Institutsleiter

Prof. Dr.-Ing.
Stefanos Fasoulas

Stellvertreter

Prof. Dr.-Ing. Sabine Klinkner

Prof. Dr. rer. nat. Alfred Krabbe

Sekretariat
Prof. Fasoulas

Larissa Schunter

Sekretariat
Prof. Klinkner

Annegret Möller

Sekretariat
Prof. Krabbe

Barbara Klett

Administration

Dr. Thomas Wegmann

 


Institut für Raumfahrtsysteme
Pfaffenwaldring 29
70569 Stuttgart

Tel. +49 711 685-69604
Fax +49 711 685-63596

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Thermische Lichtbogentriebwerke

Lichtbogentriebwerke der Leistungsklasse bis 0,7 kW

Projekt ATOS: Erster Einsatz eines Arcjet-Triebwerks zur Bahnregelung eines nicht-geostationären Satelliten.

Gefördert durch die Deutsche Agentur für Raumfahrtangelegenheiten DARA wurde im Jahr 1994 am Institut für Raumfahrtsysteme mit der Entwicklung eines 750 W Ammoniak-Arcjets zur Bahn-Feinregelung des Funkamateur-Satelliten AMSAT-P3D begonnen. Dieses "Projekt ATOS" (Arcjet Triebwerk auf OSCAR-Satelliten) ist die Weiterentwicklung der ARTUS-Arcjet-Reihe des Instituts für Raumfahrtsysteme, die 1990 begonnen wurde. Ä;nderungen am Triebwerk betrafen vor allem das niedrigere Leistungsniveau, ein anderer Treibstoff (Ammoniak gegenüber Hydrazin) und Maßnahmen zur Lebensdauererhöhung.

Geflogen wird das ATOS-Triebwerk auf dem Funkamateur-Satelliten externer LinkAMSAT-P3D (AMSAT-Oscar 40)der ein Gemeinschaftsprojekt der deutschen und US-amerikanischen externer LinkSatelliten-Funkamateure ist. Der Satellit wird eine Startmasse von ca. 400 kg haben, seine Struktur ist ein sechseckiger Zylinder mit 2.3 m Durchmesser und 80 cm Höhe, auf dem Satelliten sind Solarzellen für maximal 630 W Dauerleistung installiert. Hauptnutzlast des Satelliten werden acht Funkamateur-Transponder für weltweiten Funkbetrieb sein.

ATOS - im Betrieb während der Lebensdauerqualifikation

Der Satellit wird voraussichtlich 1998 mit einer ARIANE 5 Rakete in seine Erdumlaufbahn gestartet. Zunächst bringt dann ein chemisches Triebwerk mit 400 N Schubkraft den Satelliten auf eine Umlaufbahn mit 16 h Umlaufdauer. Diese Bahn wird eine hohe Exzentrizität und hohe Bahnneigung aufweisen (-> Molnya-Typ), damit der Satellit für die Hauptnutzer auf dernördlichen Erdhalbkugel möglichst lange über dem Horizont zu sehen sein wird. Die Fein-Regelung dieser Bahn wird anschließend von dem ATOS-Triebwerk übernommen. Insgesamt stehen dem Triebwerk 52 kg Ammoniak als Treibstoff zur Verfügung, ausreichend für 600 Betriebsstunden oder ca. 5 Jahre, wenn das Triebwerk wie geplant jeden dritten Tag für maximal eine Stunde in Betrieb genommen wird. Die Dauer der einzelnen Zündungen ist dabei durch die Kapazität der Satellitenakkus begrenzt. In einem dreimonatigen Dauertest im Herbst 1994 konnten bereits 1010 Stunden als Treibwerkslebensdauer nachgewiesen werden.

Leistungsdaten

ATOS - Prinzipdarstellung

nominelle elektrische Leistungsaufnahme 750 W
Lichtbogenstrom 7,7 A
Lichtbogenspannung 97 V
Massendurchsatz 24 mg/s
Schub 115 mN
massenspezifischen Impuls 480 s
nachgewiesene Lebensdauer 1010 h
mit 1010 Zündungen
Triebwerksgewicht 480 g

ATOS - Flugmodell

ATOS Antriebssystem

Zum Triebwerk gehört darüber hinaus das am Institut für Raumfahrtsysteme konzipierte Gesamtsystem, das neben dem Triebwerk noch aus der Treibstoffversorgungseinheit und der Stromregelelektronik für das Triebwerk besteht. Die Regelelektronik wird von den Funkamateuren unter Dr. K. Meinzer aus Marburg, dem Gesamtleiter des Satellitenprojekts, entwickelt. Diese Elektronik bereitet die 28 V= des Satelliten-Spannungsbuses auf, um das Triebwerk mit bis zu 800 W stromgeregelter Leistung bei einem Stromversorgungswirkungsgrad von 93% zu versorgen.

Layout des Antriebssystems

Die Treibstoffregeleinheit sorgt dafür, daß das Ammoniak aus den zwei Tanks an Bord des Satelliten in gasförmigem Zustand in geregelter Durchflußmenge in das Treibwerk gelangt. Die ammoniaktauglichen Ventile und Ammoniakverdampfer sind dabei Zukaufteile von einer russischen Weltraumfirma.

Projektstand Oktober 1997

  • Flugtriebwerk ist in die Satellitenstruktur integriert.
  • Treibstoffversorgungseinheit (Ventile, Leitungen, Regler) sind ausgeliefert und ebenfalls bereits integriert
  • Elektronik ist in der Endfertigung
  • Geplanter Starttermin: Frühjahr 1998 mit ARIANE 503

AMSAT P3-D Satellit bei der Integration, Blick auf die Treibstofftanks.

Kurz nach Projektbeginn wurde aufgrund der Förderrichtlinien der DARA eine Zusammenarbeit mit dem Institut für Thermodynamik und Technische Gebäudeausrüstung der TU Dresden initiert, seit Herbst 1994 war deshalb der frühere IRS-Mitarbeiter, Projektingenieur Dr.-Ing. Dieter M. Zube am ITT in Dresden tätig; ab diesem Zeitpunkt erfolgte eine zusätzliche Projektförderung durch das sächsische Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst.

Mittlerweile arbeitet Dr. Zube bei der US-Firma externer LinkPRIMEX Aerospace Company in Redmond, WA.