2. Bodensee Aerospace Meeting, Friedrichshafen Ulf Pohlkamp, Astrium GmbH Friedrichshafen

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1 Elektrische Satellitenantriebe 2. Bodensee Aerospace Meeting, Friedrichshafen, Astrium GmbH Friedrichshafen

2 Übersicht Astrium am Standort Friedrichshafen Satellitenantriebe generell Elektrische Satellitenantriebe Historie, aktuelle Entwicklungen, Zukunftsaussichten Diskussion und Zusammenfassung Seite 2

3 Unternehmen Astrium Friedrichshafen Raumfahrt vom Bodensee Raumfahrtaktivitäten seit über 50 Jahren (vormals Dornier System) Division Astrium Satellites: Erdbeobachtung Wissenschaft Navigation Hauptauftragnehmer für Satelliten Produktentwicklung und -fertigung Integrations- und Testzentrum Missionen aus Friedrichshafen: XMM-Newton, Rosetta, Herschel Envisat, METOP, CryoSat, TerraSAR/TanDEM-X Seite 3

4 Satellitenantriebssysteme Grundlagen: Nutzung für Bahnmanöver / -korrekturen, Transferorbits, Lageregelung, Ausgleich von Störungen Rückstoß durch schnelle Ausströmung eines Treibstoffes mehrere Triebwerkstypen für verschiedene Zwecke Schlüsselparameter: Schub Ausströmgeschwindigkeit spezifischer Impuls (Leistung pro kg Treibstoff) Klassische Satellitenantriebe Chemisch, Flüssig Einstoff: Zersetzung eines Treibstoffes (mono-prop) Zweistoff: Reaktion zweier Treibstoffe (bi-prop) Kaltgas: Ausströmung von Hochdruck-Gas Treibstoff Triebwerk Schub Seite 4

5 Elektrische Antriebe: Grundlagen Grundidee Nutzung elektrischer Energie zur Beschleunigung eines Treibstoffs Ideen bereits in Anfängen der Raumfahrt (Goddard, Tsiolkowsky, Oberth) Konkrete Umsetzungen bereits in 1960er Jahren (nukleare Generatoren) Typische Systemelemente Treibstoffvorrat und -zuführung (z.b. Tank, Zuleitungen, Ventile etc.) Elektrische Energiequelle und Aufbereitung Triebwerk zur Umwandlung der elektrischen in kinetische Energie (wesentlich höhere Geschwindigkeiten möglich als bei klassischen Antrieben) El. Energiequelle Energie- Aufbereitung RIT-10 (Astrium) Triebwerk Schub Treibstoff Seite 5

6 Elektrische Antriebe: Varianten Elektrothermal: Aufheizung des Treibstoffs Expansion durch Düse (ähnlich chemischen Antrieben) Beispiele: Resistojet (Widerstand), Arcjet (Lichtbogen) Elektrostatisch: Ionisierung des Treibstoffs, Neutralisierung nach Ausstoß Beschleunigung durch elektrostatisches Feld Beispiele: Ionen-Antrieb (Kaufman, RF/RIT, Hall-Effekt) Feld-Emission (FEEP), Mehrstufen-Plasma (HEMP) Elektromagnetisch: Ionisierung des Treibstoffs zu Plasma Beschleunigung über Magnetfeld (Lorentzkraft) Beispiele: Puls-Plasma (PPT), Magneto-Plasmadynamisch (MPD), Seite 6

7 Elektrische Antriebe: Pro und Contra Vorteile Hoher Spezifischer Impuls (bis zu Faktor 10 besser im Vergleich zu chemischen Antrieben) Nutzung vorhandener, ungenutzter Energie z.b. GTO Geringere Treibstoffmassen als chemische Antriebe Meist ungiftige Treibstoffe, dadurch leichtere Handhabung, höhere Sicherheit für Personal Sehr kleine Impulse möglich, damit hochpräzise Lageregelung möglich, Mikro-Antriebe Zahlreiche Technologie-Varianten, decken verschiedene Einsatzbereiche ab Betriebserfahrungen bislang überwiegend positiv Nachteile Höhere technische Komplexität, Einfluss auf den gesamten Satelliten-Entwicklungsprozess Hoher Bedarf an elektrischer Energie (Kilowatts) Höheres Gewicht und Volumen der Systemkomponenten, z.b. Steuerungssysteme, Batterien, größere Solarpanel etc. Teilweise hohe Treibstoffkosten / -knappheit, z.b. Xenon Geringes Schubniveau, damit lange Dauer von Transferorbits, kontinuierlicher Betrieb Noch sehr geringe Standardisierung, teilweise noch Grundlagenforschung Noch keine verlässliche Robustheit erreicht Systemkosten Starke Abnutzung von Schlüsselkomponenten (z.b. Kathode, Gitter, Neutralisator) Seite 7

