Mit der SLS-Rakete

Das Orion-Raumschiff ist auf dem Weg zum Mond

16. November 2022, 11:00 Uhr | Tobias Schlichtmeier
SLS
Bild 3: Das SLS ist eine fortschrittliche Schwerlast-Trägerrakete, die der Wissenschaft und der Erforschung des Weltalls durch den Menschen neue Möglichkeiten bieten wird.
© NASA/MSFC

Mit dem »Artemis«-Programm strebt die NASA eine langfristige Präsenz auf dem Mond an. Hierfür ist modernste Technik nötig. Zum Beispiel Simulink von MathWorks, mit dem sich Modelle für die Bewegungen des Spaceshuttles im Weltraum erstellen lassen.

Seit 1972, also seit fast 50 Jahren, hat kein Mensch mehr den Mond betreten. Aber wenn alles läuft wie geplant, sind wir schon bald zurück. Derzeit entwickelt die NASA das »Artemis-Programm«, benannt nach der griechischen Göttin der Jagd und des Mondes. Die unbemannte »Artemis-I«-Mission dient dabei der Erprobung einer neuen Rakete, des Space Launch System (SLS, Bild 1). Mit einer maximalen Schubkraft von 39,1 Meganewton (8,8 Mio. Pfund) ist das SLS die leistungsstärkste jemals gebaute Rakete.

Aber das SLS ist lediglich ein Teil des gesamten Artemis-Technologiekonzepts. Oberhalb des SLS, das mehr als 30 Stockwerke hoch ist, wird Orion thronen und bis zu sechs Personen zum Mond und darüber hinaus befördern können. Dessen System wurde so konzipiert, dass es die Besatzung vor den extremen Bedingungen in den Weiten des Weltalls schützt. Mithilfe des SLS wird Orion in eine Mondumlaufbahn gebracht.

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NASA Space Launch System
Bild 1: Künstlerische Darstellung des NASA Space Launch System.
© Lockheed Martin Corporation

Artemis I stellt einen Meilenstein auf dem Weg zur Erforschung des Mondes und zur künftigen Errichtung eines Basislagers auf der Mondoberfläche dar. Die Mission Artemis II folgt ein Jahr später, diesmal mit Astronauten an Bord der Orion-Kapsel. Mit Artemis III soll 2024 erstmals eine Frau sowie eine »Person of Color« auf der Mondoberfläche landen. Künftige Artemis-Missionen sollen auf dem Mond eine Infrastruktur aufbauen, die es ermöglicht, die Erforschung, die industrielle Entwicklung sowie Innovationen voranzutreiben und uns Möglichkeiten aufzeigen, die uns bis zum Mars bringen könnten.

Die griechische Göttin Artemis wurde kurz vor ihrem Zwillingsbruder Apollo geboren, aber die Artemis der NASA ist jünger – und klüger – als Apollo. Die Computer an Bord von Apollo 11, die 1969 die ersten Menschen auf den Mond brachte, waren mit lediglich 4 KB RAM ausgestattet. Im Vergleich dazu sind die neuesten iPhone-Modelle Millionen Mal leistungsfähiger. Auch die Computer, auf denen die Software für Artemis entwickelt und ausgeführt wird, verfügen über weitaus mehr. Es geht jedoch nicht nur um den Arbeitsspeicher. Den Ingenieurinnen und Ingenieuren stehen heute neue Tools zur Verfügung, mit denen sie effizienter arbeiten und den Entwicklungsprozess optimieren und beschleunigen können.

Orion-Raumfahrzeug
Bild 2: Das Orion-Raumfahrzeug im NASA Kennedy Operations and Checkout Building.
© Lockheed Martin Corporation

Unter der Haube

Hector Hernandez ist an seiner Arbeitsstelle bei Lockheed Martin, einem US-amerikanischen Rüstungs- und Technologiekonzern, der vor allem in der militärischen und zivilen Luftfahrt als auch in der Raumfahrt aktiv ist, der verantwortliche Analyst für das Energiesystem von Orion (Bild 2). »Wir streben eine langfristige Präsenz auf dem Mond an«, erläutert er, »damit wir uns auf die größere Herausforderung vorbereiten können – die Mission zum Mars. Darauf liegt unser Fokus.«

Sein Team verwendet eine Software, die die gesamte Hardware modelliert, sodass eventuelle Fehler frühzeitig erkannt und vermieden werden können. »Wir stellen damit sicher, dass alle Komponenten, die mit dem System verbunden sind, sowie das System selbst, bestens ineinandergreifen können«, fügt er hinzu.

