R1.3 Antriebe

Leitung

Dr. Harry Adirim
Leitung

TU Berlin
Aerospace Institute
Marchstr. 12
10587 Berlin

Tel.: 030 / 31017881
Fax: 030 / 31017880
E-Mail: harry.adirim(at)aerospace-institute.com

Dr.-Ing. Gerald Hagemann
Stellvertr. Leitung

Airbus Defence&Space SPACE Transportation
TP 23
81663 München

Tel.: 089 / 60723382
Fax: 089 / 60720885
E-Mail: gerald.hagemann(at)airbus.com

Definition, Abgrenzung, Ziele

Der Fachausschuss befasst sich mit Raketen- und elektrischen Antrieben für die Raumfahrt. Das sind Rückstoßantriebe für Trägerraketen und Raumfahrzeuge, bei denen ein mitgeführtes Stützmedium (Treibstoff) hochbeschleunigt wird und nach dem Prinzip actio = reactio in eine Vorwärtskraft, den Schub, resultiert. Die Beschleunigung geschieht

  • bei chemischen Raketenantrieben durch Reaktion von Treibstoffpartnern (Brennstoff und Oxidator) in der Raketenbrennkammer unter hohem Druck und durch nachfolgende Expansion der hocherhitzten Reaktionsprodukte,
  • bei elektrischen Antrieben durch thermische, elektrische oder elektro-magnetische Einwirkung auf ein (theoretisch beliebiges) Stützmedium unter Anwendung elektrischer Energie. Die erzielbaren Geschwindigkeiten sind wesentlich höher als bei chemischen Antrieben, der Schub wegen der im Raum nur begrenzt verfügbaren elektrischen Energie aber sehr gering.

Technische Unterteilung

Chemische Raketenantriebe

Ein Raketentriebwerk besteht im Prinzip (Bild 1) aus einem Brennraum, in dem unter hohem und höchstem Druck (typischerweise 100 bar) Brennstoff und Oxydator zur Reaktion gebracht werden. Dabei entstehen Temperaturen von 3000 bis nahe 4000 Kelvin. Die Treibstoffe werden durch ein Fördersystem und entsprechende Injektoren in den Brennraum eingebracht. Der Brennraum öffnet sich einseitig in eine Düse mit konvergentem und divergentem Teil, durch die die Brenngase entspannt und beschleunigt werden. Im engsten Querschnitt der Düse herrscht Schallgeschwindigkeit (Ma = 1), im Düsenaustritt etwa Ma drei bis fünf entsprechend Gasgeschwindigkeiten von 2800 bis 4800 Metern pro Sekunde je nach Treibstoffpaarung. Das Antriebssystem benötigt zahlreiche periphere Komponenten und Hilfsaggregate (Beispiel Bild 2).

Bild 1    Bild 2

Technische Unterteilung und typische Beispiele

Eine Unterteilung erfolgt in:

  • Schubklassen
  • Art der Treibstoffe (flüssig [kryogen, lagerfähig, hypergol], fest, hybrid)
  • Triebwerkszyklen (nur bei Flüssigantrieben - vgl. Bild 2): Hauptstrom bzw. Nebenstrom
    (d.h. Turbopumpentreibgas wird der Hauptbrennkammer nach Verlassen der Turbine wieder zugeführt bzw. parallel an der Hauptbrennkammer vorbeigeleitet)
  • Pumpenförderung bzw. Druckgasförderung nur bei Flüssigantrieben
  • Vorverbrennung oder nicht
    (Der Brennstoff oder ein Teil davon wird zum Antrieb der Turbopumpen mit Oxidatorunterschuß vorverbrannt bzw. nicht vorverbrannt, nur aufgeheizt.)
  • Kühlmethoden etc. und die zugehörigen Komponenten
  • entsprechende Bauweisen unter Berücksichtigung des Brennkammerdrucks
  • Höhenanpassungsmethoden (Düsenkonzepte)

Von besonderem Interesse sind:

  • Erst- und Zweitstufentriebwerke (Großtriebwerke) der 70- bis 700-Tonnen- Klasse mit den Treibstoffkombinationen
    H2/O2: J-2 der Saturn, Vulkan (Schub 100 Tonnen) der ARIANE 5 mit leistungsverstärkter Version Vulkan II, SSME (200 Tonnen), LE-7 der H2-Rakete (Japan), RD 0120 der Energija
    Kerosin/O2: F-1 der Saturn (700 Tonnen), RD 0170 der Energija
    UDMH/N2O4: Viking (70 Tonnen) der ARIANE 4
    u.a.
  • Oberstufentriebwerke der 2- bis 20-Tonnen-Klasse mit den Treibstoffkombinationen
    MMH/N2O4: AESTUS (drei Tonnen) der ARIANE 5, RS72 (fünf Tonnen)
    H2/O2: HM7 (sieben Tonnen) der ARIANE 4, VINCI für leistungsverstärkte ARIANE 5
  • Feststoffboosterantriebe (500 bis 1000 Tonnen): ARIANE-Booster, Shuttle Booster; Treibstoffe Poly-Kohlenwasserstoffe (insbes. -butadien)/ Metall (Al)/ AP (Ammoniumperchlorat) oder ähnliche
  • Satelliten-Apogäumsantriebe sowie Bahn- und Lageregelungstriebwerke: 400 Newton, zehn Newton mit der Treibstoffkombination MMH/N2O4; auch Einstofftriebwerke mit N2H4 (Hydrazin)

Aktivitäten, Stand der Technik und Problemfelder unter Berücksichtigung der deutschen und europäischen Situation

Das wesentliche Interesse Europas, und insbesondere Frankreichs und Deutschlands, gilt heute dem ARIANE 5 Träger mit dem kryogenen Zentralstufentriebwerk Vulkan I und dem hypergolen Oberstufentriebwerk AESTUS, an deren beider Entwicklung die Fa. Astrium (Bremen, Ottobrunn, Lampoldshausen) maßgeblich beteiligt ist (Bild 3).

