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Open Access
Die Entwicklung thermischer Lichtbogentriebwerkssysteme
(2018) Wollenhaupt, Birk Lennart; Herdrich, Georg (Priv.-Doz. Dr.-Ing.)
Für einen treibstoffsparenden Transfer von Raumflugkörpern sind hohe Treibstoffaustrittsgeschwindigkeiten nötig. Bei chemischen Triebwerken ist die nötige Energie zum Erreichen der Austrittsgeschwindigkeiten im Treibstoff gespeichert. Damit ist die maximale spezifische Energie durch die Treibstoffkombination festgelegt und kann nicht darüber hinaus gesteigert werden. Im Fall von elektrischen Triebwerken kann die spezifische Energie im Rahmen der verfügbaren elektrischen Leistung, die von außen in den Treibstoff eingekoppelt wird, und der möglichen stabilen Betriebspunkte des Triebwerks frei gewählt werden. Ein Typ von elektrischen Triebwerken ist das Lichtbogentriebwerk. Dieses heizt den Treibstoff mit der elektrischen Leistung eines Lichtbogens und entspannt den Treibstoff zur Schuberzeugung in einer Düse. Lichtbogentriebwerke sind seit 1993 erfolgreich im Orbit im Einsatz und sind die leistungsstärksten, elektrischen Triebwerke, die bisher im Orbit getestet wurden. In der vorliegenden Arbeit werden die Parameter zur Entwicklung eines thermischen Lichtbogentriebwerksystems vom Labormodell zum flugtauglichen Triebwerkssystem dargelegt. Dabei werden viele Designentscheidungen objektiv bewertet und darüber hinaus anhand von experimentellen Daten, sofern möglich, begründet. Im Zuge dessen werden sowohl im Rahmen dieser Arbeit erzielte experimentelle Resultate als auch Ergebnisse der letzten Jahrzehnte einbezogen. Diese umfassende, detaillierte Darstellung ist weltweit einmalig und die gewonnenen Erkenntnisse können als Basis für den Entwurf von Lichtbogentriebwerken herangezogen werden und Designentscheidungen erleichtern. Zunächst werden in Kapitel 2 die weltweiten Entwicklungen auf dem Gebiet der thermischen Lichtbogentriebwerke beleuchtet. Ausgewählte Verbesserungspotentiale werden im Anschluss in Kapitel 3 näher betrachtet und die Theorie mit den erzielten Ergebnissen aus der Praxis verglichen. Dazu gehören der Einfluss der Strom-Spannungs-Charakteristik des Lichtbogens, die regenerative Kühlung der Düse, die Optimierung der Düsenhalsgeometrie und des Öffnungswinkels, die Implementation von Rekombinationskammern oder Doppelkonusdüsen sowie die Untersuchung alternativer Treibstoffe. Anhand einer umfassenden Triebwerks-datenbank interner und internationaler Triebwerke wird die erreichte Leistungsfähigkeit mit dem theoretischen Maximum verglichen. Zudem wurde erstmalig Europa mit dem neuen IRS-Velarc Triebwerk der für Kleinsatelliten wichtige Bereich kleiner Leistungen bis unter 300 W charakterisiert und erste Schritte zur Optimierung durchgeführt. Welche Hürden für die Entwicklung eines einfachen Labormodells zum zuverlässigen Flugsystem zu nehmen sind, wird in Kapitel 4 dargelegt. Zuverlässigkeit der Zündung, Stabilität im Betrieb und hohe Lebensdauer durch minimierte Erosion der Elektroden sind die Anforderungen, die erfüllt werden müssen. Insbesondere in diesem Bereich konnten für das IRS-TALOS Triebwerk durch die Wahl des geeigneten Injektors und durch eine neue, beschleunigte Transitionsprozedur deutliche Verbesserungen erreicht werden. Im weiteren Verlauf der Kapitel 5 und 6 werden Systemaspekte dargestellt und erörtert. Dabei werden sowohl das Treibstofffördersystem, die Lagermöglichkeiten des Treibstoffs als auch die Elektronik zum Betrieb des Triebwerks diskutiert. Weitere Untersuchungen konzentrierten sich auf die Verbesserung der Zündung sowie auf ein Konzept zur weiteren Reduktion der Verdampfungsverluste durch die erstmalige, regenerative Wärmeeinkopplung in den flüssigen Treibstoff. Im Kapitel 7 erfolgt ein Exkurs in die Plasmadiagnostik. Die Herangehensweise sowie die Ergebnisse einer Fabry-Perot-Interferometrie-Messung (FPI) am Lichtbogentriebwerksplasma werden dargestellt und erneut in den Zusammenhang mit bereits bekannten Erkenntnissen gebracht. Die sehr genaue Methode erweitert die bisherigen Messergebnisse gröberer Emissionsspektroskopie und mit Hilfe der Radial- und Axialprofile konnten bisher nicht messbare Details herausgearbeitet werden. Die gewonnenen Daten können als Basis für eine vertiefte Analyse mit numerischen Mitteln dienen.