Das Energiesystem besteht aus Batterien, Solarzellen, Computern, Kabeln und Verbindungsknoten. Der Erfolg der Mission und das Überleben der Besatzung hängen von der Qualität der Stromversorgung ab – das bedeutet, dass alle Komponenten mit einer Spannung versorgt werden, die in einem bestimmten Bereich liegt, sodass es zu keinen signifikanten Spannungsschwankungen kommt. Mithilfe von Modellen kann das Team dabei die Größe und die Verbindungen zwischen verschiedenen Elementen festlegen. Darüber hinaus helfen ihnen Modelle auch bei der Überwachung von Missionen und bei wichtigen Entscheidungen. Wenn am eigentlichen Raumfahrzeug etwas schief geht, lassen sich die Fehler simulieren und die Reaktion des Modells beobachten, woraufhin der Besatzung empfohlen wird, die Mission abzubrechen oder andere Maßnahmen zu ergreifen.

Hernandez setzt auf Simulink von MathWorks, mit dem er ein Modell namens »Spacecraft Power Capability« (SPoC) entwickelt hat. Viele der Blöcke des Modells hat er mithilfe von Simscape Electrical erstellt, das die Physik elektrischer Systeme modelliert. Es gibt Blöcke für Batterien, Solarzellen und vieles mehr. Früher verwendete man hierfür Tabellenkalkulationen in Microsoft Excel. Hernandez verwendet diese immer noch, um einige Fragen schnell zu beantworten, aber sie sind nicht in der Lage, Mehrknotensysteme zu modellieren, bei denen es mehrere Kabelverzweigungen gibt. »Wenn wir uns um das Beantworten komplexerer Fragen bemühen, dann kommt SPoC ins Spiel«, verrät er.

Er fügt hinzu: »Ich persönlich bevorzuge eher Bilder.« Das Bewegen von grafischen Elementen vermittelt ein intuitives Gefühl dafür, wie alles zusammenhängt. Mit Simulink entfällt so die Notwendigkeit, sich mit einer Fülle von Low-Level-Code zu befassen. Zudem macht es die Modelle für andere verständlicher, und ermöglicht es den Entwicklern, bestimmte IP in den Blöcken zu verstecken. »Auf diese Weise bleiben viele der hässlichen Details unter der Haube«, bemerkt Hernandez.

Bis heute hat die SPoC alle ihre Reviews bestanden. Das Verhalten entspricht dem des physischen Orion. Und wann immer das Team aktuelle Testdaten von Orion erhält, nutzt es diese, um sein Modell zu verbessern. »Mein nächster Schritt ist es, die Artemis-I-Mission erfolgreich durchzuführen«, erklärt er. »Anschließend richtet sich das Augenmerk auf Artemis II.«

SLS
Bild 3: Das SLS ist eine fortschrittliche Schwerlast-Trägerrakete, die der Wissenschaft und der Erforschung des Weltalls durch den Menschen neue Möglichkeiten bieten wird.
© NASA/MSFC

Fehlermanagement ist für die NASA von entscheidender Bedeutung

Auf dem Weg zum Mond kann eine Menge schief gehen. Beim Entwickeln des SLS haben die Ingenieure und Wissenschaftler der NASA ein Softwaremodell der missionskritischen Algorithmen erstellt. Es sind diese Algorithmen, die das Raumfahrzeug auf potenzielle Fehler überwachen, die eine Gefahr für Ausrüstung und Besatzung an Bord darstellen könnten.

Die zuverlässige Verifizierung der Algorithmen für das Missions- und Fehlermanagement (M&FM) ist laut einem von Wissenschaftlern und Ingenieuren des SLS-Teams veröffentlichten Bericht von entscheidender Bedeutung für den Erfolg der Mission. Das Team beschrieb den Entwicklungsprozess in der Publikation »Modeling in the Stateflow Environment to Support Launch Vehicle Verification Testing for Mission and Fault Management Algorithms in the NASA Space Launch System«.

