Wie werden Satelliten geplant und dimensioniert?

[tomtom]

Ich würde gerne mal wissen, wie Satelliten geplant und dimensioniert werden und zwar bzgl. Masse und Volumen.

Mein Ausgangspunkt ist, das Satelliten natürlich meistens Einzelfertigungen sind, die aufgrund der hohen Kosten optimiert werden hinsichtlich Gewicht/Startkosten und hinsichtlich Leistung/Missionsziel. Mittlerweile gibt es wohl Satellitenbusse, die die Plattform für verschiedene Satelliten standardisieren (bin da aber nicht im Thema).

Die Frage wäre, warum liegen die einen im klein/kleinst-Bereich, andere im 3t und einige im 6t Segment, können Satelliten auf diversen Trägerraketen gebucht werden? Gibts da Standards? In wie weit werden Satelliten auf bestimmte Träger designed oder eben nicht. Wieviele Vorgaben machen die Trägerraketenanbieter den Satellitenbauern?

Wer weiß dazu was oder hat interessantes Material oder Quellen?

[websquid]

In wie weit werden Satelliten auf bestimmte Träger designed oder eben nicht.

Grundsätzlich will kein Satellitenbauer von einer einzelnen Rakete abhängig sein. Normalerweise ist es deshalb Usus, dass ein Satellit mindestens von zwei Raketen gestartet werden kann (Ariane 5/Proton). Für die Größe bedeutet das, dass der Satellit in die 4m Nutzlastverkleidung der Proton (die 5m will offenbar keiner haben, obwohl sie theoretisch angeboten wird) und in die Nutzlastverkleidung der Ariane 5 hineinpassen muss. Außerdem wird dadurch die Masse auf maximal 6,3t (Proton/Bris-M-Nutzlast in Ariane 5 äquivalenten GTO) begrenzt. Nur in wenigen Ausnahmefällen werden Satelliten gebaut, die ausschließlich von einer Rakete gestartet werden können. Der einzige der mir da derzeit bekannt ist, ist TerreStar-1 (und der im Bau befindliche TerreStar-2), sowie die Alphabus XL Plattform

[Schillrich]

Guten Morgen,

das gilt so für Kommunikationssatelliten. Da bauen Hersteller und Betreiber sehr viel auf "Heritage" bei Bus, Subsystemen und Nutzlast/Payload. Bei quasi allen anderen Missionen, die nicht in den GEO gehen oder die nicht eine ganze Flotte von Satelliten besitzen, geschieht oft deutlich mehr Einzeldesign. Beim Bus wird auch so viel Heritage wie möglich versucht, aber ein Radarsatellit unterscheidet sich in seinem Missionsdesign halt sehr von einem optischen Satelliten oder einem Astronomiesatelliten. Hier ist auch die Größe nicht sofort festgelegt.

Der "sinnvolle" Ansatz zu Dimensionierung ist top-down. Aus der Frage "Was sollen wir machen?" kommen Anforderungen an Orbit und Nutzlast/Payload. Dafür muss man dann den passenden Satelliten konstruieren und den Träger finden.
Es ist aber durchaus auch der Fall, je nach Budget, dass man schon früh auf eine bestimmte Trägerklasse oder einen bestimmten Träger festgelegt ist. Dann werden dadurch schon sehr früh im Design weitere Nebenbedingungen gezogen.

Zur Standardisierung: In der europäischen unbemannten Raumfahrt gibt es das ECSS-System (European Cooperation for Space Standardisation). Alle großen Hersteller und Agenturen arbeiten dort zusammen und haben sich Standards zu Management, Engineering und Qualitätssicherung bei Raumfahrtprojekten gegeben. Dadurch spricht man schneller die "selbe Sprache", hat das selbe Verständnis der Anforderungen und bedient kompatibel die Schnittstellen zueinander.

Im großen Rahmen international-global gibt es von der ISO eine Reihe Standards, bzw. die werden momentan entwickelt. Die sind aber eher generisch, da sie oft "den kleinsten gemeinsamen Nenner" aller Beteiligten darstellen und gehen wenig/kaum in Designdetails. Aber u.a. bei Space-Debris hat die ISO eine Führungsrolle.

[Nitro]

Wie Daniel schon schreibt gibt es bei Kommunikationssatelliten den sogenannten Bus. Also eine Art Rohsatellit auf den dann der Betreiber dann seine Transponder setzen kann. Beispiele sind da der Eurostar von Astrium oder der A2100 von Lockheed.

Auch in anderen Bereichen wird das Prinzip vermindert eingesetzt. So basiert bspw. bei MetOp das Nutzlastmodul auf dem von Envisat welches auch vorher schon bei den ERS Satelliten zum Einsatz kam, wobei das Antriebsmodul von den französischen SPOT Satelliten übernommen wurde.

[Bogeyman]

Ich habe mir vor kurzem das "Handbuch der Raumfahrttechnik" von Ley, Wittmann und Hallmann gekauft und bin schier begeistert. Unter anderem steht da auch sehr ausfürhlich erklärt, wie Satelliten geplant und dimensioniert werden, und noch viel mehr.... Nein, das soll keine Werbung sein sondern ein Lesetipp 

[Nitro]

Ja der gute Herr Ley, bei dem hab ich damals noch meine Diplomarbeit gemacht. 

[tomtom]

Danke für den Lesetipp

Du hast natürlich völlig recht, dass da eigentlich alles wissenwert drin steht und da lohnt auch jede Form der Werbung für das Buch.

Ehrlich gesagt hatte ich die Frage schon hier geschrieben und erst dann ins Buch geschaut. Dennoch denke ich, lohnt meine Frage.

