Simulation eines instationären, gepulsten MPD-Triebwerks für die IRS-Mondmission BW1

Zielsetzung

Seit einiger Zeit wird am IRS an der Entwicklung eines instationär gepulsten magnetoplasmadynamischen (MPD) Triebwerks geforscht. Ziel ist die Auslegung eines flugfähigen Triebwerkes für den geplanten Mondsatelliten BW1. Damit ist das IRS das derzeit einzige Forschungsinstitut in Westeuropa, das sich systematisch in Konkurrenz zu den USA, Russland und Japan mit der Entwicklung dieser Triebwerke befasst ... mehr zum IMPD-Triebwerk

Um verdünnte Plasmen unter Bedingungen simulieren zu können, unter denen kein Kontinuum mehr angenomen werden kann, wurde eine Kooperation zwischen dem IRS, dem Institut für Aero- und Gasdynamik der Universität Stuttgart (IAG), dem Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart (HLRS) und dem Institut für Hochleistungsimpuls- und Mikrowellentechnik des Forschungszentrums Karlsruhe (IHM) vereinbart. Innerhalb des von der Landesstiftung Baden-Württemberg finanzierten Projekts "Modellierung und Simulation auf Hochleistungscomputern" wird im Rahmen dieser Kooperation ein Verfahren zur numerischen Lösung der Boltzmanngleichung für verdünnte Plasmen entwickelt. Die Hauptanwendung für dieses Verfahren ist die Simulation des oben erwähnten Triebwerks. Unter anderem sollen die Verlustmechanismen durch Neutralteilchen innerhalb des Triebwerks untersucht werden sowie Parameterstudien zur optimalen Auslegung durchgeführt werden.

 

Anforderungen an das Simulationsverfahren

• Ionen und Neutralteilchen verschiedener Spezies sowie Elektronen müssen berücksichtigt werden.
• Kurze Entladungszeit -> kein thermo-chemisches Gleichgewicht
• Berücksichtigung von
  • Wechselwirkungen der geladenen Teilchen aufgrund der Eigenfelder sowie externer elektrischer und magnetischer Felder
  • elastischen und inelastischen Stößen sowie chemischen Reaktionen zwischen allen Teilchen
  • → Lösung der gesamten Boltzmanngleichung erforderlich
• Geringer Druck und Dichte -> kein Kontinuum (Kn > 0,1)
  • Navier-Stokes Näherung nicht anwendbar
  • → Partikelverfahren
• Hohe Teilchenzahl -> Hoher Speicher- und Rechenzeitbedarf
  • → Höchstleistungsrechner

 

Beschreibung des Simulationsverfahrens

Das folgende Schaubild erläutert die generelle Funktionsweise des verwendeten Particel-In-Cell Verfahrens.

 

Maxwell-Löser

Berechnung der elektrischen und magnetischen Felder auf einem Gitter unter Verwendung der Maxwell-Gleichungen.

Hauptverantwortung:	Institut für Aero- und Gasdynamik der Universität Stuttgart ( IAG )
	Institut für Raumfahrtsysteme der Universität Stuttgart (IRS)

Fokker-Planck

Berechnung der elastischen Coulomb-Kollisionen der geladenen Teilchen.
Hauptverantwortung: Institut für Hochleistungsimpuls- und Mikrowellentechnik des Forschungszentrums Karlsruhe (IHM)

DSMC - Modellierung der Teilchenkollisionen

Die Modellierung der Teilchenkollisionen wird größtenteils am IRS durchgeführt. Dafür wird ein auf Bird basierendes DSMC-Verfahren verwendet, welches gemäß dem dargestellten PIC-Zyklus einen durch die Kollisionen resultierenden Geschwindigkeitsbeitrag für jedes simulierte Teilchen liefert.

Das DSMC-Verfahren ist ein stochastisches Verfahren, welches aufgrund statistischer Annahmen den Rechenaufwand für die Kollisionsberechnungen auf einen linearen Zusammenhang zur Teilchenzahl reduziert.

Es werden nicht nur elastische Kollisionen simuliert, sondern auch inelastische, d.h. chemischen Reaktion bei atomaren Spezies und Reaktion+Relaxation bei molekularen Spezies. Lediglich die (elastischen) Coulomb-Stöße, welche auf große Reichweiten der Teilchenwechselwirkungen beruhen, werden nicht im DSMC-Modul behandelt, sondern im Fokker-Planck-Modul.

Zur Überprüfung der chemischen Modelle werden sogenannte Reservoirsimulationen durchgeführt. Das Reservoir besteht aus einer einzigen Zelle mit mind. 50.000 Teilchen, die sich im thermischen und chemischen Nichtgleichgewicht befinden. Sind die implementierten Modelle korrekt, entwickelt sich das Gas in ein thermochemisches Gleichgewicht. Die dargestellten Abbildungen zeigen die Ergebnisse einer Reservoirsimulation eines neutralen O-O2-Gemisches. Es ist deutlich zu erkennen, wie das Gemisch nach etwa 50.000 Iterationsschritten ins thermische und nach etwa 300.000 ins chemische Gleichgewicht kommt.

 

Weitere Anwendungen

Instationär gepulste MPD-Quelle für industrielle Anwendungen

Anwendungen:

• Thermisches Härten und Schockhärten
• Ätzverfahren und Dekontamination
• Dünnschicht- und Filmerzeugung
• Nichtgleichgewichts-Legieren

 

Gekoppelter Seil-/Ionenantrieb

• Gekoppeltes Antriebskonzept eines Ionenantriebs mit einem „Seilantrieb“ (ESA-Konzept).
• Ionenantrieb und Elektronenquelle sind durch ein mehrere Kilometer langes, stromführendes Kabel verbunden, wobei der Stromkreis außerhalb des Seilantriebs über die Restatmosphäre geschlossen wird.
• Durch Bewegung des Raumfahrzeugs auf Umlaufbahn schneidet das stromführende Kabel die magnetischen Feldlinien der Erde.
• Erfolgende Lorentzkraft, kann als Antrieb genutzt werden.
• Extreme räumliche Trennung von Ionentriebwerk und Neutralisator.
• → Auftretende Wechselwirkungen zwischen den Teilchen und dem Seilantrieb sowie der Restatmosphäre sind ungeklärt und werden mittels dieses Verfahrens untersucht.
  

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Ansprechpartner:

Dipl.-Ing. Dejan Petkow
Institut für Raumfahrtsysteme
Universität Stuttgart
Pfaffenwaldring 31
D-70569 Stuttgart
Tel.: (+49) 711 685-62377
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