In dem Paper heißt es: »Die Vermeidung von Fehlern in Missions-Managementsystemen (einschließlich des Fehler-Managementsystemen) ist das Leitthema des M&FM-Testteams, das an sicherheitskritischen Systemalgorithmen für die Flugsoftware (FSW)-Implementierung im SLS-Programm arbeitet.«

Im Inneren einer Rakete kann eine Menge aus dem Ruder laufen, darunter auch Fehler, die für das Raumfahrzeug oder die Menschen an Bord fatal sein können. Die Aufgabe des M&FM-Team von Artemis besteht darin, Software-Algorithmen für die Rakete zu entwickeln, die diese auf Anomalien prüfen. Hierauf aufbauend kann das Bodenkontrollteam entscheiden, ob es beispielsweise die Startsequenz stoppt oder die gesamte Mission abbricht.

Anstatt die Algorithmen an der realen Rakete zu entwickeln und zu testen, entwarf das M&FM-Team von Artemis eine eigene Softwaresimulation des SLS, das so genannte State Analysis Model (SAM). Sobald das Team mit der Leistung seiner Fehlerüberwachungsalgorithmen auf dieser virtuellen Rakete zufrieden ist, kodiert es sie in einer Sprache, die es auf das SLS hochladen kann.

Das Team modelliert dabei jede einzelne Avionik-Komponente. Es ist ein wahrer Buchstabensalat aus Komponenten. So gibt es beispielsweise die Stromverteilungs- und Steuereinheit (Power Distribution and Control Unit, PDCU), eine Box mit elektrischen Schaltern für andere Einheiten, wie die redundante Trägheitsnavigation, die Hydraulikeinheit (HPU) und die TVC-Aktorsteuerungen (TACs). Die TACs werden von der PDCU mit Strom versorgt und steuern ihrerseits die hydraulischen Aktoren der Schubvektorsteuerung (TVC), die die Triebwerke ausrichten. Andere Einheiten steuern wiederum Pumpen und Ventile für die Triebwerke.

Theoretisch könnte das M&FM-Team ein detailliertes physikalisches Modell des Ganzen erstellen, aber das würde lediglich sehr langsam laufen. Stattdessen verwendet es ein in Stateflow konstruiertes Modell, das durch Linien verbundene Boxen darstellt. Das Modell wird als Zustandsmaschine bezeichnet – jede Box stellt einen möglichen Zustand eines Aspekts des Systems dar. Eine Box repräsentiert beispielsweise, dass das Ventil geöffnet ist, eine andere, dass es geschlossen ist. Die Linien stellen Übergänge zwischen Zuständen dar, die durch bestimmte Ereignisse ausgelöst werden. Ein Blick in eine Box zeigt einen in MATLAB geschriebenen Code oder ein grafisches Modell der Simulink-Software, das den Zustand beschreibt und diese Informationen an andere Komponenten weitergibt.

Das Stateflow-Diagramm beschreibt die Logik des Systems. Stateflow- und Simulink-Modelle ähneln mit Linien verbundenen Boxen, agieren aber auf unterschiedlichen Ebenen. »Nehmen wir an, Sie gehen eine Straße entlang und kommen an eine Kreuzung«, erläutert Ossi Saarela, Space Segment Manager bei MathWorks. »Stateflow gibt vor, ob man nach rechts oder links geht, und Simulink hilft, dabei das richtige Gleichgewicht zu halten.«

Das Team verfügt ebenfalls über ein physikbasiertes Modell, das sogenannte System Integration Lab (SIL). In dem NASA-Papier heißt es: »Das SIL ist ein hochrealistisches Testsystem, das die tatsächliche Flugsoftware mit einer Mischung aus realer und simulierter SLS-Hardware und -Umgebung integriert.«

Aber das M&FM-Team ist auf beide Arten von Modellen angewiesen. Das SIL verwendet die gleiche Software und Bordelektronik wie die Rakete und hat sogar die Verkabelung in gleicher Länge, sodass eine viel höhere Wiedergabetreue gewährleistet ist. Durch den Vergleich der Modelle kann das Team die Ergebnisse aus dem SIL nutzen, um SAM zu verbessern.

