auf Basis von physikalischen und Daten-basierten Modellen,
- Vergleichende Betrachtung unterschiedlicher Architekturen und multidisziplinäre Entwurfsoptimierung,
- Entwurf optimaler Steuerungen und robuster Regelungen für den transienten und stationären Betriebsbereich,
- Entwicklung von Zustandsüberwachungssystemen und fehlertoleranter Regelung.
Die Forschungsgruppe unterstützt unter anderem durch Entwurfsoptimierung die Umsetzung von Triebwerksdemonstratoren wie LUMEN, dessen Betrieb wiederum die Grundlage zur Modellvalidierung und Evaluierung der entwickelten intelligenten Regelungssysteme darstellt.
Neben dem Einsatz bei Raketentriebwerken werden die entwickelten Methoden auch an den (Groß-) Prüfständen eingesetzt und erhöhen Effizienz und Sicherheit der Testinfrastruktur.
Des Weiteren wird im Rahmen einer engen Kooperation mit dem Informatikinstitut der Julius-Maximilians-Universität der Einsatz der intelligenten Regelungssysteme bei weiteren Raumfahrtsystemen wie Satelliten erforscht.