Java Ultra Simulator Technology 2. Java Robotics Intelligente

Forschungsbericht (Kurzfassung)
SS 2003
Häuser, Jochem, Prof. Dr. rer. nat.
Name, Vorname, Titel, ggf. wiss. Einheit
Transport- und Verkehrswesen
Fachbereich
Unterschrift
1. EFRE 2002.108 JUST (Java Ultra Simulator Technology
2. Java Robotics
Intelligente Roboter und embedded Systems mittels JVM
3. Space Transportation Univesität Innsbruck: Neue Raumfahrtantriebe
Thema des Vorhabens
1. EFRE
2002.108 JUST (Java Ultra Simulator Technology)
Der EFRE Forschungsantrag wurde zum 1.10.2002 genehmigt. Die Laufzeit des Vorhabens
wurde auf 3 Jahre festgesetzt. Das Vorhaben läuft daher zum 30.09.2005 aus. Die
Gesamptprojektkosten belaufen sich auf • 674.042, davon sind • 278.709 als Efre
Projektfördermittel bewilligt. Als Partner in diesem Vorhaben sind die örtlichen Firmen
HTG-HST GmbH, Lindau-Harz und die CLE GmbH, Salzgitter Calbecht beteiligt. Als
internationale Partner nehmen die Europäische Raumfahrtbehörde ESA in Noordwijk, Holland
und das Center of Advanced Computational Research des California Institute of Technology,
Pasadena, U.S.A. teil. Als Projektleiter (15% der Arbeitszeit) fungiert der Antragsteller. Die
wissenschaftliche Leitung und Koordination wird ebenfalls durch den Antragsteller
wahrgenommen. Prof. Dr. Waldeer, FbT, Salzgitter nimmt an diesem Projekt teil.
Das Vorhaben wurde bereits ausführlich im Antrag zur Lehrentlastung für das SS 2003
dargestellt.
Die folgenden Arbeitspakete wurden gemäß Arbeitsplan abgesschlossen bzw. begonnen. Die
mathematische Formulierung der Simulationsgleichungen sowie die allgemeine Datenstruktur
für das numerische Verfahren mittels finiter Volumentechnik zur multi-physics Simulation
(Beteiligung Prof. Waldeer) wurde abgeschlossen. Die JUST Architektur Definition (CRC
Karten, Java Klassenbibliothek) (Beteiligung Prof. Waldeer) wurde ebenfalls abgeschlossen.
Alle Klassen sind bereits implementiert. Der JUST Computational Wizard (GUI, Java Swing, für
ein intelligente Benutzerführung) existiert. An seiner Weiterentwicklung wird gearbeitet, da eine
intelligente Benutzerführung für die Lösung der nichtlinearen Gleichungen sowie des Einsatzes
der physikalischen Sub-Modelle eine sehr subtile Steuerung erfordert.
Im Berichtszeitraum wurde der zwei-dimensionale Java Strömungsode für die
Euler-Gleichungen weiter entwickelt, und an Beispielen mit dem dem DLR tau-code validiert.
Das grafische User Interface wurde ebebnfalls weiterentwickelt (Java Swing) und an komlexeren
Beispielen getestet (airfoil geometry). Die Tests wurden auf mehreren Hardwareplattformen und
Betriebssystemen (inkl. Windows) durchgeführt, um die Unabhängigkeit des Javacodes sowohl
im Hard- als auch Softwarebereich zu demonstrieren. Die numerische Implementierung für
Verfahren zweiter Ordnung wurde fertiggestellt und verschiedene Limiter wurden getestet. Eine
modifizierte Version des van Albada Limiters ergab die beste Genauigkeit. Die Javaklassen
wurden so angelegt, dass der Code auf rotationssymmetrische Probleme sowie für generelle
drei-dimensionale Probleme erweiterbar ist. Gleichzeitig wurden die notwendigen Interfaces
entwickelt, um diesen Code mit der JavaGrid Software zu integrieren.
