Instituto Superior Técnico Integrated Master in Aerospace Engineering Aerospace Design ...

97 Pages·2017·1.47 MB·English

by  Andre C. Marta

Instituto Superior Técnico
Integrated Master in Aerospace Engineering
Aerospace Design
Commissioned Attempt at a Mars Odyssey and Exploration of Space
EduardoPires
GiuseppeLandolfo
Inêsd’Ávila
ManuelFaria
RitaRebelo
Prof. Afzal Suleman
Fall Semester 2016
Contents
ListofTables 4
ListofFigures 5
Nomenclature 8
Glossary 12
1 Introduction 13
2 ProjectOverview 14
2.1 ConceptofOperations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2 FunctionalFlowDiagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3 LongandShortTermStrategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3 TrajectoryDesign 18
3.1 InterplanetaryTrajectoryTrade-study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.2 HyperbolicInjectionsTrade-study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.3 TransferCorrectionManeuver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4 Re-entryDesign 26
4.1 DirectRe-entry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.2 SelectedRe-entryMethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.3 FlybyMoon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
5 SpacecraftSubsystemsDesign 29
5.1 ECLSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
5.2 Habitat. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.3 CommandModule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.4 Propulsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.5 GuidanceNavigationandControl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.6 TelemetryTrackingandCommunications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.7 Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.8 Thermal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6 ScientificExperiments 72
6.1 HealthEffectsofDeepSpaceMissions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
6.2 MarsScienceMission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
7 CrewSafety&Health 75
7.1 CrewSelection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
7.2 CrewActivities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
8 CostAnalysis 77
8.1 CombinedMethodCostEstimation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
8.2 MarketResearch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
8.3 CostEstimationComparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
9 MissionAnalysis 80
9.1 ∆vBudget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
9.2 MassBudget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
9.3 Timeline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
10 RiskAssessment 82
10.1 SafetyandMissionSuccess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
10.2 MissionFactors/Issues: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
10.3 TechnicalRiskAssessmentScope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
10.4 AbortPossibilities. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
10.5 RiskAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
11 Conclusion 87
Appendices 88
A FunctionalFlowDiagram 88
B CommandModuleCharacteristics 89
C 3DCADModeloftheSpacecraft 90
D RenderingoftheSpacecraft 91
E Requirements 92
2
ListofTables
1 Engineeringspecificationsneededtoaccomplishthemission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2 Missionprofile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3 Itineraryoftheentiremission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4 OrbitalelementsoftheInterplanetarytrajectories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
5 Bestflybytrajectoryopportunities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
6 MPOsimpletradestudy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
7 Parkingorbitsparameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
8 Aeroassistmaneuverscomparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
9 TcM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
10 G-forcesforskipre-entry,fromtheAirForceInstituteofTechnology . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
11 Crewmetabolicrequirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
12 Crewwaterconsumption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
13 Tradestudybetweenbio-regenerativesystemsandphysicochemicalsystems . . . . . . . . . . . . . . 31
14 AirManagementSystemequipmentlist . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
15 WaterManagementequipmentlist . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
16 WasteManagementSystemequipmentlist . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
17 Crewaccommodationitems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
18 Firsttrade-studyofconcepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
19 Massbudgetfora500daysmissionusingtheDSH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
20 Concepttrade-study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
21 Commandmodule’sTradeStudy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
22 Launchersmarketresearch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
23 Falcon9andFalconHeavydata[18][19] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
24 Enginesfuelandweightcomparisonfora∆vof7km/s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
25 GNCcomponents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
26 Goldstoneantennastechnicaldetails . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
27 Featureofdevices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
28 Communicationsschedule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
29 Linkmargin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
30 Totalpowerbudget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
31 Solarphotovoltaiccellsvsfuelcells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
32 Finalpowerbudget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