Open Access
Innenbeschichtungsverfahren für feine Sacklochgeometrien mit Hilfe des Hohlkathodeneffekts
(2016) Hoffmann, Daniela; Herdrich, Georg (Priv.-Doz. Dr.-Ing.)
Die Abscheidung von diamantartigen Kohlenstoffschichten in schmalen Sacklöchern mit einem Aspektverhältnis > 1 wird untersucht. Dabei dient das zu beschichtende Sackloch als Hohlkathode. Das Bauteil, welches das Sackloch enthält, wird an eine gepulste Gleichspannung angeschlossen. Das zur Plasmaerzeugung gewählte Gas ist Argon und wird dem Loch zentrisch zugeführt. Die Parameter werden so gewählt, dass ein Hohlkathodenplasma im gewünschten Modus entsteht. Tetramethylsilan und Acetylen werden dem Argonplasma in geringen Mengen zugeführt. Auf diese Weise kann das Bauteil von innen beschichtet werden. Das Plasma wird charakterisiert und sowohl plasmaphysikalisch als auch gasdynamisch eingeordnet. Die Eigenschaften der erzeugten Funktionsschichten werden zu charakteristischen Parametern in Bezug gesetzt und ein Skalierungs-gesetz der Sackloch-Hohlkathode wird mit Hilfe jener charakteristischen Parameter, die Ähnlichkeitseigenschaften bilden, definiert. Zur experimentellen Untersuchung des reinen Argonplasmas werden Strom-Spannungs-Charakteristiken und Zündspannungen aufgezeichnet sowie Hoch-geschwindigkeits-Aufnahmen des Plasmas im Sackloch und axiale Ablationsprofile angefertigt Die Entladungsmodi Glimmen und Hohlkathodenentladung werden mittels optischer Emissionsspektroskopie untersucht. Partikelsimulationen werden mit einem DSMC (Direct Simulation Monte Carlo) Verfahren durchgeführt. Zur Bestimmung sämtlicher Einlassparameter werden fehlende Daten durch experimentelle Untersuchungen ermittelt. Bei den Daten handelt es sich um die Gastemperatur des austretenden Plasmas, den Staudruck am Sackloch-Ende und der Verlustleistung durch Erwärmung der Hohlkathoden-Halterung. Des Weiteren werden die Simulationen verifiziert. Zum einen werden getroffene Annahmen mit den Ergebnissen abgeglichen (Strömungszustand, Schalldurchgänge und Druck) zum anderen wird eine Leistungsbilanz aufgestellt, an deren Ende die Elektronentemperatur abgeschätzt werden kann, welche zur Plausibilitätsprüfung herangezogen wird. Die Simulationen geben Aufschluss über Druck- und Teilchenverteilung in der Sackloch-Hohlkathode. Diese Daten finden Verwendung im Skalierungsgesetz und dienen vor allem dazu, zusammen mit den Daten aus den experimentellen Untersuchungen, einen Bezug zum Paschengesetz zu erarbeiten. Die erhaltenen Paschenbeziehungen liefern eine wertvolle Datenbasis für das Gesamtverständnis der beobachteten Plasmavorgänge in der Sackloch-Hohlkathode. Der Prozessschritt Ätzen zum Vorbereiten der Substratoberfläche wird mittels axialer Ablationsprofile optimiert. Die reaktiven Schritte Haftung und Funktion zum Auftragen der Schicht werden ebenfalls experimentell optimiert. Dazu werden die Schichtprüf-verfahren Haftungseindruck, Kalottenschliff, Mikrohärtetest und Schwingverschleiß-test eingesetzt. Ein weitreichendes Verständnis der Schichtbildung innerhalb solch einer Sackloch-Geometrie wird mit Hilfe der charakteristischen Größen erarbeitet. Zuletzt wird ein grobes Konzept für ein serientaugliches Verfahren erarbeitet. Hauptaugenmerk wird hierbei auf die Möglichkeit der optischen Prozessüberwachung gelegt, da diese aufgrund der geometrischen Unzugänglichkeit zum Plasma eine besondere Herausforderung darstellt. Dazu werden die emissionsspektroskopischen Untersuchungen verwendet und zusätzlich einfache Farbsensoren untersucht.