Institut für Raumfahrtsysteme

Plasmawindkanäle und elektrische Raumfahrtantriebe

Hier finden Sie Informationen zum Bereich Plasmawindkanäle und elektrische Raumfahrtantriebe der Abteilung Raumtransporttechnologie

Elektrische Raumfahrtantriebe gewinnen heutzutage immer mehr an Bedeutung. Der Energiegehalt des Treibstoffes stellt in der Raumfahrt oft eine Begrenzung der maximalen Austrittsgeschwindigkeit dar. Bei elektrischen Raumfahrtantrieben wird von außen zusätzliche elektrische Energie dem Treibstoff zugeführt. Um hohe Treibstoffaustrittsgeschwindigkeiten zu erreichen, kommen verschiedene Beschleunigungsmechanismen zum Einsatz. Die Beschleunigung kann dabei elektrothermisch, elektromagnetisch, elektrostatisch oder hybridisiert  erfolgen. Die dadurch erreichten höheren Austrittsgeschwindigkeiten führen zu einer signifikanten Treibstoffeinsparung.

Die Forschungsgruppe elektrische und fortgeschrittene Raumfahrtantriebe am Institut für Raumfahrtsysteme befasst sich mit unterschiedlichsten elektrischen und fortschrittlichen Raumantrieben und dies sowohl numerisch, theoretisch als auch experimentell.

Überblick

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 Ankopplung 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.

 

Um Weiterentwicklungen zu Realbedingungen testen zu können, wird eine große Anzahl an Gerätschaften und Materialien benötigt. Im Bereich Testeinrichtungen wird genauer auf Einzelheiten eingegangen.

Wird beispielsweise eine Konstruktion für eine Wiedereintrittsmission getestet, wird dafür zusätzlich Plasma benötigt, das mit einem Plasmagenerator hergestellt wird.

Allgemein versteht man unter Plasma ein ionisiertes Gas, das sich aus einem Gemisch aus freien Elektronen, positiven Ionen und neutralen Teilchen zusammensetzt. Diese befinden sich durch ständige Wechselwirkung untereinander und mit Photonen in unterschiedlichen Energie- bzw. Anregungszuständen. Daher wird es auch oft als den vierten Aggregatszustand bezeichnet.

Der Plasmazustand kann je nach Gas bei unterschiedlicher Temperatur oder unterschiedlichem Druck entstehen. Als Beispiel können Polarlichter oder eine Leuchtstoffröhre genannt werden.

Bei Plasmatriebwerken können die Plasmen entweder mit Hilfe von Elektroden (TLT, MPD) und/oder von elektromagnetischen Feldern (TIHTUS) generiert werden.

Plasmen hoher Energiedichte, wie sie bei der Simulation atmosphärischer Eintrittsmanöver erforderlich sind, werden am IRS vorwiegend mit Antrieben im hohen Leistungsbereich erzeugt.

Arbeitsgruppe

 

Antriebe
Adam Boxberger Fremdfeldbeschleunigte MPD-Triebwerke (AF-MPD)
Yung-An Chan Elektrostatischer Trägheitsschluss (IEC), Plasmadiagnostik
Manfred Ehresmann System Analysen
Nicholas Harmansa Wasserelektrolysetriebwerke
Jonathan Skalden Thermische Lichtbogentriebwerke (TLT)
Christoph Montag Gepulste Plasmatriebwerke (PPT)
Francesco Romano Atmosphärenatmendes elektrisches Antriebsystem (ABEP), Induktive beheizte Plasma Triebwerk (IPT)
Modellierung  
Partho Pratim Upadhyay Numerische Entwicklung von MPD Triebwerks
   

Kontakt

Dieses Bild zeigt Herdrich
Priv.-Doz. Dr.-Ing.

Georg Herdrich

Leiter des Bereichs elektrische Antriebe und Plasmawindkanäle

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