33 EPSmassbudget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
34 Temperaturerequirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3
35 EnergyfluxreceivedfromtheSun . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
36 Albedoradiationreceivedfromtheplanets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
37 Heatfluxduetoplanetaryradiation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
38 Constantsusedtodeterminetheradiatorarea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
39 Worsthotcaseresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
40 Mass,volumeandpowerbudgetfortheTCS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
41 Scientificpayloadmassandpower . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
42 Standardcrewday[57] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
43 Inflationfactorsrelativeto2000[20]anddollartoeuroconversionat31/12/2016 . . . . . . . . . . . 78
44 CAMOES’missioncostestimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
45 Final∆vbudget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
46 Finalmassbudget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
47 Abortpossibilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
48 Technicalriskassessment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
49 Requirementsstructuredocument . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4
ListofFigures
1 Porkchop2024-2036Earth-Mars,V contours . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
∞
2 Interplanetarymissiontrajectory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3 Flybyopportunities[3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4 Hyperbolictrajectory[4] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
5 Skipre-entrytrajectory[5] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
6 GravityassisttocapturetheS/CintoanorbitaroundEarth. [6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
7 AirManagementSystemlayout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
8 WaterManagementSystemlayout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
9 DeepSpaceHabitatspacecraftconfiguration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
10 B330interiorschematics[15]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
11 B330spacecraftconfiguration-CopyrightBigelowAerospace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
12 AHPTree . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
13 HabitatCADmodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
14 Re-entrycorridor[16] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
15 CommandmoduleAHPtree . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
16 PropulsionAHP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
17 TrackingandDataRelaySatellite[26] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
18 Blockdiagramofcommunicationsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
19 DistancebetweentheEarthandthespacecraftduringtheentiremission . . . . . . . . . . . . . . . . 56
20 ATKultraflexcirculararraywingperformance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
21 ElectricalPowerSystemarchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
22 Schematicsofafluidloop[36] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
23 Piechartofcostestimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
24 Timeline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
25 Riskreductionpotential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
26 CAMOESFunctionalFlowDiagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
27 Dragoncapsuleproperties[60] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
28 DifferentviewsoftheSpacecraft3Dmodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
29 Renderingofthespacecraftafterthedeparture(EarthpicturefromNASA) . . . . . . . . . . . . . . . 91
30 Renderingofthespacecraft’sapproachtoMars(MarspicturefromREUTERS/NASA/JPL-Caltech/Handout) 91
5
Nomenclature
Greeksymbols
α Absorptance.
∆ Changeinvelocity.
v
(cid:15) Emittance.
σ Stefan-Boltzmannconstant.
Romansymbols
A Radiator’sarea.
a Planet’salbedocoefficient.
A Albedo’sprojectedarea.
a
A Planet’sprojectedarea.
p
A Spacecraft’sareaexposedtoSun.
s
C Characteristicenergy.
3
C Consumptionrate.
r
d DistancebetweentheSunandthespacecraft.
E Totalenergy.
E /N Signal-to-noiseratio
0
F Visibilityfactor.
g Gravitationalacceleration.
h Altitude.
I Specificimpulse.
sp
J Albedo’stotalenergyflux.
a
J Planetaryradiationintensityreachingthespacecraft.
p
J Solarenergyflux.
s
L Lifedegradation.
d
6
m Drymass.
d
m Fuelmass.
f
M Fuelrequiredbycells.
reactants
p Averageplanetaryemission.
P Sun’stotalpoweroutput.
s
Q Albedo’sheat.
albedo
Q Externalheat.
external
Q Internalheat.
internal
Q Planet’sheat.
planet
Q Radiatedheat.
radiated
Q Radiator’sheat.
radiator
Q Solarheat.
solar
Q Surface’sheat.
surface
R Planet’sradius.
r Radius.
R Earth’sradius.
⊕
R Spacecraft’saltitudefromplanet’scenter.
altitude
R Planet’seffectiveradiatingsurfaceradius.
rad
T Radiator’sworkingtemperature.
V Velocity.
V Hyperbolicexcessvelocity.
∞
Subscripts
() Arrival.
arr
() Beginningoflife.
BOL
() Departure.
dep
() Effective.
eff
7
() Endoflife.
EOL
() External.
ext
() Internal.
in
() Radiator.
radiator
() Radiated.
rad
() Surface.
surface
8
AcronymsandAbbreviations
ACT ActiveThermalControl.
AHP AnalyticHierarchyProcess.
ALS AdvancedLifeSupport.
approx. Approximation.
APS ActivePixelSensor.
ARED AdvancedResistiveExerciseDevice.
Arg. Argument.
AU AstronomicalUnits.
AutoNav AutonomousOpticalNavigation.
Avg. Average.
BER BitErrorRate.
BOL BeginningofLife.
BPSK BinaryPhaseShiftKeying.
BWG BeamWaveguideAntenna.
C&DH CommandandDataHandling.
CAD Computer-aidedDesign.
CAMOES CommissionedAttemptataMarsOdysseyandExplorationofSpace.
CERs CostEstimationRelationships.
CHCS CrewHealthCareSystem.
CM Crewmembers.
CMS CountermeasuresSystem.
Dep. Departure.
9