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Offene Examensarbeiten

SOFIA (c) NASA/DSI
SOFIA

Das Stratosphären Observatorium für Infrarot Astronomie (SOFIA) ist eine flugzeuggestützte Sternwarte mit einem großen 2,7 Meter Infrarotteleskop. In Flughöhen bis zu 14 km führt es astrophysikalische Messungen bei Wellenlängen von 0,3 bis 1600 µm durch. Um das Teleskop im Flug zu stabilisieren wird die Teleskopbewegung mit einer inertialen Messeinheit (IMU) erfasst. Diese besteht aus drei Beschleunigungsmessern und drei faseroptischen Kreiseln. Die aktuell eingesetzte IMU soll nun durch eine leistungsstärkere Messeinheit ersetzt und basierend auf Sensordaten am Teleskop ausgerichtet werden. Herausforderungen entstehen dabei durch geänderten Randbedingungen gegenüber dem Einbau der ersten IMU.

Aufgabenstellung:

  • Einarbeitung:
    • Literatur,
    • Teleskop hinsichtlich des Einbaus nutzbarer Sensoren/ Komponenten.
  • Vorbereiten des Einbaus unter Berücksichtigung von
    • Fehlausrichtungswinkel der IMU-Messachsen,
    • geografische Position und Elevationswinkel des Teleskops,
    • Strukturelastizitäten,
    • Temperatureffekte.
  • Konzeption und Test eines Versuchsplanes zur IMU-Ausrichtung,
  • simulative Messung der Einbaulage der IMU,
  • Dokumentation und Präsentation der Ergebnisse.

Anforderungen:

  • Studium im Bereich der Ingenieurswissenschaften (Luft- und Raumfahrttechnik, Mechatronik, Techn. Kybernetik,
    Maschinenbau),
  • eigenständige und strukturierte Arbeitsweise,
  • Kenntnisse in Messtechnik, Programmierung, Matlab.

Literatur:
Harms, F.: A contribution to characterizing and calibrating the pointing control system of the SOFIA telescope.Stuttgart, Univ., Diss., 2009

Betreuung:

Benedikt Györfi, MSc
Prof. Dr.-Ing. habil. Jörg F. Wagner

Druckfassung

Stoppuhr aus der Werkstatt G. Buzengeigers (c) Bayerisches Nationalmuseum
Stoppuhr aus der Werkstatt G. Buzengeigers

Die Zusammenarbeit zwischen J.G.F. Bohnenberger (1765 - 1831), Professor für Mathematik, Physik und Astronomie an der Universität Tübingen, und seinem wichtigsten Instrumentenmacher, dem Universitätsmechanikus J.W.G. Buzen­gei­ger (1778 - 1836) ist ein interessantes Kapitel der Technikgeschichte. Ausgelöst durch den Fund eines Originals der „Maschine von Bohnenberger“ im Kepler-Gymnasium Tübingen hatte die historische Erschließung von Bohnenbergers Arbeiten einen neuen Impuls erhalten, der den Blick zunehmend auf J.W.G. Buzen­geiger gelenkt hat: Bohnenbergers wissenschaftliche Arbeit wäre ohne die Unterstützung Buzengeigers anders verlaufen, und dass Buzengeiger einen europaweiten Handel mit seinen Instrumenten betreiben konnte, war wesentlich den wissenschaftlichen Kontakten Bohnenbergers zu verdanken.

In den letzten Jahren konnte eine Reihe unausgewerteter historischer Dokumente ausfindig gemacht werden, die einen Einblick in die Lebens- und Arbeitsbedin­gun­gen des Universitätsmechanikus erlauben. Diese Unterlagen sollen inhaltlich erschlossen, soweit erforderlich transkribiert und mit dem bekannten historischen Kontext abgeglichen werden.

Aufgabenstellung:

  • Archivrecherchen,
  • Identifikation und Transkribierung wesentlicher Textpassagen,
  • Abgleich mit vorhandenen Untersuchungen,
  • Bewertung der erschlossenen Informationen.

Anforderungen:

  • Fortgeschrittenes GNT-Studium (Geschichte der Naturwissenschaften und Technik).

