Simulation: Space-Shuttle-Nachfolger Orion in der Pipeline

Mit Aufgabe des teuren Space-Shuttle-Programms schloss sich am 21. Juli 2011 für Amerika ein Kapitel der bemannten Raumfahrt. Seither führt auch der Weg US-amerikanischer Astronauten über die kasachische Kleinstadt Baikonur. Nun steht das NASA-Schiff Orion in den Startlöchern und soll 2021 erstmals Menschen in eine Umlaufbahn um den Mond bringen und später auch zum Mars – Simulation spielt dabei eine wichtige Rolle.

Das für den Transport von Astronauten entwickelte NASA-Raumschiff Orion absolvierte am 5. Dezember 2014 einen erfolgreichen unbemannten Testflug und entfernte sich dabei so weit von der Erde wie kein anderes Raumschiff in den letzten 40 Jahren. Dieser Meilenstein gilt als wichtiger Schritt in den Bemühungen der NASA, Pionierarbeit für Weltraumflüge und das Erreichen des Mars mit einem bemannten Raumschiff zu leisten.

Konzeptionell unterscheidet sich Orion stark von den Space Shuttles. Waren diese darauf ausgelegt schwere Lasten in Erdnahe Umlaufbahnen zu transportieren, ist Orion dazu gedacht Menschen auch zu ferneren Zielen wie dem Mars zu bringen.

Das Leit-, Navigations- und Steuerungssystem (GN&C) an Bord von Orion hat die Navigation vom Start bis zur Landung unter Verwendung von GPS und Trägheitssensoren erfolgreich durchgeführt. Diese GN&C-Algorithmen wurden mit automatisch generiertem Code aus den MathWorks-Produkten Matlab und Simulink entwickelt.

Der Entwurf und die Entwicklung der GN&C-Flugalgorithmen für Orion wurden gemeinschaftlich von NASA, Lockheed Martin, Draper Laboratory, MathWorks und weiteren durchgeführt. Model-Based Design unterstützte die Organisationen dabei, gleichzeitig an den GN&C-Algorithmen und der Entwicklung der Flugsoftware zu arbeiten. Simulink-Modelle des Raumschiffs und der Regler dienten als ausführbare Spezifikation, die es den Ingenieuren ermöglichte, die Flugsoftware auf Basis eines einheitlichen Satzes von Modellen zu entwerfen, verifizieren und automatisch zu generieren. Als Resultat arbeiteten die GN&C-Analysten direkt mit den ausführbaren Modellen für die Algorithmen anstatt mit Dokumenten, die eine Interpretation durch Softwareentwickler erfordert hätten. Das Verbinden der Entwurfs- und Analyseumgebung mit der Flugsoftwareentwicklung ermöglichte dem gemeinsamen Team eine frühzeitige Identifizierung und Lösung von Problemen, wodurch die Gesamtentwicklungszeit verkürzt wurde.

„Die Lenkung des Raumschiffs zu einem Wasserungspunkt innerhalb einer halben Meile des Zielkorridors erforderte die vereinten Kräfte des gesamten Teams“, erklärt Mark Jackson, GN&C-Integrationsverantwortlicher für das NASA-Team bei Draper Laboratory. „Durch die Kombination von Drapers Algorithmus für den Wiedereintritt mit der Fähigkeit von MATLAB und Simulink, automatisch erstellten Code zu erzeugen, hat das Team die Ziele der NASA bezüglich Lenkung, Navigation und Steuerung für den Landevorgang erreicht.“

„Wir bei MathWorks freuen uns sehr, dass wir bei der Reise der NASA zum Mars eine wichtige Rolle spielen“, sagt Jon Friedman, Manager Luft- und Raumfahrt bei MathWorks. „Das Erstellen von GN&C-Algorithmen, das Simulieren von Closed-Loop-Systemen mit Matlab, Simulink und Stateflow und die anschließende automatische Generierung von C++ Code für die Implementierung auf dem Raumschiff boten der Mission eine erhebliche Qualitätsverbesserung und eine große Zeitersparnis.“

Weitere Einzelheiten zur Entwicklung des GN&C mithilfe von Matlab und Simulink finden Sie unter „Beschleunigung der Entwicklung von GN&C Flugsoftware bei der NASA.“ Außerdem finden Sie weitere Informationen zu Orion und seinen Missionen auf der NASA-Webseite Erforschung: Jenseits der Erde.