8 Elektrische Antriebe: Historie Zond 2 (1964): Sowjetische Marssonde mit Puls-Plasma Antrieb Gilt als Erstflug eines elektrischen Antriebes im All Zond 2 ARTEMIS (2001): Rettung eines geostationären Kommunikationssatellliten (ESA/JAXA) Ionentriebwerk RIT-10 von Astrium für Transferorbit (statt nur Lageregelung) SMART-1 (2003): ESA Mondsonde mit Hall-Effekt -Triebwerk Erstmals ständiger Antrieb außerhalb eines Erdorbits genutzt GOCE GOCE (2009): ESA Erdbeobachtungsmission (2009), Kaufman-Ionenantrieb ständigen Betrieb zum Ausgleich der bremsenden Restatmosphäre Satellitenplattform von Astrium Friedrichshafen Geostationäre Satelliten: Diverse Kommunikations-Satelliten mit elektrischen Antrieben zu Lageregelung seit den 80ern Kommerzielle Satelliten Mitte der 90er Jahre Eingesetzte Technologien: Hydrazin Resisto-/Arcjets, Xenon-Ionen/HET, Puls- Plasma Astrium Eurostar 3000 Serie mit Ionentriebwerken zur Lageregelung Seite 8

9 Elektrische Antriebe: aktuelle Entwicklungen Geostationäre Satelliten: Grundidee: komplett elektrischer Antrieb von Transferorbit bis De-Orbiting Momentan größtes Potential: kleinere Gesamtmasse (50-70%), damit mehr Startmöglichkeiten und geringere Kosten Erster Markteintritt 2012: Boing 702-SP Small Platform mit Xenon-Ionenantrieben BepiColombo: ESA Mission zum Merkur, Start in 2015 Hauptauftragnehmer Astrium Friedrichshafen Xenon-Ionenantrieb für den Transfer Erde-Merkur (ca. 7 Jahre) Europäische Entwicklung, Kaufman-Triebwerk (basierend auf GOCE Triebwerk) Bislang größte Mission und erste interplanetare Mission mit elektrischem Antrieb Seite 9

10 Elektrische Antriebe: Zukunftsaussichten All-Electric GEO Satellit: Ziel: kompakter geostationärer Satellit mit ausschließlich elektrischen Antrieben Parallele Entwicklungen bei allen großen Satellitenherstellern Zunehmendes Interesse bei kommerziellen und institutionellen Kunden, großes Marktpotential Interplanetare Missionen: Technologie-Vorreiter, jedoch Marktpotential eher gering (wenige Missionen pro Jahrzehnt) Problem: Energieleistung nimmt mit Sonnendistanz ab (Solarantrieb vs. Nuklearantrieb) Mikro-Triebwerke: Fortschritte in Fertigungsprozessen und Elektronik erlauben Miniaturisierung Einsatz für hochpräzise Lageregelung, z.b. Astronomie, geostationäre Erdbeobachtung, Kleinsatelliten Alternative Technologien: Forschung an allen Varianten der elektrischen Antriebe, Hauptfeld Hochspannungs-Triebwerke Potential für einzelne Technlogien aus dem Nischendasein herauszutreten (Demonstrations-Missionen) Standardisierung / Serienfertigung: Vornehmlich durch geostationäre Telekommunikationssatelliten zu erwarten Weiteres Potential: Galileo 2. Generation Seite 10

11 Diskussion und Zusammenfassung Elektrische Antriebe sind keine absolute Neuheit im Satellitenmarkt, jedoch immer noch Gegenstand von vielfältiger Technologieentwicklung Zahlreiche Varianten, Hersteller in allen großen Raumfahrt-Nationen Elektrische Antriebe sind auf einem langsamen, aber stetigen Vormarsch, Massentauglichkeit noch nicht erreicht Möglicher Durchbruch durch komplett elektrischen GEO-Satelliten Dank Robustheit und vergleichsweise geringer Komplexität werden klassische Antriebe weiter genutzt werden Attraktives Feld für Technologie-Entwicklungen, wachsendes Marktpotential Komplexität darf nicht unterschätzt werden, Betrachtung aller Elemente des Antriebssystems, Treiber für Satellitendesign Seite 11

12 Diskussion und Zusammenfassung Weitere Informationen: oder im anschließenden Meet the Expert Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Seite 12