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Die JavaGrid Software wurde weiter entwickelt und getestet. Schwerpunkt der
Forschungsarbeiten war der Nachweis der Skalierung des parallelen Thread Konzeptes auf einer
64 Prozessoranlage, die von SUN Microsystems für 2 Wochen kostenfrei zur Verfügung gestellt
wurde. Davon wurden 60 Prozessoren genutzt. Die Ergebnisse haben ohne Zweifel die
Skalierbarkeit des Thread Konzeptes für diese Architektur erwiesen. Damit ist sichergestellt,
dass die Parallelisierung auf wesentlich größere Systeme übertragen werden kann, d.h. es
existiert keine Begrenzung der Prozessoranzahl (in Bezug auf die geplanten Anlagen) für
das Java-Therad Parallelisierungskonzept. Die parallele Skalierbarkeit wurde für bis zu
60 Prozessoren und mehreren tausend Threads nachgewiesen.
Die Überlegungen zum Bau einer Beowolfanlage wurden abgeschlossen. Der Aufbau eines
eigenen Parallelrechners vom Typ Beowolf mit 4 AMD Prozessoren (2.6 GHz) und 6 GB
memory wurde im SS durchgeführt. Es wurde das Messaage Passing Interface (MPI) unter Linux
installiert. Die Anlage läuft ohne Probleme und ist zur Zeit die lesitungsfähigste Rechenanlage in
Salzgitter. Die in Ansi-C geschriebenen parallelelen Simulationscodes wurden installiert und
getestet. Damit wurde die Basis zum Vergleich mit dem JUST code erstellt. Der ESA Lore
Simulationscode wurde ebenfalls auf dieser Anlage implementiert. Es ist nicht geplant, die
Anlage weiter auszubauen, da in 2004 die 64 bit Prozessorarchitektur von AMD und Intel
verfügbar sein wird.
Der Fortschritt im Efre JUST Projekt verlaufen gemäß Arbeitsplan. Die Arbeiten wurden in
einem extended Abstract dem American Institute for Aeronautics and Astronautics (AIAA) zur
Veröffentlichung eingereicht. Das Paper wurde angenommen und soll auf dem 42nd AIAA
Aerospace Sciences Meeting, 4-8 January, Reno, Nevada vorgetragen werden.
Kooperation: Der Javacode wird in Zusammenarbeit mit der Europäischen Raumfahrtbehörde
ESA und der Firma HTG, Lindau, Harz entwickelt. Im SS 2003 fand dazu eine umfangreiche
Kooperation mit ESA und HTG statt. Wissenschaftler aus dem European Space research and
Technology Center (ESTEC), Nordwijk und HTG waren vor Ort und installierten den ESA Lore
Simulationscode zum Wiedereintritt von Raumflugkörpern. Gleichzeitig wurde ein Workshop
zur Benutzung des Computercodes in Salzgitter organisiert. Mittels Lore sollen die Ergebnisse
des Javacodes validiert werden.
Die durchgeführten Arbeiten bilden die Grundlage für einen Ph.D. in Kooperation mit der
Universität Greenwich, London mit der ebenfalls ein Kooperationsvertrag besteht.
2. Java Robotics
Intelligente Roboter und embedded Systems mittels JVM
Die Forschungsarbeiten, intelligente Roboter mittels Java Software zu konstruieren, wurden
weitergeführt. Im SS 2003 wurde zum erstenmal eine Java Virtual Machine in einen Legorobot
mittels Infrarotschnittstelle geladen und durch Threads gesteuert. Es wurde ein Javapaket
erstellt, das einen beweglichen Roboter mittels eines optischen und eines Berührungssensors
steuert. Der für das SS 2003 RCX Brick (Steuerungscomputer des Roboters), der einen Hitachi
Chip mit 16 Kbyte Speicher enthält, konnte bisher nicht durch den angekündigten 2Mbyte
Speicher ersetzt werden, da sich seine Auslieferung verzögert hat. Es ist trotzdem gelungen,
weitere, leistungsfähigere Sensoren zu verwenden, d.h., pneumatische Sensoren sowie eine
Kamera als auch Sound-Sensoren in die verschiedenen Robotertypen einzubauen und zu steuern.
