Prinzipien und Anwendung elektrischer Raumfahrtantriebe

Peter Schwitzky

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Vortrag zur Prüfung in

„Neue Technologien elektrischer Energiewandler und Aktuatoren“:

Elektrische Raumfahrtantriebe: Prinzipien und Anwendung

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Inhalt: Definition und Überblick Funktionsprinzipien Vor- und Nachteile realisierte Antriebe Ausblick

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Definition und Überblick

Definition von elektrischen Raumfahrtantrieben:

• Triebwerk erzeugt Schub durch gerichtetes Ausstoßen eines Stütz-mediums mit hoher Geschwindigkeit unter Einsatz elektrischer

Energie

• Primärenergiequelle ist nicht unmittelbar an Vortriebserzeugungbeteiligt, sondern liefert lediglich Betriebsenergie

• Grundlegender Unterschied zu chemischen Triebwerken:Energie wird nicht im Triebwerk mitgetragen und durch Verbrennung freigesetzt

Primärenergie - elektrisches Zwischenglied - kinetische Strahlenenergie

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Definition und Überblick

Elektrothermischer Antrieb[Lichtbogentriebwerk]

Elektromagnetischer Antrieb[Plasmaantrieb, magnetogasdyn. ~]

Elektrostatischer Antrieb[Ionenantrieb]

Resistojet

Arcjet

MPD-Eigenfeldtriebwerk

MPD-Fremdfeldtriebwerk

Bombardement

Radiofrequenz-Ionentriebwerk

Hall-Ionentriebwerk

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Funktionsprinzipien

Elektrothermischer Antrieb:• Aufheizen des Treibstoffes (z.B. Wasserstoff) und Entspannen über Düse

Ausführung Arcjet:

• Erhitzen des Treibstoffs (Hydrazin) per Lichtbogen auf 10 000K• stabförmige Kathode in Brennkammer, Düsenhalseinsatz dient als Anode• einfacher Aufbau• Strahlgeschwindigkeit nur bis 10 000 m/s; Wirkungsgrad ca. 30%

Abb 1. Arcjet

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Elektromagnetischer Antrieb:• Ionisierung des Treibstoffes und Beschleunigung des Plasmas durch Lorentzkräfte statt mittels Düse

Fremdfeldantrieb:• Ladungstrennung durch elektrisches Feld• senkrecht zum daraus resultierenden Strom liegt ein Magnetfeld an, so daß Lorentzkraft wirkt und Elektronen sowie Ionen in die gleiche Richtung beschleunigt• Wirkungsgrad ca. 20%; hohe Schubdichte

Funktionsprinzipien

Abb 2. Elektromag-netischer Antrieb

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Elektromagnetischer Antrieb:• Ionisierung des Treibstoffes und Beschleunigung des Plasmas durch Lorentzkräfte statt mittels Düse

Fremdfeldantrieb:• Ladungstrennung durch elektrisches Feld• senkrecht zum daraus resultierenden Strom liegt ein Magnetfeld an, so daß Lorentzkraft wirkt und Elektronen sowie Ionen in die gleiche Richtung beschleunigt• Wirkungsgrad ca. 20%; hohe Schubdichte

Funktionsprinzipien

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Funktionsprinzipien

Elektromagnetischer Antrieb:

MPD-Eigenfeldbeschleuniger:• Ionisierung und Erhitzung des Treib- stoffs durch Lichtbogen, der auch Magnetfeld induziert

• Lorentzkraft in (j x B)-Richtung hat axiale Komponente, die mag- netoplasmadynamischen Schubanteil erzeugt

• Wirkungsgrad ca. 50%Abb 3. MPD-Eigenfeldbeschleuniger

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Funktionsprinzipien

Elektrostatischer Antrieb:• Ionisierung des Treibstoffs z.B. durch Gasentladung• schwere Ionen werden extrahiert und beschleunigt

(kein neutrales Plasma)• nach Beschleunigung werden dem Ionenstrahl

wieder Elektronen zugeführt• Wirkungsgrad bis 90%• Strahlgeschwindigkeiten bis 100 000 m/s• Schub: • idealer Treibstoff:

hohes Atomgewicht, leicht ionisier- und verdampfbar Kompromiß: Xenon

(teuer, dafür keine Kontamination)

qUmJF /2

Abb 4. Schema Ionenantrieb

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Funktionsprinzipien

Haupttypen der elektrostatischen Triebwerke:Bombardment-Triebwerk:• Erzeugung des Plasmas durch Gleich-

stromentladung zwischen zentraler Hohlkathode und Anodenring

• Stoßwahrscheinlichkeit wird durch aufspiralisierte Elektronenbahnen

(mittels Hilfsmagnete) erhöht• 2 löchrige Hochspannungselektroden

(Grids) beschleunigen erzeugte Ionen• bis 200mN Schub• hohe Wirkungsgrade• störanfällig• [USA, GB, Japan] Abb 5. Kaufman-Triebwerk

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Funktionsprinzipien

Haupttypen der elektrostatischen Triebwerke:Radiofrequenz-Ionentriebwerk:• Neutrales Xenongas strömt geregelt

in Entladungskammer• Kupferspule um Kammer koppelt Hoch-

frequenzfeld ein el. Wirbelfeld• In Kammer zündet elektrodenlose

HF-RingentladungTeilionisierung• Ionen werden aus Entladungskammer

extrahiert und gemäß regelbarer Potential-differenz zwischen G1 und G3 beschleunigt

• Neutralsisator führt eine dem Ionen-strom entsprechenden Elektronenstrom zu

• [Entwicklung an Uni Gießen] Abb 6. Aufbau RIT

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Funktionsprinzipien

Haupttypen der elektrostatischen Triebwerke:

