Verkürzen der Markteinführungszeit in der kommerziellen Raumfahrt

Die kommerzielle Raumfahrt durchläuft seit einiger Zeit eine Transformation. Einzelne große Satelliten waren früher die Industrienorm, aber die Industrie verlagert sich hin zu Konstellationen kleinerer Satelliten. Um diese Konstellationen funktionsfähig zu halten, ist eine größere Anzahl von Satelliten mit kürzeren Bauzeiten und geringeren Kosten erforderlich. Trägerraketen sehen sich ähnlichen Einschränkungen durch den Druck häufigerer und weniger kostspieliger Starts ausgesetzt.

Die Markteinführungszeit war noch nie so wichtig, aber etablierte Prozesse sind nicht auf die Geschwindigkeit und Anpassungsfähigkeit ausgelegt, die in der modernen Welt erforderlich sind.

Wenn die Anforderungen komprimierter Zeitpläne mit traditionellen, wasserfallbasierten Prozessen kollidieren, die von Natur aus serielle Entscheidungen erfordern, gibt es nur zwei mögliche Ergebnisse: Programme überschreiten das Budget oder verzögern den Starttermin. Beides ist nicht wünschenswert, und beide stellen Probleme für die Langlebigkeit und den Erfolg eines jeden Akteurs auf dem Weltraummarkt dar.

Um dieses Problem anzugehen, ist ein grundlegendes Umdenken erforderlich, anstatt eine Lösung für ein einzelnes Programm zu finden. Es erfordert eine Veränderung der Art und Weise, wie Entscheidungen getroffen und Raumfahrtprodukte entwickelt werden. Wenn ein Unternehmen in der Lage ist, seine riskantesten Programmentscheidungen von seinen stabilen, bekannten Anforderungen abzukoppeln, bringt es das Programm selbst inmitten technischer Ungewissheit voran. Ein ähnlicher Prozess kann auch auf das Testen der immer komplexeren Systeme in diesen Fahrzeugen angewendet werden.  

Diese Veränderungen sind heute Realität. Unternehmen, die eine Strategie mit flexiblen, rekonfigurierbaren Testsystemen verfolgen, die durch signalbasiertes Engineering entwickelt wurden, sparen Testzeit, was zu einer kürzeren Markteinführungszeit und einem Wettbewerbsvorteil führt, selbst wenn die Komplexität der Programme zunimmt.  

In diesem Whitepaper untersucht der führende Testanbieter Tech180 die aktuellen Herausforderungen von Kleinsatelliten- und Trägerraketenprogrammen und untersucht Lösungen, die sich durch Rekonfigurierbarkeit, agile Prozesse und signalbasiertes Engineering auszeichnen.  

^{Abbildung 1: Repräsentatives System für funktionale und Hardware-in-the-Loop-Tests von Elektronik- und Steuerungssystemen für kleine Satelliten}

​Trotz aller Änderungen bei den Satelliten bleiben einige Dinge gleich. Sie bestehen immer noch aus Komponenten zur Unterstützung der Nutzlast – Sonnenkollektoren, Treibstoff, Kommunikationsgeräte und Triebwerke. Und die I/O bei Satelliten, insbesondere bei kleinen Satelliten, ist von einem Programm zum nächsten weitgehend ähnlich.  

^{Abbildung 2: Repräsentatives Beispiel eines Satelliten}

Allerdings haben sich die Geschwindigkeit, mit der nun erwartet wird, dass Satelliten gebaut werden, und das verfügbare Budget für die Entwicklung (und den Test) dieser Satelliten geändert. Wenn Sie ein flaches Satellitenlabor bauen, bauen Sie kein einmaliges Produkt, das Jahre in der Entwicklung und weitere Jahre in Validierungstests verbringen wird. Sie bauen einen Satelliten, der Dutzende Male reproduziert werden soll, als Teil einer größeren Konstellation von Satelliten. Und das Testen wird nicht auf die Validierung beschränkt sein; Produktionstest muss ebenfalls berücksichtigt werden.