Die notwendige real-time Verarbeitung der Sensor-Events geschieht mittels Java Threads, d.h.,
die Steuerungssoftware läuft parallel ab.
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3. Space Transportation Neue Raumfahrtantriebe
In diesem Forschungsprogramm wurden große Fortschritte gemacht. Es konnte dargestellt
werden, nach welchem phyikalischen Prinzip der Raumfahrtantrieb wirken könnte, und es wurde
eine grobe Abschätzung seiner Leistungsfähigkeit gegeben. Das Antriebsprinzip nach
Heim’scher Theorie wurde vom NASA Glenn Research Center in die Liste der möglichen
Kandidaten für das BPP (siehe nachstehend) aufgenommen.
Seit 1996 gibt es bei NASA das sogenannte Breakthrough Physics Propulsion Program (BPP)
mit dem nach völlig neuartigen Raumfahrtantrieben gesucht wird, die aufgrund neuer Physik
unabhängig vom bisherigen Raketenantrieb sind, d.h, es wird gefordert
•
das Antriebssystem verbraucht keinen oder fast keinen Treibstoff,
•
darf keine großen Energiemenegen verbrauchen (es wäre demzufolge nicht zulässig
einen materiellen Körper gemäß der Einsteinschen Relativitätstheorie auf fast
Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen, da dabei der Energieverbrauch über alle
Grenzen wachsen würde)
•
erreicht möglicherweise Überlichtgeschwindigkeit.
Die physikalische Theorie des verstorbenen Göttinger Physikers Burkhard Heim lässt zumindest
theoretisch einen solchen Antrieb zu. Das Forschungsprojekt, das mit dem Institut für
Grenzgebiete der Wissenschaften (IGW) der Leopold-Franzens Universität Innsbruck begonnen
wurde, wurde weitergeführt. Eine weitere Veröffentlichung erfolgte im SS 2003 unter dem Titel
Future Space Propulsion Based on Heims's Field Theory. Gleichzeitig wurde ein Vortrag
gehalten auf der vom American Institute for Aeronautics and Astronautics veranstalteten 39th
AIAA/ASME/SAE/ASE Joint Propulsion Conference & Exhibit, Huntsville, ALABAMA, 20-23
July, 2003. Die in dieser umfangreichen Forschungsarbeit von etwa 25 Seiten dargestellte
Theorie beschreibt den Aufbau eines Prinzipexperimentes eine solchen Raumfahrtantriebes
mittels der Wirkungsweise der Heim’schen Feldtheorie.
Außerdem wurden eine
Missionsanalyse für einen planetaren sowie einen interplanetaren Raumflug mittels dieses
Antriebskonzeptes dargestellt.
Da das Copyright der Veröffentlichungen beim IGW verblieben ist und nicht bei AIAA, sind die
Veröffentlichungen im Internet verfügbar (siehe unten).
Veröffentlichungen im Berichtszeitraum: Dröscher, W., Häuser, J.: Future Space Propulsion
Based on Heim's Field Theory, AIAA 2003-4990, 25 pp. (http://www.cle.de/hpcc/ als PDF
Datei).
Vortrag auf internationaler Konferenz: Häuser, J., Dröscher W.: Future Space Propulsion
Based on Heim'sField Theory (http://www.cle.de/hpcc/ als PDF Datei).
Die Java Simulationsergebnisse des Efre Projektes wurden der Firma Sun Microsystems,
Deutschland für die Supercomputing Konferenz in Heidelberg, Juni, 2003 zur Verfügung
gestellt und auf dem Messestand von SUN online präsentiert.
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Möglicherweise können die von NASA aufgestellten Forderungen für einen völlig neuartigen
Raumfahrtantrieb durch die Heim’sche Theorie erfüllt werden. Es sei jedoch darauf
hingewiesen, daß eine technische Realisierung, falls sie möglich sein sollte, weitere langfristige
Forschungsleistungen erfordern wird.
Ergebnisbericht, insbesondere über neue Erkenntnisse
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