Literatur:
Trierenberg, A.: Die Hof- und Universitätsmechaniker in Württemberg im frühen 19. Jahrhundert. Stuttgart, Univ., Diss., 2013

Betreuung: Prof. Dr.-Ing. habil. Jörg F. Wagner


Auswahl abgeschlossener Examensarbeiten

Finite-Elemente-Modell des SOFIA-Teleskops (c) Prashant Kaswekar
Finite-Elemente-Modell des SOFIA-Teleskops

Das Stratosphären-Observatorium für Infrarot Astronomie SOFIA ist ein gemeinsames deutsch-US-amerikanisches Forschungsprojekt, um Astronomen Zugang zu Infrarotwellenlängen zu verschaffen, die vom Boden aus nicht beobachtbar sind. Es besteht aus einer stark modifizierten Boeing 747SP mit einem großen Spiegel­teleskop. Die Teleskopstruktur muss unter extremen Umgebungsbedingungen eine hohe Richtungsstabilität gewährleisten. Um die gewünschte Richtungsstabilität zu erreichen, wird eine Methode zur Abschätzung der strukturellen Bewegung unter Verwendung der Fusion verschiedener Messmethoden (Inertialsensoren, Deh­nungs­messungen) untersucht.

Die Anordnung der Sensoren spielt eine wichtige Rolle für eine gute Bewegungs­schätzung. In der Arbeit soll die Platzierung von Dehnungsmessstreifen (DMS) im Hinblick auf die Schwingungsmodi untersucht werden, die sich auf die optischen Eigenschaften auswirken. Dies bildet die Grundlage für die Entwicklung eines Dehnungskinematikmodells für einen Zustandsbeobachter.

Aufgabenstellung:
- Einarbeitung in das vorhandene Finite-Elemente-Modell der
  SOFIA-Teleskopstruktur,
- Generierung transienter Analyseergebnisse der Teleskopstruktur
  zur Simulation von Dehnungsmessungen,
- Bewertung der Platzierung von DMS anhand der Kriterien für die
  Beobachtbarkeit und Unabhängigkeit der Eigenmodi des Teleskops.

 

Anforderungen:
- Kenntnisse zu Finiten Elementen und Strukturmesstechnik.

Schwingender Kragbalken mit Messelektronik (c) Sebastian Marten
Schwingender Kragbalken mit Messelektronik

Inertialsensoren und GPS Empfänger werden heutzutage für integrierte Navigati­ons- und Bewegungsmesssysteme benutzt, deren Grundlage ein Starrkörper­mo­dell bildet. Im Rahmen der Arbeit soll mit Hilfe von praktischen Versuchen gezeigt werden, dass die Ausweitung integrierter Bewegungsmesssysteme auf Kontinua, z.B. einen flexiblen Flugzeugflügel, möglich ist.

Am Beispiel eines schwingenden flexiblen Balkens als Vereinfachung einer Flügel­hälfte werden zur Schätzung der Balkenbewegung Kreisel zur Messung der Dreh­ge­schwindigkeit und Beschleunigungsmesser eingesetzt. Als sogenannte Stütz­sensorik werden Lasersensoren zur Messung der Entfernung zu einer Referenz­fläche sowie Dehnungsmessstreifen verwendet. Die Messdatenfusion wird durch ein Kalman Filter vorgenommen.

Aufgabenstellung:
-  Aufbau und Optimierung eines Versuchstandes,
-  Kalibrieren der Sensoren,
-  Optimierung der Sensorpositionen,
-  Versuchsdurchführung und Aufzeichnung der Messergebnisse,
-  Programmierung des Schätzalgorithmus (Kalman-Filter),
-  Auswertung der Messergebnisse mit dem erstellten Schätzmodell.

Anforderungen:
- Kenntnisse zur Strukturdynamik und Strukturmesstechnik.

Interferometrieexperiment (links) und Lage des Instrumentes am Teleskop (rechts) (c) Max-Planck-Institut für Astronomie
Interferometrieexperiment (links) und Lage des Instrumentes am Teleskop (rechts)

Das Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg ist für den Bau und die Inbetriebnahme des Interferometrieexperimentes LINC-NIRVANA (LN) am Large Binocular Telescope (LBT) zuständig. Das Instrument muss vor äußeren Umwelteinflüssen durch ein Gehäuse geschützt werden. Gleichzeitig muss der Gehäuseentwurf leicht sein (da mitbewegt), robust (da begehbar), präzise (da wenig Platz), und modular zu öffnen (für den Instrumentenzugriff).

Aufgabenstellung (in Zusammenarbeit mit dem MPIA):
- Entwurf auf Basis der vorhandenen CAD-Daten für Instrument und Teleskop,
- Auswahl der notwendigen Materialien und Halbzeuge,
- Klärung der Schnittstellen zum Teleskop, Maßnahmen zur
  Schwingungsentkopplung,
- Finite-Elemente-Analysen (statischer Festigkeitsnachweis,
  Durchbiegung unter Eigengewicht, Windlasten),
- Detaillierung der Konstruktion inklusive Zeichnungserstellung.

Anforderungen:
- Kenntnisse zu Finiten Elementen und Strukturmechanik.