Repräsentative Satellitenkomponenten und I/O

• Solarmodule
• Batterie
• Befehls- und Datenverarbeitungssysteme
• Elektrizitätsversorgungsnetze
• Antrieb
• Höhenregelungssysteme
• Leitungs-, Navigations- und Steuerungssysteme
• LVDS
• RS422

​Monolithisches Testsystemdesign gepaart mit Produktanforderungsabschluss führt zu Wasserfallprozessen und Verzögerungen. Sowohl Satelliten- als auch Trägerraketenprogramme bewegen sich in Richtung agiler Prozesse – entwerfen, scheitern, wiederholen. Unternehmen mit Testsystemplänen ohne agile Prozesse hinken bereits hinterher.  

Auf dem modernen Raumfahrtmarkt ist es unerlässlich, in allen Phasen der Produktion, vom Design über den Bau bis hin zu Validierungstests, auf agile Prozesse umzusteigen.

„Die kommerzielle Luft- und Raumfahrt funktioniert nicht mehr wie früher. Die Latenz ist für den neuen Raumfahrtmarkt zu hoch.“  

– Greg Sussman, Business Development Manager, Tech180

​Vorbei sind die Zeiten von „Zeitplan, Gewicht oder Kosten“. Zwei davon können Sie auswählen.“ Jetzt müssen Sie bei allen dreien ins Schwarze treffen. Es dreht sich alles um die Vereinfachung des Designs, um die Markteinführungszeit innerhalb des Budgets zu verkürzen.

Wie bei Satelliten enthalten Trägerraketenprogramme konsistente Komponenten. Die I/O ist von einem Programm zum nächsten nicht genau gleich, aber die Optionen sind endlich. Die erhebliche Überlappung reicht aus, um eine Standardisierung auf gemeinsame Signaltypen zu ermöglichen, was ein entscheidender Schritt zur Beschleunigung der Testabdeckung und zur Verkürzung der Markteinführungszeit ist.

Abbildung 3: Programmauswahl-Dreieck   

                                                                                                                               ^{Abbildung 4: Repräsentative Trägerraketenkomponenten}    

Repräsentative I/O für Trägerraketen

• Magnetlasten
• Ethernet
• LVDT
• Servomotoren
• Eingangsstrom 4–20 mA
• Analog-I/O
• Diskrete I/O
• CAN-Bus
• Thermoelement

Bei Trägerraketen ist es von entscheidender Bedeutung, durch kürzere Startzeiten Marktanteile zu gewinnen. Zeitpläne, die nicht aufgehen, schaffen Raum für andere, um die Lücke in einem hart umkämpften Markt zu schließen.

Steuern Sie den Zeitplan, vereinfachen Sie Entwürfe und betreten Sie zuerst den Markt. 

„Der Zeitplan ist der König. Wenn Sie nicht starten, tun es die anderen.“  

– Chris Bakker, CEO, Tech 180

​Der Schlüssel zur Beschleunigung der Markteinführung in der kommerziellen Raumfahrtindustrie ist die Reduzierung des Designraums. Standardisierung und Modularität, die durch signalbasiertes Engineering ermöglicht werden, ebnen den Weg für rekonfigurierbare Systeme, die die Markteinführungszeit verkürzen. Im folgenden Abschnitt wird untersucht, wie jede dieser Strategien für maximale Effizienz voneinander abhängt.  

Rekonfigurierbarkeit 

Rekonfigurierbare Testsysteme sind ein zentraler Bestandteil einer kürzeren Markteinführungszeitstrategie. Sich ändernde Anforderungen haben traditionell Probleme für die agile Entscheidungsfindung in der Testumgebung dargestellt. Jede Änderung der Anforderungen, nachdem das Testsystem entworfen wurde, führt zu Verzögerungen und Nacharbeiten und verschiebt Zeitpläne nach hinten. Die Rekonfiguration löst dieses Problem, da Sie Ihr Testsystem problemlos bei wechselnden Anforderungen ändern können. Sie können dies durch ein modulares Systemdesign mit standardisierten Komponenten und einer signalbasierten Konstruktionsmethodik erreichen, die später in diesem Whitepaper besprochen werden.

