Peter Schwitzky
Vortrag zur Prüfung in
„Neue Technologien elektrischer Energiewandler und
Aktuatoren“:
Elektrische Raumfahrtantriebe:
Prinzipien und Anwendung
Prinzipien und Anwendung elektrischer Raumfahrtantriebe
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Peter Schwitzky
Inhalt:
 Definition und Überblick
 Funktionsprinzipien
 Vor- und Nachteile
 realisierte Antriebe
 Ausblick
Prinzipien und Anwendung elektrischer Raumfahrtantriebe
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 Definition und Überblick
Peter Schwitzky
Definition von elektrischen Raumfahrtantrieben:
•
Triebwerk erzeugt Schub durch gerichtetes Ausstoßen eines Stützmediums mit hoher Geschwindigkeit unter Einsatz elektrischer Energie
•
Primärenergiequelle ist nicht unmittelbar an Vortriebserzeugung
beteiligt, sondern liefert lediglich Betriebsenergie
•
Grundlegender Unterschied zu chemischen Triebwerken:
Energie wird nicht im Triebwerk mitgetragen und durch
Verbrennung freigesetzt
Primärenergie - elektrisches Zwischenglied - kinetische Strahlenenergie
Prinzipien und Anwendung elektrischer Raumfahrtantriebe
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Peter Schwitzky
 Definition und Überblick
Elektrothermischer Antrieb
Resistojet
[Lichtbogentriebwerk]
Elektromagnetischer Antrieb
[Plasmaantrieb, magnetogasdyn. ~]
Elektrostatischer Antrieb
[Ionenantrieb]
Arcjet
MPD-Eigenfeldtriebwerk
MPD-Fremdfeldtriebwerk
Bombardement
Hall-Ionentriebwerk
Radiofrequenz-Ionentriebwerk
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Peter Schwitzky
 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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Peter Schwitzky
 Funktionsprinzipien
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
Abb 2. Elektromagnetischer Antrieb
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 Funktionsprinzipien
Peter Schwitzky
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
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Peter Schwitzky
 Funktionsprinzipien
Elektromagnetischer Antrieb:
MPD-Eigenfeldbeschleuniger:
• Ionisierung und Erhitzung des Treibstoffs durch Lichtbogen, der auch
Magnetfeld induziert
• Lorentzkraft in (j x B)-Richtung
hat axiale Komponente, die magnetoplasmadynamischen Schubanteil
erzeugt
• Wirkungsgrad ca. 50%
Abb 3. MPD-Eigenfeldbeschleuniger
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Peter Schwitzky
 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: F  J 2  m U / q
idealer Treibstoff:
hohes Atomgewicht, leicht ionisier- und verdampfbar
 Kompromiß: Xenon
(teuer, dafür keine Kontamination)
Abb 4. Schema
Ionenantrieb
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Peter Schwitzky
 Funktionsprinzipien
Haupttypen der elektrostatischen Triebwerke:
Bombardment-Triebwerk:
•
•
•
•
•
•
•
Erzeugung des Plasmas durch Gleichstromentladung 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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Peter Schwitzky
 Funktionsprinzipien
Haupttypen der elektrostatischen Triebwerke:
Radiofrequenz-Ionentriebwerk:
•
•
•
•
•
•
Neutrales Xenongas strömt geregelt
in Entladungskammer
Kupferspule um Kammer koppelt Hochfrequenzfeld ein  el. Wirbelfeld
In Kammer zündet elektrodenlose
HF-RingentladungTeilionisierung
Ionen werden aus Entladungskammer
extrahiert und gemäß regelbarer Potentialdifferenz zwischen G1 und G3 beschleunigt
Neutralsisator führt eine dem Ionenstrom entsprechenden Elektronenstrom zu
[Entwicklung an Uni Gießen]
Abb 6. Aufbau RIT
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 Funktionsprinzipien
Peter Schwitzky
Haupttypen der elektrostatischen Triebwerke:
Weitere Typen:
•
•
•
Feldemissionstriebwerk (FEEP)
Hall Ionen Triebwerk [Rußland, Frankreich]
Kontaktionentriebwerke
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 Vor- und Nachteile
Peter Schwitzky
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 Energiequelle 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
Peter Schwitzky
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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Peter Schwitzky
 realisierte Antriebe
Artemis:
•
•
•
•
•
Nachrichtensatellit (ESA), der mit vier Ionenantrieben zur Nord-SüdBahnkorrektur 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:
Treibstoff:
Verbrauch:
Schub:
1,2 kg
Xenon
0,3 mg/s
10 mN
•
•
•
el. Leistung:
massenspezifischer
Impuls:
Wirkungsgrad:
Prinzipien und Anwendung elektrischer Raumfahrtantriebe
340W
31000 m/s
53 %
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 realisierte Antriebe
Peter Schwitzky
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
Peter Schwitzky
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
Peter Schwitzky
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 Mond
Beschränkung auf Spezialaufgaben, wo feine Schubsteuerung oder hohe
Endgeschwindigkeiten von Interesse, hohe Schubbeschleunigung verzichtbar
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Peter Schwitzky
 Ende
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