Das Buch (3.Auflage) beschreibt die generelle Herangehensweise beim Design von Satelliten (von der Methodik als auch den Komponenten). Es gibt auch einige Hinweise, wie zb. das Design-to-cost und die Bedeutung als Primär- und Sekundär-Satellit bei einem Start.

Die Methodik des Satellitenentwurfs wird anhand der Beispiele CUBESAT, Mikrosatellit BIRD und Galileo beschrieben. Zu spezifischen Satellitenbussen fand ich aber wenig.

Wenn es jetzt weitere Informationen zum Thema Design-to-cost und Startstrategie als Primär und Sekundärnutzlast gibt, wäre super.

[SteRo]

Hi TomTom,

Wen  Du genaueres über Satellitenbusse wissen willst, solltest du mit Mikrosatelliten anfangen, da hier die frei verfügbare Dokumentenlage am besten ist (viel auf Konferenzen präsentiert).
Grundsätzlich gibt es bei Mikrosatelliten (die eigentlich immer als Sekundärnutzlast ausgelegt werden) die selben Ansätze wie bei den "großen", nur sind hier deutlich detailliertere Paper verfügbar:

1. Wissenschaftssatelliten (Einzelbau, hohe Qualitätsanforderungen, ECSS)   z.B. Proba, BIRD
2. Kommerzielle Satelitenbusse (Serien mit kleinen Anpassungen an verschiedene Missionen, hohe Qualitätsanforderungen, ECSS), z.B. TET-1 Satellite Bus
3. Unisatelliten (Einzelbau, low cost, COTS EEE parts, geringe Qualitätsanforderungen), z.B. die TUBSAT satelliten

Oder komm doch einfach zur DGLR Jahrestagung nach Bremen. Da gibt es über alle drei Varianten Vorträge und Du triffts Leute die die Dinger bauen und Designen (z.B. mich  )

[tomtom]

Danke für den Hinweis. Ich hab mich hier schlau gemacht:
www.dlrk2011.dglr.de

Sieht sehr interessant aus, die Teilnahmegebühr wird jedoch mein Budget wohl leider überfordern. Ansonsten werde ich mich mit den genannten Themen mal weiter befassen.

[SteRo]

Hallo TomTom,

Da ist mir noch was eingefallen, kostet aber auch Geld. Es werden, z.B. von Prof.Brieß TU-Berlin, in regelmäßigen Abständen ein bis zwei Wochen lange Kurse für Satellitenentwurf gegeben. Diese sind eigentlich für die mittlere leitungsebene bzw. Geldgeber (DLR/BMWi/BMVg) gedacht, geben also einen guten Überblick mit einigen technischen Schwerpunkten. Wer ein bischen technisches Verständniss hat (bischen Mathe+Physik) kann sich damit eine gute Grundlage legen.
Ersetzt natürlich nicht 5 Jahre Studium, oder ich habe was gravierend falsch gemacht 

[tomtom]

Auf der Basis des A2100 entwickelt Lockheed den AXL Satelliten-Bus für kommerzielle Satelliten der 6-7t Klasse mit 70 Ku-band Transpondern und 15-20 Kw Energieversorgung.

Die aktuell mit der Ariane zu startenden Satelliten VinaSat-2 und JCSat-13 basieren auf A2100 A (3t Klasse) und auf A2100 AX (4,5 t Klasse). Lockheed hat noch die kleinere "B" und "C" Modelle, die jedoch nicht nachgefragt werden. Der Trend geht zu größeren Nutzlasten. Satellitenbetreiber bündeln dabei uU. verschiedene Nutzlasten und höhere Kapazitäten auf einem Satelliten und können so die Kosten auf mehrere Nutzer verteilen. Die Kunden wollen eher die Zahl der Starts minimieren.

Der Wettbewerb bei den Satelliten könnte anwachsen. Das trifft sowohl für den Trägerbereich (Arianespace hat über 50% Marktanteil; SpaceX könnte eine neuer Player werden).als auch für den Satellitenbau zu. Lockheed arbeitet auch an elektrischen Antrieben. Bedeutung kommt den Lithium Batterien zu, die Lockheed vom Marktführer "Saft" aus Europa bezieht. Die Antennen sollen aktiv ihre Richtung und Beam-Ausdehnung steuern können und kleiner werden. Die einzelnen Verbesserungen will Lockheed Schritt-für-Schritt einführen.

http://www.aviationweek.com/Article.aspx?id=/article-xml/AW_06_04_2012_p72-458662.xml&p=1

[Pirx]

Auf der Basis des A2100 entwickelt Lockheed den AXL Satelliten-Bus für kommerzielle Satelliten der 6-7t Klasse mit 70 Ku-band Transpondern und 15-20 Kw Energieversorgung.

Die aktuell mit der Ariane zu startenden Satelliten VinaSat-2 und JCSat-13 basieren auf A2100 A (3t Klasse) und auf A2100 AX (4,5 t Klasse). Lockheed hat noch die kleinere "B" und "C" Modelle, die jedoch nicht nachgefragt werden. Der Trend geht zu größeren Nutzlasten. Satellitenbetreiber bündeln dabei uU. verschiedene Nutzlasten und höhere Kapazitäten auf einem Satelliten und können so die Kosten auf mehrere Nutzer verteilen. Die Kunden wollen eher die Zahl der Starts minimieren....

Und noch ein Hersteller, der dicke Brummer bauen will. Und das, obwohl immer mal wieder geschrieben wird, richtig große Satelliten seien out. Im Comsat-Markt stimmt das definitiv nicht. (Und dass Europa ja nicht auf die Idee kommt, die Ariane 5 aufzugeben, ohne dass man über eine nutzlastmässig adäquate Nachfolgerin verfügt).

Gruß   Pirx