Das Institut für Softwaretechnologie im DLR: Innovative Softwaretechnologien mit Weitblick

Von Software für sichere Raumfahrtmissionen, über die Optimierung des 3D-Drucks von Raketenantriebskomponenten bis hin zur Vernetzung von komplexen Designprozessen bei Flugzeugen und Satelliten – das Institut für Softwaretechnologie im DLR bietet innovative Softwarelösungen für die Luft- und Raumfahrt.

Software ist in der Forschung nicht mehr wegzudenken. So kommen Softwareprodukte auch in allen Forschungsbereichen des DLR zum Einsatz: in Luft- und Raumfahrt, Verkehr, Energie, Digitalisierung und Sicherheit. Das Institut für Softwaretechnologie ist Ansprechpartner für innovative Softwarelösungen für alle DLR-Bereiche und betreibt zudem Grundlagenforschung unter anderem in Quantencomputing und Künstlicher Intelligenz. Drei Beispiele bieten Einblicke in dedizierte Softwarelösungen, mit denen das Institut die zukunftsweisende Entwicklung der Luft- und Raumfahrt unterstützt.

Für mehr Sicherheit im All: Software erkennt und behebt Hardwareausfälle
Sicherheit ist in der Durchführung von Raumfahrtmissionen und Flugexperimenten von höchster Bedeutung. Sowohl Hardware als auch Software sind besonderen Bedingungen ausgesetzt, wenn sie im Orbit betrieben werden. Kommerzielle Rechnerkomponenten haben eine höhere Ausfallwahrscheinlichkeit im All als bei einer üblichen Nutzung auf der Erde. Kann Software die Mission noch retten, wenn Teile der Hardware versagen? An dieser Frage forscht das Institut für Softwaretechnologie und entwickelt sogenannte fehlertolerante und resiliente Software für den worst case eines Hardwareausfalls. Eine solche Software ist in der Lage, den Ausfall von einzelnen Hardwarekomponenten zu kompensieren.

Das Institut untersucht einen neuen Ansatz für eine fehlertolerante Software, die auf einer hybriden und verteilten Rechnerarchitektur basiert. Der Rechner besteht aus klassischen strahlungstoleranten Prozessoren und hochleistungsfähigen Systems-on-a-Chip, die mehrere schnelle Prozessoren und FPGAs vereinen. Das Softwaresystem erkennt Ausfälle, rekonfiguriert autonom den Rechner und ersetz fehlerhafte Knoten. Ein solcher Rechner eignet sich später für Missionen mit hohem Rechenbedarf an Bord, beispielsweise in der Erdbeobachtung.

Algorithmen überprüfen gedruckte Antriebskomponenten
In der Raumfahrt kommen zunehmend Bauteile zum Einsatz, die mittels 3D-Druckverfahren hergestellt sind. Während des Fertigungsprozesses der Bauteile entstehen lokale Temperaturdifferenzen im Material, da dieses zunächst geschmolzen wird und im nächsten Schritt wieder erstarrt. Dies kann kritisch sein, da die Temperaturdifferenzen beim Abkühlen hohe Eigenspannungen im Bauteil verursachen können, die wiederum die Stabilität des Bauteils beeinflussen. Im äußersten Fall kann dies zum Versagen der Komponente führen. Für eine bessere Kontrolle des Anfertigungsprozesses ist eine Überwachung der Temperaturverteilung innerhalb des Bauteils wichtig.

Unter diesem Aspekt untersucht das Institut für Softwaretechnologie zusammen mit dem Institut für Werkstoffforschung metallische Raketenantriebskomponenten, die durch ein sogenanntes selektives Laserschmelzen angefertigt werden. Eine dediziertes Softwaretool zeichnet die entstehende Wärmestrahlung aus der Schmelze mittels Photodioden in Echtzeit auf. Die Auswertung der Temperaturdaten ermöglicht es, Schlussfolgerungen zum Einfluss der Prozessparameter auf lokale Temperaturdifferenzen zu ziehen. Um die Genauigkeit der Analyse zu erhöhen, findet eine automatisierte Gebietszerlegung komplexer Geometrien statt. So ist es bereits vor dem Druck möglich, die Druckparameter lokalisiert so anzupassen, dass sich eine gleichmäßige Temperaturverteilung während des Fertigungsprozesses einstellt. Das Resultat ist ein stabileres Bauteil, welches im Einsatz eine höhere Sicherheit aufweist.

Ganze Entwurfsprozesse von Flugzeugen und Satelliten fließen in einer Software-Plattform zusammen
Von der Planung über das Design bis hin zur Produktion – der Bau eines Flugzeugs, eines Schiffs oder eines Satelliten ist ein zeitaufwändiger, komplexer Prozess, bei dem eine Vielzahl an Beteiligten aus unterschiedlichen Professionen zusammenkommen. Eine Softwareplattform bringt diese interdisziplinären Prozesse unter einen Hut: die Remote-Komponentenumgebung RCE. RCE ist bereits seit mehr als 10 Jahren eines der stärksten Softwareprodukte des Instituts für Softwaretechnologie im DLR und wird von vielen Industriepartnern erfolgreich eingesetzt.

RCE bietet eine umfassende Plattform für verteiltes, interdisziplinäres Arbeiten speziell für die Ingenieurswissenschaften. Neben vielen vollautomatisierten Steuerungen von Workflows hat sie vor allem einen technischen Vorteil: Oft haben die unterschiedlichen Softwaretools innerhalb eines Großprojekts inkompatible Systemanforderungen und müssen aus rechtlichen Gründen an dem Standort verbleiben, an dem sie entwickelt werden. In RCE können die eigenen digitalen Entwurfs- und Analysewerkzeugen in die Plattform integriert und anderen Projektbeteiligten zu Verfügung gestellt werden. Das Bündeln von Prozessen und Vernetzen von Softwaretools ermöglicht eine bessere Kommunikation und einen effizienteren Projektablauf selbst bei komplexen Großprojekten der Luft- und Raumfahrt.