Weitere Typen:• Feldemissionstriebwerk (FEEP)• Hall Ionen Triebwerk [Rußland, Frankreich]• Kontaktionentriebwerke

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Vor- und Nachteile

Nachteile:• keine kurzzeitige Bahn- oder Richtungsänderungen sind nicht möglich,

elektrische Triebwerke arbeiten über sehr lange Zeiträume (Monate)• da Treibstoff nur Stützmasse statt auch Energieträger ist, wird Energie-

quelle benötigt Leistungsbegrenzung• elektrische Triebwerke arbeiten nur im Vakuum des Weltalls,• keine Starts von der Erde möglich• erhöhte Verweildauern im Strahlungsgürtel, bei Anheben auf höhere Bahn

Vorteile:• kein Stufenprinzip notwendig, bei dem nur Bruchteile der Startmasse am

Ziel ankommen (Apollo-Mission 0,16%)• keine Umwege durch Swingby-Verfahren, wie bei chem. Raketen nötig• rund 10 mal höhere Strahlgeschwindigkeiten als chemische Raketen (max.

4 800 m/s),bei denen der spezifische Heizwert beschränkt ist

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Vor- und Nachteile

Vorteile:• bei gleichem Treibstoffanteil ergibt sich 10-faches Antriebsvermögen

(~ Treibstoffgeschw.) gegenüber chem. Raketen• alternativ Einsparung von Treibstoff zugunsten der Nutzlast

Konsequenzen:• elektrische Triebwerke eignen sich nur für bestimmte Aufgaben• bei langen Missionen im schwerefreien Weltraum sind die Nachteile

irrelevant• vorteilig kommt dagegen zum Tragen, daß sich hierbei die Nutzlast

verdoppeln und die Flugzeit halbieren lassen• zur Kompensation von Bahnstörungen (Einfluß von Sonne, Mond) sind

elektrische Triebwerke geeignet:Korrekturimpuls = Treibstoffmasse mal Treibstoffgeschwindigkeit

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realisierte Antriebe

Artemis:• Nachrichtensatellit (ESA), der mit vier Ionenantrieben zur Nord-Süd-

Bahnkorrektur ausgestattet wurde (Start 2001)• wegen Fehler in Ariane 5-Oberstufe in 31 000 km Höhe gestrandet• RIT-10-Ionentriebwerk wurde genutzt, um Satellit auf 5000 km höhere

Bahn zu bringen (die beiden anderen fielen aus)• 20 kg Treibstoff reichten aus; wegen geringen Schub: 10 Monate Dauer• trotz ungeplanten Treibstoffverbrauch: 5 Jahre Operationszeit

sonst Abschreiben des 700 M€ teuren Satelliten (unversichert)

RIT-10-Triebwerk:• Gewicht: 1,2 kg• Treibstoff: Xenon• Verbrauch: 0,3 mg/s• Schub: 10 mN

• el. Leistung: 340W• massenspezifischer

Impuls: 31000 m/s• Wirkungsgrad: 53 %

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realisierte Antriebe

Deep Space 1• erstmals mit Sonnenenergie gespeister Ionenantrieb• Solarzellen mit 23,4 % Wirkungsgrad und maximal 2,3 kW • Start am 24.10.98 Asteroid Braille (27.07.99) Komet Borrelly

(22.09.01)

• Masse der Sonde: 486,3 kg• Treibstoff: 81,5 kg Xenon: 8000h Brenndauer• stufenlos drosselbares Kaufman-Triebwerk liefert 20-92mN Schub• Sonde wurde in 300 Tagen auf 13 000km/ h beschleunigt

10 mal schneller als mit herkömmlichen Antrieb• hoher Wirkungsgrad (Antriebsimpuls pro Gramm Treibstoff) Treibstoffbedarf deutlich geringer als bei chem. Antrieb

(6-Tonnen-Triebwerk und 1000 kg Treibstoff)

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Ausblick

Smart-1-Mission :• Mondsonde (350 kg) der ESA mit Ionenantrieb• Hall-Ionen-Triebwerk PPS-1350 von SNECMA Schub von 70 mN; 1350 W Stromverbrauch

Bepi-Colombo:• Merkur-Orbiter der ESA• Start gegen Ende des Jahrzehnts• Transport von Orbiter + Landegerät mittels Ionentriebwerke

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Ausblick

Bisherige Anwendung elektrischer Antriebe:• bei der Lageregelung von Satelliten im geostationären Orbit bewährt• erste Sonden zu entfernteren Regionen im Sonnensystem mit Ionenantrieb• Plasmaquellen für die Simulation von Wiedereintrittsbedingungen (MPD)• elektrostatischer Antrieb hat den weitesten Entwicklungsstand erreicht:

RIT-10-Aggregat von Prof. Löb: 20 000 h Volllast in Prüfstand

Künftige Verwendungsmöglichkeiten:• Marschantrieb für Bahnübergänge im Erdfeld (nach Start mit chem. Rakete)• interplanetare Flüge mit langen Missionszeiten und hoher Endgeschwindigkeit• Arcjet Triebwerke im Leistungsbereich von 5 bis 100 kW als Primärantriebe für große Raumfahrtstrukturen (Universität Stuttgart)• regelmäßiger unbemannter Transport von Versorgungsgütern zum MondBeschränkung auf Spezialaufgaben, wo feine Schubsteuerung oder hohe Endgeschwindigkeiten von Interesse, hohe Schubbeschleunigung verzichtbar

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Ende