Analysis and simulation of a synergetic environmental control and life support system for long duration spaceflight

Abstract

Manned missions carried out in the last decades were either close to Earth or short missions. In contrast, Space Agencies future plans include manned exploration missions to asteroids, the Moon and finally Mars. The expected mission durations rise significantly and the greater distance from Earth makes a resupply or rescue mission almost impossible. These future plans make it necessary to develop a new Environmental Control and Life Support System (ECLSS), which ensures the survival of the astronauts for such missions. These frame conditions will impose a high degree of closure and a high reliability for the ECLSS.
 In this thesis, firstly, the different ECLSS technology/component options are presented, and its suitability for a long duration human spaceflight is analyzed. From all technologies the most promising, regenerative systems for atmosphere, water and waste management are selected in order to examine them as part of a complete ECLSS.
 Different approaches to evaluate the reliability of complex systems are analyzed. Since the failure of a component within the system does not necessarily lead a failure of the entire ECLSS, as the system is able to compensate for some failures, the Stochastic Dynamic Discrete Simulation (SDDS) method is selected. To carry out an SDDS, a robust and adaptable ECLSS model simulation is required. A new software is developed, based on the simulation tool Environment for Life-Support Systems Simulation and Analysis (ELISSA) from the Institute of Space Systems -
 University of Stuttgart. As a result of a stochastic simulation a list of failure times is obtained, which can be treated using the Maximum Likelihood Estimation (for parametric models) or the Kaplan-Meier method (for non-parametric models), to define the reliability of the system. The input data required to apply the SDDS are the reliabilities of each possible component of the ECLSS.
 The reliability of each component is defined by the failure rate or its parts. It can be seen, that the use of redundancies (spare parts) is essential for long duration missions, as the reliability of the system without them after 60 days is lower than 50%. The analysis of all components, including their spare parts, is carried out with the Multi-Opbjective Optimization Problem to achieve a high reliability with the lowest possible mass.
 Both methodologies, SDDS and MOOP have been implemented creating the user-friendly new software RELISSA. Finally, as an example, RELISSA is used to analyze a manned Mars mission. With this analysis, technologies currently in use (on board ISS) are compared with new technologies (currently under development), with the potential to reduce the system mass. The results clearly show that the new technologies can significantly reduce the mass of the system, for results of similar reliability. With these results, the need of development efforts of ECLSS technologies for manned missions beyond Low Earth Orbit is corroborated. Les missions tripulades realitzades en les últimes dècades, van ser missions properes a la Terra o de curta durada. Per contra, els plans futurs de les Agències Espacials inclouen missions d'exploració tripulades a asteroides, la Lluna o Mart. La durada esperada d'aquestes missions s'incrementa significament i la major distància de la Terra fa que una missió d’abastiment o rescat sigui pràcticament impossible. Aquests futurs plans fan necessari el desenvolupament d'un nou Sistema de Control Ambiental i Suport a la Vida (ECLSS - Environmental Control and Life Support System), que asseguri la supervivència dels astronautes per a aquestes missions . Aquestes condicions imposen un alt nivell de tancament del sistema i una alta fiabilitat per al ECLSS. En aquesta tesi, es presenten les diferents opcions tecnològiques, components i s’analitza la seva viabilitat per a missions tripulades de llarga durada. De totes les tecnologies, se seleccionen els sistemes regeneratius més prometedors per a la gestió de l’atmosfera, l'aigua i els residus, per tal d'analitzar-los com a part de l'ECLSS. S'analitzen diferents mètodes per tal d'avaluar la fiabilitat de sistemes complexos . Com que la fallada d'un component del sistema no implica necessàriament una fallada de tot l'ECLSS, ja que el sistema és capaç de compensar algunes fallades, se selecciona el mètode de simulació dinàmica- estocàstica (SDDS - Stochastic Dynamic Discrete Simulation). Per a dur a terme l'SDDS, es necessita un model de simulació ECLSS robust i adaptable. Es desenvolupa un nou software, basat en l'eina de Simulació de l'Institut de Sistemes Espacials - Universitat de Stuttgart, Environm ent for Life-Support Systems Simulation and Analysis (ELISSA). Com a resultat de la simulació estocàstica, s'obté una llista de temps de fallada, a partir de la qual, amb el mètode de Màxima Versemblança (per a models paramètrics ) o de Kaplan-Meier (per a models no paramètrics ) es defineix la fiabilitat del sistema. Les dades d'entrada necessàries per aplicar l'SDDS són les fiabilitats de cada un dels possibles com ponents de l'ECLSS. La fiabilitat de cada component es defineix a partir de la taxa de fallada de les seves parts. Es pot observar que l'ús de redundàncies (peces de recanvi) és essencial per a missions de llarga durada, ja que la fiabilitat del sistema sense recanvis disminueix més del 50% passats 60 dies. L'anàlisi de tots els components, incloent-hi les peces de recanvi, es realitza a partir del problema d'optimització d'objectius múltiples (MOOP - Multi-Opbjective Optimization Problem ), per tal d'obtenir una altra fiabilitat amb la menor massa possible. Les dues metodologies , SDDS i MOOP, s'han implementat creant un nou software, user-friendly, RELISSA. Finalment, com exemple, s'ha utilitzar RELISSA per analitzar una missió tripulada a Mart. Amb aquesta anàlisi es comparen tecnologies actualment en ús (a l'Estació Espacial Internacional) i noves tecnologies (actualment en desenvolupament) amb el potencial de reduir la massa del sistema. Els resultats mostren clarament que les noves tecnologies poden reduir significament la massa dels sistema, per a resultats similars de fiabilitat. Amb aquests resultats, es corrobora la necessitat de dedicar esforços de desenvolupament en tecnologies ECLSS per a missions tripulades més enllà de l'òrbita baixa terrestre (LEO - Low Earth Orbit).