Finite-Elemente-Modell der SOFIA Primärspiegelzelle (c) Benjamin Greiner
Finite-Elemente-Modell der SOFIA Primärspiegelzelle

Mit dem Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie (SOFIA), eine modifizierte Boeing 747SP mit integriertem Spiegelteleskop, werden astronomische Beobachtungen im Infrarot- und Submillimeter-Wellenlängenbereich oberhalb der störenden Troposphäre durchgeführt. Maßgebend für die Bildqualität eines solchen Beobachtungssystems ist die Form und Ausrichtung der optischen Elemen­te. Zu diesen gehört bei SOFIA der Primärspiegel aus Zerodur, welcher in einer Kohlefaser-Struktur aufgehängt ist.

Während der kontinuierlichen Entwicklung und Verbesserung des Observatoriums wurden bisher hauptsächlich die optischen Abbildungsfehler niedriger Ordnung wie die Bildbewegung durch Vibration der Spiegelelemente untersucht. Die Ver­besserung der Bildstabilität lässt nun die auftretenden Fehler höherer Ordnung in den Vordergrund treten. Die Arbeit soll den Einfluss statischer Verformungen durch das Eigengewicht und Temperaturdehnungen anhand eines aktualisierten Finite-Elemente-Modells (FEM) untersuchen. Weiter soll der optische Effekt aufgrund Teleskop-Eigenmoden mit signifikanter Primärspiegelverformung untersucht werden.

Aufgabenstellung (in Zusammenarbeit mit dem Deutschen SOFIA Institut):
- Einarbeitung in den mechanischen Aufbau, das FEM und in experimentelle
  Messdaten aus der Fertigung sowie bisheriger Flüge,
- Einarbeitung in optische Abbildungsfehler und ihre Ursachen,
- Aufbereiten des FEM für Lastfälle durch thermische Ausdehnung,
- Durchführen von Simulationsrechnungen hinsichtlich statischer optischer
  Aberrationen unter Verwendung einer "Ray-Tracing-Software",
- Weiterführende Untersuchungen für dynamische Verformungen.

Anforderungen:
- Kenntnisse zu Finiten Elementen und Strukturmechanik.

Schwingungsmode des SOFIA Sekundärspiegelmechanismus im Finite- Elemente-Modell (c) Benjamin Greiner
Schwingungsmode des SOFIA Sekundärspiegelmechanismus im Finite- Elemente-Modell

Mit dem Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie (SOFIA), eine modifizierte Boeing 747SP mit integriertem Spiegelteleskop, werden astronomische Beobachtungen im Infrarot- und Submillimeter-Wellenlängenbereich oberhalb der störenden Troposphäre durchgeführt. Integraler Bestandteil des Telekopsystems ist der Sekundärspiegelmechanismus (SMM). Diese aktiv angesteuerte Kompo­nen­te kippt u.a. den Sekundärspiegel in schneller Abfolge hin und her, um das Sicht­feld des Detektors auf verschiedene Positionen am Himmel zu richten (Chopping).

Zum besseren Verständnis des strukturdynamischen Verhaltens des SMM wurde ein Finite-Elemente-Modell (FEM) erstellt, mit dem Simulationen durchgeführt werden. Parallel dazu wurden im Labor Modaltests an der realen Flughardware durchgeführt. Die Arbeit soll sich mit dem Abgleich von Mess- und Simulations­daten beschäftigen. Mit einem verbesserten FEM sollen anschließend weitere Simulationen des dynamischen Verhaltens z.B. unter Anregung der Chopping-Be­we­gung durchgeführt werden.

Aufgabenstellung:
- Einarbeitung in den mechanischen Aufbau (CAD-Modell), das FEM und
  experimentelle Messdaten des SMM,
- Aufarbeiten der topologischen Struktur des FEM und dessen Komponenten,
- Identifikation von FEM-Parametern zum Abgleich der experimentell ermittelten
  Modaleigenschaften,
- Erarbeiten einer Verbesserungsstrategie für das FEM,
- Erweiterte Simulationsrechnungen.

Anforderungen:
- Kenntnisse zu Finiten Elementen und Strukturmechanik.

Metering Structure des SOFIA Teleskops mit Nasmyth Tube und Spiegeln (ANSYS Finite-Elemente-Modell) (c) Benjamin Greiner
Metering Structure des SOFIA Teleskops mit Nasmyth Tube und Spiegeln (ANSYS Finite-Elemente-Modell)

Mit dem Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie (SOFIA), eine modifizierte Boeing 747SP mit integriertem Spiegelteleskop, werden astronomische Beobachtungen im Infrarot- und Submillimeter-Wellenlängenbereich oberhalb der störenden Troposphäre durchgeführt.

