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Atomstoß & Plasmaphysik
XVI. Erfahrungsaustausch "Oberflächentechnologie mit Plasma‐ und Ionenstrahlprozessen“
in Mühlleithen, 10.‐12.März 2009
DESIGN, KONSTRUKTION UND TEST EINES 2,5cm MIKROTRIEBWERKS µNRIT-2,5
B.Lotz, D.Feili und H.W.LöbDLR Vorhaben FKZ 50 JR 0541
Inhalt:
− Bedarfslage und Anwendungsfälle
− Aufgaben und Konkurrenzsituation
− Funktionsweise von HF‐Ionentriebwerken (RIT‐Typ)
− Design des µNRIT‐2,5
− Teststand und Testergebnisse1
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BEDARFSLAGE UND ANWENDUNGSFÄLLE
• künftiger Bedarf an Mikrotriebwerken (wissenschaftliche ESA Projekte):– Microscope (Raumtest des Äquivalenzprinzips)– Symbol-X, Max, Aspics (X- und ɣ-Teleskope, Coronograph)– Pegasus, Darwin, Gaia, IRSI (Interferometer)– Smart-2, Smart-3, Lisa, Post-GOCE, Post-Grace– Proba-3 (Demonstrator)
• Aufgaben der Mikrotriebwerke:– Transport in den Einsatzort (z.B. Librationspunkt)– Ausrichtung auf verschiedene Targets– Lage- und Positionskontrolle (Tandemflugkörper, Flugkörperflotten)– Kompensation von Störkräften (Luftreibung u.a.)
• 3 Schubklassen:– Grobsteuerung 500µN…5mN– Feinsteuerung 50µN…500µN– Ultrafeinsteuerung 5µN…50µN
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BEISPIEL: LISA (Laser Interferometer Space Antenna)
• Formationsflug von 3 Flugkörpern :Abstand ca. 6 Mio. km, Genauigkeit < 1mm,durch Laser verbunden
•Aufgabe :Detektion von Gravitationswellen
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BEISPIEL : DARWIN
• Flotte von mehreren Teleskopsatelliten,elektronisch verkoppelt,spannen virtuelles Großteleskop auf
• Aufgabe :Suche nach extraterrestrischen erdartigen Planeten,Bestimmung von Molekülen (CO2 , O2 , …)in Atmosphäre durch Interferenz
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BEISPIEL : PROBA-3
• Formationsflug von zwei Flugkörpern mit Dreiachsenstabilisierung,Satellientracking
• Aufgabe :Demonstration der Möglichkeit,Abstand und Lage exakt zu kontrollierenund einzuhalten; danach auch Variationvon Abstand und Höhe
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• Pro Flugkörper benötigt man 16 Mikrotriebwerke;Möglichkeit, je 4 Triebwerke zu einem Blockzusammenzufassen (multivektorales Array)
• Forderungen an die Triebwerke :− präziser Schub− geringes Schubrauschen− geringe Systemmasse− geringe Leistungsaufnahme− geringer Treibstoffbedarf
• prinzipiell geeignete Triebwerkstypen :− Kaltgas oder Heißgas− Ablationstriebwerke PPT− FEEP mit Cs oder In− RIT mit Xe
AUFGABEN UND KONKURRENZSITUATION
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• Ionisierung des Treibstoffs in einer Hochfrequenz-Gasentladung; Induktionsspule eines Hf-Generatorserzeugt elektrisches Wirbelfeld, das die Entladungselektronen beschleunigt
• Die durch Stoß erzeugten Ionen werden durch einGittersystem aus dem Plasma extrahiert, beschleunigt und fokussiert
• Elektronen aus einer Hohlkathode neutralisierenden Ionenstrahl
• Skalierungsgesetze bestimmen optimaleGefäßlänge, Entladungsfrequenz, Gasdichte usw.
FUNKTIONSWEISE VON HF-IONENTRIEBWERKEN (RIT-TYP)
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Zwei Verbesserungen des Standarddesigns:
• Neue Geometrie des Entladungsgefäßes; dadurch Reduktion der Wandfläche, wo die Plasmaverluste stattfinden; Einsparungen an HF-Leistung ca. 25%
• Neues Gasinjektionssystem von unten; Einsparung an Gasverbrauch ca. 30%
DESIGN DES µNRIT-2,5
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µNRIT-2,5
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TESTSTAND „BIGMAC“
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TESTERGEBNISSE
Hf-LeistungMassenfluss
8,7…22W0,15…0,25sccm
StrahlspannungStrahlstrom
0,5…2,1kV1,6…9mA
spez. ImpulsSchub
400…3800s50…600µN
MasseMesszeit
210g> 1000h
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TESTERGEBNISSE