DESIGN, KONSTRUKTION UND TEST EINES 2,5cm MIKROTRIEBWERKS µnrit-2,5 B.Lotz, D.Feili und H.W.Löb DLR Vorhaben FKZ 50 JR 0541 1 Inhalt: Bedarfslage und Anwendungsfälle Aufgaben und Konkurrenzsituation Funktionsweise von HF Ionentriebwerken (RIT Typ) Design des µnrit 2,5 Teststand und Testergebnisse
BEDARFSLAGE UND ANWENDUNGSFÄLLE künftiger Bedarf an Mikrotriebwerken (wissenschaftliche ESA Projekte): Microscope (Raumtest des Äquivalenzprinzips) Symbol-X, Max, Aspics (X- und ɣ-teleskope, Coronograph) Pegasus, Darwin, Gaia, IRSI (Interferometer) Smart-2, Smart-3, Lisa, Post-GOCE, Post-Grace Proba-3 (Demonstrator) Aufgaben der Mikrotriebwerke: Transport in den Einsatzort (z.b. Librationspunkt) Ausrichtung auf verschiedene Targets Lage- und Positionskontrolle (Tandemflugkörper, Flugkörperflotten) Kompensation von Störkräften (Luftreibung u.a.) 3 Schubklassen: Grobsteuerung 500µN 5mN Feinsteuerung 50µN 500µN Ultrafeinsteuerung 5µN 50µN 2
BEISPIEL: LISA (Laser Interferometer Space Antenna) Formationsflug von 3 Flugkörpern : Abstand ca. 6 Mio. km, Genauigkeit < 1mm, durch Laser verbunden Aufgabe : Detektion von Gravitationswellen 3
BEISPIEL : DARWIN Flotte von mehreren Teleskopsatelliten, elektronisch verkoppelt, spannen virtuelles Großteleskop auf Aufgabe : Suche nach extraterrestrischen erdartigen Planeten, Bestimmung von Molekülen (CO 2, O 2, ) in Atmosphäre durch Interferenz 4
BEISPIEL : PROBA-3 Formationsflug von zwei Flugkörpern mit Dreiachsenstabilisierung, Satellientracking Aufgabe : Demonstration der Möglichkeit, Abstand und Lage exakt zu kontrollieren und einzuhalten; danach auch Variation von Abstand und Höhe 5
AUFGABEN UND KONKURRENZSITUATION Pro Flugkörper benötigt man 16 Mikrotriebwerke; Möglichkeit, je 4 Triebwerke zu einem Block zusammenzufassen (multivektorales Array) Forderungen an die Triebwerke : präziser Schub geringes Schubrauschen geringe Systemmasse geringe Leistungsaufnahme geringer Treibstoffbedarf prinzipiell geeignete Triebwerkstypen : Kaltgas oder Heißgas Ablationstriebwerke PPT FEEP mit Cs oder In RIT mit Xe 6
FUNKTIONSWEISE VON HF-IONENTRIEBWERKEN (RIT-TYP) Ionisierung des Treibstoffs in einer Hochfrequenz- Gasentladung; Induktionsspule eines Hf-Generators erzeugt elektrisches Wirbelfeld, das die Entladungselektronen beschleunigt Die durch Stoß erzeugten Ionen werden durch ein Gittersystem aus dem Plasma extrahiert, beschleunigt und fokussiert Elektronen aus einer Hohlkathode neutralisieren den Ionenstrahl Skalierungsgesetze bestimmen optimale Gefäßlänge, Entladungsfrequenz, Gasdichte usw. 7
DESIGN DES µnrit-2,5 Zwei Verbesserungen des Standarddesigns: Neue Geometrie des Entladungsgefäßes; dadurch Reduktion der Wandfläche, wo die Plasmaverluste stattfinden; Einsparungen an HF-Leistung ca. 25% Neues Gasinjektionssystem von unten; Einsparung an Gasverbrauch ca. 30% 8
µnrit-2,5 9
TESTSTAND BIGMAC 10
TESTERGEBNISSE Hf-Leistung Massenfluss Strahlspannung Strahlstrom spez. Impuls Schub Masse Messzeit 8,7 22W 0,15 0,25sccm 0,5 2,1kV 1,6 9mA 400 3800s 50 600µN 210g > 1000h 11
TESTERGEBNISSE 12