Die Website der PPT&iMPD-Arbeitsgruppe finden sie hier.

Übersicht

Am Institut für Raumfahrtsysteme (IRS) wird in Kooperation mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und internationalen Einrichtungen an der Entwicklung eines instationär gepulsten magnetoplasmadynamischen (iMPD) Triebwerks geforscht. Ziel ist die Qualifikation eines flugfähigen Triebwerkes für zwei vom IRS geplante Kleinsatellitenmissionen: Mondsatellit Lunar Mission BW1 und der Technologieträger PERSEUS. Damit ist das IRS das erste Forschungsinstitut in Westeuropa, das sich neben den USA, Russland und Japan mit der systematischen Entwicklung dieser Triebwerke befasst.

Bei stationären MPD-Triebwerken wird der Vorteil eines hohen spezifischen Impulses mit dem Einsatz hoher elektrischer Ströme und Leistungen (>100 kW unter Laborbedingungen) erkauft. Dies bedingt die Entwicklung geeigneter Energiequellen zur Bereitstellung der elektrischen Leistung.

Werden MPD-Triebwerke im instationär gepulsten Modus betrieben, können auch Raumflugkörper (wie z.B oben genannte Kleinsatelliten), deren Energiequelle ein eher geringes Leistungsvermögen aufweist, mit diesen Antrieben ausgerüstet werden. Dies wird möglich, indem die zur Verfügung stehende elektrische Leistung verwendet wird, um zwischen den Pulsen elektrische Energie in Speicherkondensatoren zu sammeln, welche dann in wenigen Mikrosekunden im Triebwerk in kinetische Energie des Treibstoffs umgesetzt wird. Bei Pulszeiten von einigen Mikrosekunden wird der Ablauf eines Entladungspulses auf Grund des wirksam werdenden „Skin“-Effektes durch die elektro- und magnetodynamischen Eigenschaften des Entladungsstromkreises, gebildet aus den Komponenten des iMPD und dem beschleunigten Plasma, bestimmt.

Bei instationär gepulsten MPD-Eigenfeldtriebwerken, wie auch bei kontinuierlich betriebenen, bewirkt die Lorentzkraft, d.h. die Wechselwirkung bewegter Ladungsträger mit dem selbstinduzierten Magnetfeld, die Beschleunigung des Treibstoffs.

Funktionsprinzip

In obenstehendem Bild ist ein Parallelschienenbeschleuniger mit festem Treibstoff schematisch dargestellt, der bislang einzige im Weltraum eingesetzte iMPD-Typ. Er besteht aus einer Kondensatorbank, an die zwei Elektroden angeschlossen sind. Zwischen den Elektroden ist ein Treibstoffblock aus festem PTFE (Polytetrafluorethylen; „Teflon^®”) platziert, der bei Verbrauch mechanisch nachgeführt wird. Zu Beginn des mit einer Zündhilfe eingeleiteten Entladungspulses wird eine bestimmte Menge PTFE an der Blockoberfläche ablatiert. Die Treibstoffschicht wird ionisiert und löst durch den Kurzschluss der Elektroden die Hauptentladung der Kondensatoren aus. Der Entladungsvorgang kann durch einen Serienschwingkreis modelliert werden, daher wechselt das Vorzeichen von Strom und Spannung während eines Pulses. Die bewegten Ladungen des Entladestroms wechselwirken mit dem von ihnen erzeugten Magnetfeld und erfahren daher eine elektromagnetische Kraft, auch bekannt als Lorentzkraft. Durch die Kraftwirkung wird die Plasmaschicht beschleunigt und ausgestossen. Die elektrischen und geometrischen Triebwerksparameter und der Betriebs werden derart aufeinander abgestimmt, dass die Verluste minimiert werden und ein möglichst großer Anteil der zu Beginn im Kondensator gespeicherten Energie in kinetische Energie des beschleunigten Treibstoffes übergeht.

Vorteile des instationären MPD Antriebs

Ein großer Vorteil von iMPD-Triebwerken ist ihr Vermögen, hohe spezifische Impulse und somit hohe effektive Austrittsgeschwindigkeiten bei niedrigem Leistungsbedarf zu liefern. Dies ermöglicht die Reduzierung des Treibstoffbedarfs für eine gegebene Mission und spart damit Treibstoffmasse ein oder verlängert die Betriebszeit für eine gegebene Treibstoffmasse. Durch die Regelung der Pulsfrequenz lässt sich während einer Mission die benötigte elektrische Leistung des Triebwerks an die je nach Verbrauchssituation auf dem Satelliten verfügbare Leistung dynamisch anpassen. Ein weiterer Vorteil sind die sehr kleinen, gut reproduzierbaren Impulse, für den Ausgleich von Störmomenten, Driftbewegungen usw. welche es erlauben Lage- und Bahnfehler hochgenau und auf längere Zeit zu korrigieren. Dies ist sehr wichtig für Satelliten bzw. Satellitenkonstellationen, deren Missionserfolg entscheidend von der Genauigkeit ihrer Positionen und Orientierungen abhängt. Wegen der Verwendung festen Treibstoffs sind keine Behälter und Pumpen notwendig, was mit einer einfachen und robusten Konstruktion einhergeht und wiederum Gewicht einspart.

Derzeitiger Stand

Das Triebwerk SIMP-LEX (Stuttgart Impulsing MagnetoPlasmadynamic thruster for Lunar EXploration) wurde als Ingenieurmodell für wissenschaftliche Untersuchungen und die Qualifikation entwickelt. Dafür sind am IRS mehrere Versuchsstände im Einsatz, in denen das Triebwerk unter Hochvakuumbedingungen betrieben werden kann. Zur Charakterisierung der Leistungsfähigkeit werden veschiedene Messverfahren eingesetzt und optimiert. So ist neben der Messung der elektrischen Eigenschaften des Triebwerks, also Spannung, Strom, etc., auch die Bestimmung des pro Entladungspuls erzeugten Impulses mit Hilfe einer hochgenauen Schubmesswaage möglich. Durch den Einsatz von elektrostatischen Flugzeitsonden und Magnetfeldsonden, werden Eigenschaften des entstehenden Plasmas und die Bedingungen im Raum zwischen den Triebwerkselektroden gemessen. Parameterstudien mit dem Ziel der Leistungsoptimierung sowie erste Lebensdaueruntersuchungen führten zu einer Designänderung und damit zu einer neuen Triebwerksgeneration genannt ADD SIMP-LEX. An diesem werden aktuell weitere Untersuchungen durchgeführt und mit dem Übergang vom Ingenieurmodell zum Flugmodell wurde begonnen. ADD SIMP-LEX ist im untenstehenden Bild dargestellt.

Internationale Kooperation

Das IRS steht im engen Kontakt mit Forschungszentren weltweit (RIAME Moskau, University of Tokyo, University of Surrey, Austrian Research Centers u.a.) die ebenfalls gepulste instationäre MPD-Triebwerke entwickeln. Um diesen Kontakt zu intensivieren wurde 2007 auf Initiative des IRS und mit Unterstützung des DLR eine Arbeitsgruppe ins Leben gerufen, als Plattform für den gesunden Informationsaustausch, zur Förderung der Kooperation im Rahmen von gemeinsamen Projekten und dem Austauschs von Forschern und Ideen und zur Konsolidierung der Forschung. Die Webseite der Arbeitsgruppe enthält eine Übersicht der Mitglieder sowie aktuelle Ausschreibungen für Studien- und Diplomarbeiten.