Institutsleiter

Prof. Dr.-Ing.
Stefanos Fasoulas

Stellvertreter

Prof. Dr.-Ing. Sabine Klinkner

Prof. Dr. rer. nat. Alfred Krabbe

Sekretariat
Prof. Fasoulas

Sheyla Fröhler-Valdez

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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Magnetoplasmadynamische Triebwerke

Übersicht

Am Institut für Raumfahrtsysteme wurden einige Jahre magneto-plasma-dynamische (MPD-) Triebwerke entwickelt und bei elektrischen Leistungen von bis zu 1 MW kontinuierlich betrieben. Neben den detailierten experimentellen Untersuchungen wurde parallel dazu auch die numerische Modellierung dieser Triebwerke verfolgt.

Bei den sogenannten MPD-Eigenfeldbeschleunigern erfolgt die Treibstoffbeschleunigung und somit die Schuberzeugung in komplexer Weise aufgrund unterschiedlicher Mechanismen, abhängig von der jeweiligen Triebwerksgeometrie. Der wesentliche Effekt, der beim Betrieb von MPD- Eigenfeldtriebwerken ausgenutzt werden soll, ist die Wechselwirkung des Lichtbogenstromes zwischen Kathode und Anode mit dem eigeninduzierten Magnetfeld zur weiteren Beschleunigung des Treibstoffes. Bei sogenannten Fremdfeldbeschleunigern wird die magnetische Beschleunigung durch ein starkes von außen angelegtes Magnetfeld erzeugt. Dieses Vorgehen ermöglicht vor allem den Bau von Triebwerken kleinerer Leistung. Triebwerke dieser Bauart wurden als strahlungsgekühlte Geräte in der Leistungsklasse von 10-30 kW in USA und in Deutschland sehr weit entwickelt.

Die MPD-Triebwerke mit lavaldüsenförmiger Geometrie sind eine Kombination aus thermischem Lichtbogentriebwerk und eigentlichem magnetoplasmadynamischen Beschleuniger. Ein wesentlicher, bei niedrigen Stromstärken sogar überwiegender Teil des Triebwerksschubes resultiert aus der ohmschen Aufheizung des Treibstoffes im Lichtbogen und der anschließenden nahezu adiabatischen Entspannung in der Lavaldüse.

Schematische Darstellung des magnetoplasmadynamischen Beschleunigungsmechanismus in einem düsenförmigen MPD-Eigenfeldtriebwerk

Im Rahmen der Grundlagenforschungen am IRS werden in der Regel wassergekühlte MPD-Triebwerke unterschiedlichster Geometrie untersucht. Dazu zählen einerseits Triebwerke mit düsenförmiger (DT) als auch zylindrischer (ZT) Geometrie, sowie ein Triebwerk, welches mit einer strahlungsgekühlten Anode ausgestattet ist und daher als heißes Anodentriebwerk (HAT) bezeichnet wird. Sämtliche Triebwerke werden auf Schubmeßwaagen betrieben, um den Schubwirkungsgrad und die Austrittsgeschwindigkeit zu ermitteln. Als Treibstoff wird Argon, Stickstoff und Wasserstoff eingesetzt.

Das Ziel der MPD-Triebwerksentwicklungen besteht darin, möglichst hohe effektive Austrittsgeschwindigkeiten bei gleichzeitig hohem Schubwirkungsgrad zu erzielen. Daher wird angestrebt, die MPD-Triebwerke bei hohen Stromstärken und niedrigen Treibstoffdurchsätzen zu betreiben. Der Betriebsbereich der MPD-Eigenfeldbeschleuniger zu hohen Stromstärken hin ist jedoch begrenzt durch das Einsetzen von Instabilitäten, wodurch auch eine Begrenzung der erzielbaren Austrittsgeschwindigkeit auftritt. Das Auftreten der Instabilitäten in MPD-Triebwerken ist Gegenstand umfangreicher experimenteller und theoretischer Untersuchungen am Institut für Raumfahrtsysteme gewesen.

Eigenfeldbeschleuniger lassen sich nicht in einen Leistungsbereich unter 100 kW betreiben und Energiequellen in der benötigten Leistungklasse stehen in der Raumfahrt nicht zur Verfügung. Im Gegensatz dazu weisen die im Aufbau ähnlichen Fremdfeldbeschleuniger eine gute Skalierbarkeit bei hohen Wirkungsgrad und verhältnismäßig niedriger Leistung auf und sind daher momentan Gegenstand der Forschung am IRS.