Für ein verbessertes Verständnis des dynamischen Verhaltens der elastischen Teleskopstruktur sollen mit Hilfe eines Finite-Elemente-Modells (FEM) die im wissenschaftlichen Betrieb auftretenden Schwingungszustände simuliert werden. Um nichtlineare Effekte der Struktur abbilden zu können, bedarf es der Modifika­tion des bestehenden Modells. Die Arbeit soll sich mit der Anwendbarkeit von nichtlinearen Kontaktelementen zur Charakterisierung von geklebten Fügestellen in der Kohlefaser-Struktur des Teleskops beschäftigen.

Aufgabenstellung:
- Literaturrecherche zu Reibmodellen und nichtlinearen Kontaktelementen sowie
  ihre Anwendung in Finite-Elemente-Simulationen,
- Einbau von Kontaktelementen an den Fügestellen im ANSYS-FEM der
  „Metering Structure“ des SOFIA Teleskopsystems,
- Testrechnungen und Parameterstudien zur Anwendbarkeit der verwendeten
  Elementtypen.

Anforderungen:
- Kenntnisse zu Finiten Elementen und Strukturmechanik.

Original der Maschine von Bohnenberger (c) Jörg F. Wagner
Original der Maschine von Bohnenberger

J.G.F. Bohnenberger gehört zu den bedeutenden deutschen Naturwissenschaftlern des 19. Jahrhunderts und war der wissenschaftliche Leiter der 1818 begonnenen württembergischen Landesvermessung. Während sein Name dem geodätischen und astronomischen Fachpublikum national wie international gut bekannt ist, geriet er unter Physikern und Mathematikern im Lauf der Zeit wieder weitgehend in Vergessenheit. Entsprechend unausgeglichen ist bisher auch die Aufarbeitung und Würdi­gung seines wissenschaftlichen Werks. Beson­ders deutlich wird dies an seiner Erfindung des kardanisch gelagerten Kreisels, der Maschine von Bohnenberger, die die Grundlage von Fou­caults wichtigem Werk zur Kreiseltechnik bildete und damit die Entwicklung der navigatori­schen Kreiselinstrumente elementar beförderte. Daher soll die Arbeit die Grundlage zu einer vollständigeren Darstellung des Werks von Bohnenberger bereitstellen und den Hintergrund der Maschine von Bohnen­berger erhellen.

Aufgabenstellung (in Zusammenarbeit mit dem Historischen Institut, Abt. GNT):
- Breit angelegte Literaturrecherche,
- Nachforschungen nach dem Nachlass Bohnenbergers,
- Auswertung und Interpretation der aufgefundenen Unterlagen,
- Schwerpunktsetzung: Maschine von Bohnenberger, Bohnenbergers
  Instrumentenmacher G. Buzengeiger.

Anforderungen:
- Fortgeschrittenes GNT-Studium
 
(Geschichte der Naturwissenschaften und Technik).

Bessere Verfügbarkeit von Satellitensignalen (c) Jörg F. Wagner
Bessere Verfügbarkeit von Satellitensignalen

Die Signale verschiedener Satellitennavigationssysteme (GPS, Galileo, GLONASS) und deren Ergänzungen (EGNOS usw.) werden in städtischen Gebieten häufig durch Gebäude abgeschattet. Dadurch schränkt sich die Nutzbarkeit dieser Syste­me für den Straßenverkehr stark ein. Der Einsatz von zusätzlichen Signaltrans­mit­tern, die auf Höhenplattformen platziert werden, könnte allerdings diesen Effekt kompensieren und so die Verfügbarkeit der Satellitennavigationssignale wieder erheblich steigern.

Im Rahmen der Arbeit soll mit Hilfe von Simulationen deshalb das Verbesserungs­potential untersucht werden, das in einer solchen Nutzung von Höhenplattformen über bebauten Gebieten liegt.

Als Grundlage der Simulation dient ein 3D-Stadtmodell, das zur Berechnung der Abschattungswinkel entlang ausgewählter Fahrtrouten verwendet wird. Mit Hilfe eines Satellitensimulationsprogramms soll die Verfügbarkeit der einzelnen Satel­li­ten­sys­teme ohne und mit zusätzlichen, durch Höhenplattformen bereitgestellten Signalen bestimmt werden. Aus den Simulationsergebnissen sind weiterhin Rück­schlüsse zur Anzahl und effektiven Positionierung der Plattformen zu ziehen.

Aufgabenstellung:
-  Auswahl und Nutzbarmachung des 3-D-Stadtmodells,
-  Einlesen der 3D Daten in eine GPS-Simulationssoftware,
-  Festlegung Simulationsszenarien,
-  Untersuchung des Einflusses von Anzahl und Positionsgenauigkeit der Plattformen.

Anforderungen:
-  Grundkenntnisse zu GPS.

Kontakt

 

Professur für Adaptive Strukturen in der Luft- und Raumfahrttechnik

Pfaffenwaldring 31, D-70569 Stuttgart

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