Institute of Space Systems
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Universität Stuttgart

Elektrische Raumfahrtantriebe

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Elektrische Raumfahrtantriebe
Dr.-Ing. Georg Herdrich

Zimmer 208
Pfaffenwaldring 31
70569 Stuttgart
Tel. +49 (0)711 685-62412
Fax +49 (0)711 685-63596
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Übersicht
Elektrothermische und hybride Raumfahrtantriebe
TALOS im Betrieb mit Ammoniak
Thermisches Lichtbogentriebwerk
Treibstoffe: Wasserstoff, Ammoniak, Argon, Hydrazin, Stickstoff; Leistung: 500 W bis 100 kW; Spezifischer Impuls: 5 km/s bis 20 km/s

TIHTUS im Betrieb mit Wasserstoff
Hybridtriebwerke
Treibstoffe: Stickstoff, Wasserstoff mit möglicher Zumischung anderer Stoffe im induktiven Teil; Gesamtleistung: bis 260 kW

Magnetoplasmadynamische Raumfahrtantriebe
HAT im Betrieb mit Argon
MPD-Eigenfeldbeschleuniger
Treibstoffe: Argon, Wasserstoff; Leistung: 200 kW bis 1 MW; Spezifischer Impuls: bis 15 km/s
X13 im Betrieb mit Argon (Quelle: DLR)
MPD-Fremdfeldbeschleuniger
Treibstoff: Argon; Leistung: 10 kW bis 20 kW; Spezifischer Impuls: bis 40 km/s
ADD SIMP-LEX im Betrieb mit PTFE
Gepulste MPD-Triebwerke
(Pulsed Plasma Thruster)
Treibstoff: PTFE; Energie: bis 70 J; Spezifischer Impuls: bis 27 km/s
Elektrostatische Raumfahrtantriebe
RIT 10 im Betrieb mit Xenon (Quelle: Astrium Space)
Ionentriebwerke
Entwicklung von Meßverfahren zur Optimierung von Ionentriebwerken mit Xenon als Treibstoff

In der Raumfahrt wurde schon früh erkannt, dass bei chemischen Raketenantrieben das Antriebsvermögen so gering ist, dass nur mit mehrfacher Stufung und kleinem Nutzlastanteil Missionen mit höherem Antriebsbedarf erfolgreich durchgeführt werden können. Der Grund hierfür liegt im zu geringen Energiegehalt der Treibstoffe, wodurch die maximal erreichbare Austrittsgeschwindigkeit aus einer Raketendüse auf ca. 4 bis 5 km/s begrenzt ist.

Eine Möglichkeit, diese Beschränkung zu überwinden, ist die Einkopplung zusätzlicher Energie, z.B. in Form von elektrischer Energie. Dies wurde schon 1906 von Goddard und später von Hermann Oberth in seinem Buch "Die Rakete zu den Planetenräumen" ausgeführt. Da erst nach dem zweiten Weltkrieg die Entwicklung von Großraketen die Möglichkeiten der Weltraumfahrt konkret werden ließ, waren es hauptsächlich die Arbeiten von Ernst Stuhlinger, die erneut auf die Vorzüge elektrischer Raumfahrtantriebe aufmerksam machten und die seit den 60iger Jahren weltweit zu umfangreichen Forschungs- und Entwicklungsprogrammen führten.

Ganz unterschiedliche Konzepte wurden untersucht, die sich vor allem im Beschleunigungsmechanismus unterscheiden, da mit elektrischer Energie rein elektrothermisch, elektrostatisch oder elektromagnetisch beschleunigt werden kann. Zur Ausnutzung elektrostatischer oder elektromagnetischer Beschleunigungskräfte müssen durch Ionisation des Treibstoffes erst Ladungsträger erzeugt werden.

Bei den meisten elektrischen Raumfahrtantrieben kann die Austrittsgeschwindigkeit durch Regelung der zugeführten Leistung und des Treibstoffes sowie der Wahl des Treibstoffes in einem weiten Bereich variiert werden. Die Triebwerksklassen unterscheiden sich jedoch grundsätzlich in den maximal erreichbaren Austrittsgeschwindigkeiten, der Schubdichte, dem Schub-Leistungsverhältnis sowie in den Treibstoffauswahlkriterien.

Am Institut für Raumfahrtsysteme stehen umfangreiche Versuchseinrichtungen für die Entwicklung von elektrischen Antrieben zur Verfügung.