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Untersuchung eines thermischen Lichtbogentriebwerksystems für die Lunar Mission BW1
(2009) Bock, Dagmar; Röser, Hans-Peter (Prof. Dr. rer. nat. habil.)
Die Verwendung von thermischen Lichtbogentriebwerksystemen in der 1 bis 2 kW-Klasse mit Hydrazin als Treibstoff zur Lageregelung auf geostationären Satelliten ist heutzutage Stand der Technik. In der vorliegenden Dissertation wird ein thermisches Lichtbogentriebwerksystem mit Ammoniak als Treibstoff für die Anwendung als eines der Haupttriebwerke der universitären Kleinsatellitenmission Lunar Mission BW1 des Instituts für Raumfahrtsysteme der Universität Stuttgart untersucht und charakterisiert. Hierzu wird eine experimentelle Optimierung des Triebwerks hinsichtlich der Missionsanforderungen durchgeführt und die Erosion der Triebwerksdüse, die einen lebensdauerbegrenzenden Faktor darstellt, für unterschiedliche Düsenmaterialien ermittelt. Mit Hilfe einer Thermalanalyse des gesamten Triebwerks wird der Temperaturverlauf innerhalb der Düse bestimmt. Ergebnisse dieser Untersuchung zeigen, dass nur eines der Düsenmaterialien die thermischen Belastungen über eine Betriebsdauer größer als 30 Stunden aushält. Es konnte nachgewiesen werden, dass die durch Erosion bedingte geometrische Veränderung der Düse im Bereich des engsten Querschnitts sich für dieses Material nicht signifikant auf das Betriebsverhalten des Triebwerks auswirkt. Dabei steigt die Triebwerksleistung während der ersten Betriebsstunden um 14 % an und läuft nach 15 Stunden in eine Sättigung. Für die Treibstoffförderung an Bord des Satelliten wird ein neues Konzept entwickelt. Randbedingung hierfür ist insbesondere ein robustes System niedriger Komplexität, um die Ausfallwahrscheinlichkeit gering zu halten, da ein Versagen der Treibstoffförderung unweigerlich einen Komplettausfall des Triebwerksystems bewirkt. Die Treibstoffförderung wird mittels einer Druckförderung in einem Leitungssystem realisiert. Die Regelung des Massenstroms erfolgt dabei über den bleibenden Druckverlust, der durch das Durchströmen einer Blende entsteht. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Labormodell der Treibstoffförderung aufgebaut und funktionellen Experimenten unter Vakuumbedingungen unterzogen. Die Ergebnisse zeigen, dass der Massenstrom in dem für den Triebwerksbetrieb erforderlichen Bereich zuverlässig regelbar ist. Eines der wesentlichen Bauteile des Treibstofffördersystems, der Verdampfer, wird im Rahmen dieser Arbeit konzeptioniert. Es werden verschiedene Konzepte zur Realisierung des Phasenübergangs von flüssigem Ammoniak in den überhitzten Dampf untersucht und evaluiert. Ergebnis dieser Experimente ist, dass ein Mikrokanalverdampfer als am besten geeignet für die vorliegende Anwendung beurteilt wird. Als vorbereitende Maßnahme für die weitere Entwicklung des Triebwerks wird die Untersuchung des Ammoniakplasmas mittels Emissionsspektroskopie durchgeführt. Dadurch können Aussagen über die Zusammensetzung, die Elektronendichte und den Ionisationsgrad des Plasmas getroffen werden. Diese Methode der Plasmacharakterisierung hat sich als geeignet für das untersuchte Triebwerk erwiesen und erlaubt Aussagen über die spezifische Leitfähigkeit des Ammoniakplasmas. Abschließend wird in System- und Missionsbetrachtungen ein Vergleich zu anderen Triebwerksystemen durchgeführt und die Bedeutung der Verwendung für die Lunar Mission BW1 untersucht. Die Verwendung eines anderen elektrischen Triebwerksystems ist aus missionstechnischer Sicht möglich, bringt allerdings sowohl Nachteile bezüglich der Kosten, da in diesem Fall Xenon statt Ammoniak als Treibstoff verwendet wird, als auch der Missionsdauer, da das Vergleichstriebwerk ein deutlich niedrigeres Schubniveau besitzt. Die Weiterentwicklung des Triebwerksystems hin zu einem flugfähigen Modell erscheint als der nächste konsequente Schritt.