Eine weitere Schlüsselkomponente einer robusten Teststrategie ist die Rekonfiguration für die Produktion in einem größeren Maßstab als in der Vergangenheit. Testsysteme, die für eine andere Phase des Lebenszyklustests wiederverwendet werden können, bieten Vorteile, die in herkömmlichen Testsystemen mit einer einzelnen Lebenszyklusphase nicht verfügbar sind. Brauchten Unternehmen früher bei der Entwicklung von Satelliten in kleinen Stückzahlen keine Produktionsstrategie, so brauchen sie diese Strategie heute sehr wohl – für Stückzahlen jenseits der 100.  

Wiederverwendbare Testsysteme ermöglichen einen flexiblen Übergang von Validierungstests zu Produktionstests mit minimalem Zeit- und Arbeitsaufwand. Die Rekonfigurierbarkeit der Lebenszyklusphase ist nicht der einzige Vorteil; Testsysteme können durch Umkonfiguration auch für das nächste Programm verwendet werden.

Modulare Systementwicklung mit Standardkomponenten

Wie oben erwähnt, beruht die Rekonfiguration auf einer Strategie des modularen Systemdesigns mit Standardkomponenten, die gemeinsam auf Kompatibilität getestet wurden.

Bei der Erstellung eines rekonfigurierbaren Testsystems ist die Standardisierung kommerzieller Standardkomponenten eine entscheidende Komponente. 

Die Plattformen PXI und Switch Load and Signal Conditioning (SLSC) von NI bieten eine Reihe von COTS-Komponenten, die Sie in Systemen konfigurieren können, um die für eine flexible moderne Teststrategie erforderliche Rekonfigurierbarkeit sicherzustellen. Tech180 verwendet diese Plattformen als Grundlage für unsere Systeme und ermöglicht die Erstellung von Testsystemen aus Suiten von COTS-Komponenten, die alle zusammen auf Kompatibilität getestet wurden.

^{Abbildung 5: NI-PXI- und SLSC-Chassis}

Die Rolle der signalbasierten Technik

Die signalbasierte Technik ist die wichtigste Komponente eines schnelleren, modulareren Testsystemansatzes. Sie ermöglicht das Entwerfen einzelner Signale so, dass sie vollständig getrennt werden, wodurch die Implementierung eines Signals von einem anderen isoliert wird. Modulare Hardware und signalbasierte Entwicklung arbeiten zusammen, um sicherzustellen, dass der Entwurf von Testsystemen nicht serialisiert werden muss. Stattdessen können Sie Teile des Systems individuell entwerfen, erstellen und validieren, wenn sich die Anforderungen weiterentwickeln. Wenn sich etwas ändert, können Sie einen Teil neu konfigurieren und anpassen, ohne den Rest des Systems zu beeinflussen.

Kosten und Zeitpläne

Die Kosten und Zeit für ein rekonfigurierbares Testsystem variieren je nach Komplexität und Menge der zu testenden Signale, aber Unternehmen wie Tech180 können Systeme in ca. 12 Wochen bereitstellen. Vollständige schlüsselfertige Systeme, die für den Einsatz in verschiedenen Lebenszyklusphasen oder Programmen rekonfiguriert werden können, stehen für ca. USD 400.000 zur Verfügung. Sie bieten die Flexibilität, wechselnde Anforderungen zu erfüllen, während Sie dennoch zum geplanten Testdatum bereit sind. Tech180 bietet Testlösungen, die von grundlegenden Plattformkonfigurationen bis hin zu vollständig schlüsselfertigen Systemen reichen, damit Sie Ihren Zeitplan und ihr Budget einhalten. 

Über Tech180

Tech180 stellt der Luft- und Raumfahrtindustrie rekonfigurierbare Testsysteme zur Verfügung, mit denen die Komplexität verringert wird, sodass Sie sich weniger auf Testequipment und mehr auf Innovationen für die Zukunft konzentrieren können. Modulare Testsysteme reduzieren die Zeit und den Aufwand, der für die Umwandlung von Produktanforderungen in eine Testsystemspezifikation erforderlich ist, wodurch hochwertige Systeme entstehen, die früher verfügbar sind. Unabhängig davon, ob es sich um fortschrittliche Flugzeuge, Raumfahrzeuge oder noch nicht einmal vorstellbare Fahrzeuge handelt, können Sie nicht nur die Produkte testen, die Sie gerade entwickeln, sondern auch die Produkte, die Sie in Zukunft entwickeln werden.