Bitte benutzen Sie diese Kennung, um auf die Ressource zu verweisen: http://dx.doi.org/10.18419/opus-10059
Autor(en): Wollenhaupt, Birk Lennart
Titel: Die Entwicklung thermischer Lichtbogentriebwerkssysteme
Erscheinungsdatum: 2018
Dokumentart: Dissertation
Seiten: 210
URI: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-ds-100760
http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/10076
http://dx.doi.org/10.18419/opus-10059
Zusammenfassung: 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.
Enthalten in den Sammlungen:06 Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie

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