Das M&FM-Team musste die richtigen Skripte ausarbeiten, um eine Optimierung der Geschwindigkeit von SAM zu erreichen. Es galt zu entscheiden, welche Testfälle durchgeführt werden sollten und wie bestimmt wurde, ob das System sie bestanden hat. Jetzt kann das Team mit SAM Simulationen so schnell iterieren, dass es wie eine »Kristallkugel« wirkt und voraussagt, welche Ergebnisse von SIL zu erwarten sind. In dem Paper heißt es, dass SAM etwa 120 Sekunden für die Ausführung eines Missionsstartprofils auf einem Standard-PC benötigt. Nachdem das Team zahlreiche Tests durchgeführt und mehrere Meilensteine erreicht hatte, stellte es fest, dass die Ergebnisse von SAM in den meisten Fällen genau mit denen des SIL übereinstimmen.

Ein weiteres entscheidendes Ereignis war der Hot-Fire-Test, bei dem die NASA die Rakete am Boden befestigt und ihre Triebwerke zündet. »Wenn die Triebwerke zünden, spürt man das meilenweit«, berichtet Saarela. »Es wird eine enorme Menge an Energie freigesetzt. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, dass wir das genaue Verhalten aller Komponenten im Vorfeld berechnen und vorhersagen können.« Was das Team gelernt hat, kann auch an anderer Stelle angewandt werden, denn die NASA hat viele spannende Programme in Planung.

»Neue Entwicklungen wie das Human Landing System von Artemis oder sogar die Mars-Ascent-Vehicle-Rakete profitieren sicherlich von den neuen Tools und Verfahren, die beim SLS zum Einsatz kommen«, betont Saarela. »Die Luft- und Raumfahrttechnik befindet sich in einer Hochphase der technischen Entwicklung.«

Orion-Raumfahrzeug
Bild 4: Das Orion-Raumfahrzeug.
© Lockheed Martin Corporation

Autocodierung des Autopiloten

Die NASA verwendet Softwaremodelle nicht nur zum Testen von Algorithmen und zur Simulation von Hardware, sondern auch zum Erstellen des eigentlichen Codes für die Raumkapsel der Besatzung. Guidance, Navigation, and Control (GNC) ist im Grunde der Autopilot für ein Raumschiff, der Sensordaten integriert und seine Flugbahn plant. Früher verfassten die GNC-Entwickler die Anforderungen, anhand derer die Software-Ingenieure den endgültigen Code schrieben. Die neue Methode setzt auf Model-Based Design. Statt statische Spezifikationen zu schreiben, erstellen die Entwickler ein ausführbares Modell, das sie schnell testen und weiterentwickeln können. Die Software übersetzt dann automatisch die Algorithmen in diesem Modell in den finalen Code. Beim Model-Based Design schreiben die Entwickler keine statischen Spezifikationen, sondern erstellen ein ausführbares Modell, aus dem die Software dann automatisch die Algorithmen in den finalen Code übersetzt.

Die GNC-Entwickler von Orion (Bild 4) verwenden Simulink. Sie können das Simulink-Modell in Trick einbinden, die hochrealistische Softwaresimulation der NASA für das Raumfahrzeug und dessen physikalische Bewegungen im Weltraum. Sobald sie mit dem Modell zufrieden sind, erstellt der »Embedded Coder« den Steuerungscode in C++, den man auch in Trick einfügen kann. MATLAB kann das Simulink-Modell und den C++ Code überprüfen, um sicherzustellen, dass sie exakt das Gleiche tun. Anschließend wird der C++ Code auf das Raumfahrzeug geladen.

Model-Based Design spart wertvolle Zeit, da der Code beim Entwickeln der Algorithmen nicht mehr manuell zu schreiben und zu überarbeiten ist. Zudem reduziert man hiermit Low-Level-Codierungsfehler auf ein Minimum. Gleichzeitig lassen sich die Algorithmen so leichter überprüfen. Mittlerweile sind Computer intelligent genug, um Raketen zu steuern – und um den entsprechenden Code zu schreiben, der intelligent genug ist, um Raketen zu steuern.

Laut NASA »wird die NASA mit den Artemis-Missionen die erste Frau und die erste Person of Color auf dem Mond landen und innovative Technologien einsetzen, um die Mondoberfläche in einem größeren Umfang als je zuvor zu erforschen. Wir werden mit kommerziellen und internationalen Partnern zusammenarbeiten und die erste langfristige Präsenz auf dem Mond aufbauen. Die Erkenntnisse, die wir auf und um den Mond herum gewonnen haben, werden wir anschließend nutzen, um den nächsten großen Schritt zu wagen: Die ersten Astronauten zum Mars zu schicken.«


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