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.Thermische Lichtbogentriebwerke
Am Institut für Raumfahrtsysteme der Universität Stuttgart wird große Aufmerksamkeit auf die Entwicklung von Lichtbogentriebwerken gerichtet. Insbesondere Lichtbogentriebwerke hoher elektrischer Leistung wurden untersucht und sind bis heute einer der wichtigsten Forschungsschwerpunkte. Zwei Arten von Lichtbogentriebwerken werden untersucht, die sich in der Art des Kühlsystems unterscheiden: wassergekühlte und strahlungsgekühlte Triebwerke. Viele Tests haben gezeigt, daß ein hoher spezifischer Impuls mit beiden Arten erreicht werden kann, wenn auch bei den wassergekühlten Triebwerken eine höhere elektrische Eingangsleistung benötigt wird, um dasselbe Isp zu erreichen. Es war
beispielsweise möglich, einen maximalen spezifischen Impuls von 1500s bei einer spezifischen Strahlenthalpie von 500 MJ/kg zu erreichen, was einem Wirkungsgrad von 20 % entspricht. Um diesen Wert noch zu verbessern, wurde am IRS HIPARC-R, ein strahlungsgekühltes Triebwerk hoher elektrischer Leistung, entwickelt, gebaut und auch untersucht.
Im folgenden werden zunächst einige Grundlagen der Arbeitsweise von elektrischen Lichtbogentriebwerken beschrieben, anschließend folgt eine technische Beschreibung des HIPARC-R, dem Gegenstand dieser Diplomarbeit.
2.1. Arbeitsweise von elektrischen Triebwerken
Ein elektrisches Lichtbogentriebwerk ist ein Antrieb, der elektrische Energie als Energiequelle nutzt, wohingegen der Beschleunigungsprozess rein gasdynamisch abläuft. Das bedeutet, der Treibstoff wird durch einen Lichtbogen aufgeheizt und dann in einer Düse entspannt. Wie in Bild 2.1 zu sehen, besteht das Triebwerk aus zwei zylindrischen, koaxialen Elektroden, Anode und Kathode, zwischen denen ein Hochspannungsimpuls angelegt wird. Dieser Impuls führt zu einem Paschen-Durchbruch und zwischen den beiden Elektroden zündet ein Lichtbogen. Wenn nun das kalte Gas durch den Spalt zwischen den Elektroden strömt wird es beim Durchgang durch den Lichtbogen aufgeheizt. Außerdem wird der Treibstoff durch Wärmeübertragung von den heißen Wänden des Triebwerks und der glühenden Kathode aufgeheizt, was zur Folge hat, daß das Gas eine viel höhere Temperatur als das Triebwerk selbst erreicht. Anschließend wird es in einer Düse expandiert und erzeugt einen Schub.
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Das Leistungsvermögen solcher Triebwerke ist sehr verschieden und hängt von vielen Faktoren ab, wie z.B. dem Treibstoff und der zur Verfügung stehenden elektrischen Leistung. Mit Hydrazin oder Ammoniak zum Beispiel, läßt sich ein spezifischer Impuls von 500 bis 700s erreichen und ein Schub der zwischen 0.1 und 1N liegt. Mit Wasserstoff werden bei einer Leistung zwischen 5 und 100kW spezifische Impulse von 1200 bis 2000s erreicht. Experimentelle Untersuchungen haben ebenfalls den Einfluß der Massenstromkapazität des Treibstoffs gezeigt.
Lichtbogentriebwerke haben mittlerweile ihren festen Platz in der Lage- und Bahnregelung von Satelliten, aufgrund ihrer einfachen Abschalt- und Zündbarkeit, dem geringen Schubniveau und dem, verglichen mit anderen Triebwerken, geringen Treibstoffverbrauch.
2.2. Beschreibung des HIPARC-R
HIPARC-R ist ein strahlungsgekühltes thermisches Lichtbogentriebwerk hoher elektrischer Leistung und der Nachfolger des früheren HIPARC-Triebwerks. Es arbeitet in einem Leistungsbereich von bis zu 100kW und wurde ausschließlich für Wasserstoff als Treibstoff ausgelegt. Die konische Düse hat einen halben Öffnungswinkel von 20° und einen Düsenhalsdurchmesser von 4 mm, wobei das Verhältnis von Halsdurchmesser zu Konstriktorlänge 1 beträgt. Der Düsenenddurchmesser ist 60 mm.
Die Kathode, die einen Durchmesser von 10 mm hat und in einer Spitze mit einem Winkel von 60° endet, ist im Zentrum des Triebwerks auf dem Rohr für die Gaszuführung montiert, wie auf dem folgenden Bild zu sehen ist.
Bild 2.2. Schnitt durch das HIPARC-R
Der gasförmige Treibstoff strömt durch die Gaszuführung in der Triebwerksachse, die gleichzeitig als Stromzuführung dient. Anschließend strömt es durch einen Spalt zwischen dem Triebwerksgehäuse und dem Hauptisolator und wird durch vier, auf die Kathodenspitze gerichtete Bohrungen, in die Brennkammer geleitet. Hier wird es durch den Lichtbogen kontinuierlich aufgeheizt.
Wie in [1] beschrieben, wurden mittlerweile einige Modifikationen vorgenommen um die Gas- und Stromzuführung zu verbessern.
Die Anode und die Düse bestehen beide aus Wolfram, dem 2 % Thoriumoxid zugemischt wurde, um die Temperaturbeständigkeit zu verbessern und den Emissionsgrad, der normalerweise bei 0,4 liegt, zu vergrößern. Weiterhin sind Anode und Kathode durch Teile aus Bornitrid und Macor, einem glaskeramischen Material, elektrisch voneinander isoliert (s. Bild 2.3).
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HIPARC-R bietet außerdem die Möglichkeit, während des Betriebs den Brennkammerdruck zu messen. Viele weitere Details sind in [1] zu finden.