Um dem heute primären Anwendungszweck der ARIANE 5, nämlich Satelliten in GEO zu befördern, besser gerecht zu werden und Doppelstarts mit Großsatelliten bis zu zwei mal 3.5 Tonnen zu ermöglichen, steht die Weiterentwicklung des Zentralstufentriebwerkes zu einer leistungsverstärkten Version Vulkan II an, die folgende Charakteristika aufweist: Schub 140 t, Erhöhung des brennkammerinternen Mischungsverhältnisses auf ca. 7.0, Verbesserung der Oxydator-Turbine sowie Einleitung der Turbinenabgase in die Expansionsdüse.

Die Fa. Astrium ist wie bisher für die Entwicklung der Schubkammer verantwortlich, wobei die Düse im Unterauftrag an die schwedische VOLVO Aerospace Corporation (VAC) vergeben ist. Ebenso wird derzeit ein leistungsverstärktes Oberstufentriebwerk (VINCI) mit dem primären Ziel entwickelt, die Nutzlastkapazität der ARIANE 5 auf maximal 12 Tonnen zu erhöhen. Bei diesem sogenannten Expandertriebwerk wird die Energie zum Betrieb der Turbopumpen ausschließlich aus der Aufheizung des kryogenen Wasserstoffs im regenerativen Kühlkreislauf der Schubkammer bezogen. Auch hier ist Astrium mit den Kernkomponenten beteiligt. Ein weiteres wichtiges Geschäftsfeld Fa. Astrium sind Apogäumsmotoren und Kleinantriebe für Satelliten zur Bahn- und Lageregelung (UPS - Unified Propulsion System bzw. neue Systeme für erdnahe kleine Kommunikationssatelliten).

An Feststoffantrieben ist die Bundesrepublik derzeit kaum beteiligt (Verbund F-I: Europropulsion).

Während Astrium unter anderem in der Triebwerkentwicklung und -fertigung tätig ist, führt das DLR (Lampoldshausen) im Auftrag von ESA und Fa. SEP (F) Qualifikations- und Abnahmetest an Großtriebwerken und -systemen durch (Viking, Vulkan, AESTUS Höhentest). Hierfür stehen Großprüfstände zur Verfügung (Bild 4), die ständig weiterentwickelt werden (Verbesserung der Höhensimulation).

Bild 3 Bild 4

Der Kenntnis- und Entwicklungsstand von Raketenantrieben in Europa hat durch die Triebwerkssentwicklungen für die ARIANE-Trägerfamilie ein international hohes Niveau erreicht. Diese Position gilt es heute zu sichern sowie weiter auszubauen. Grundlagenforschung und neue Technologien spielen hierbei eine zentrale Rolle. Typische Forschungsthemen sind u. a.:

  • Hochdrucktechnologie für kryogene Triebwerke (Verbrennung, Stabilität, Wärmeübergang, Lebensdauer, Wiederverwendbarkeit)
  • Optimierung des Expanderzyklus
  • Alternative Treibstoffkombinationen
  • Düsentechnologie (Seitenlasten, Höhenanpassung)
  • Systemanalysen zur Triebwerksauslegung
  • Modellierung und Simulation (CFD)

Auf diesen Gebieten ist das DLR (Lampoldshausen) in Zusammenarbeit mit Astrium (z.B. nationales Technologieprogramm TEKAN) und den französischen Partnern CNES und SEP tätig.

Lehrbetrieb, Literaturhinweise

Lehraktivitäten:

An mehreren Universitäten finden explizite Lehrveranstaltungen statt:

Elektrische Antriebe

Unter elektrischen Antrieben versteht man im Zusammenhang mit der Raumfahrt Triebwerke, die ein Stützmedium durch den Einsatz elektrischer Energie mit hoher Geschwindigkeit gerichtet ausstoßen und damit Schub erzeugen. Diese Triebwerke unterscheiden sich damit grundlegend von den chemischen Triebwerken, die die Energie in sich tragen, sie durch Verbrennung freisetzen und dadurch den Treibstoff beschleunigen. Mit elektrischen Triebwerken sind je nach Triebwerksprinzip bis zu mehr als zehnmal höhere Ausströmgeschwindigkeiten zu erzielen, wodurch der Treibstoffbedarf für eine bestimmte Mission um den gleichen Faktor verringert werden kann. Allerdings können diese Triebwerke nur im Vakuum betrieben werden und die Schübe sind, verglichen mit chemischen Triebwerken, gering, sodaß ihre Anwendung auf den Weltraum beschränkt bleibt. Nach mehr als 20 Jahren Entwicklung bei Instituten und in der Industrie haben in der Zwischenzeit einige Triebwerke nun konkrete Anwendungen in der Raumfahrt gefunden, darunter folgende deutsche Entwicklungen:

  • HF-Ionentriebwerk RITA, 15 mN Schub (Astrium-Ottobrunn/Universität Gießen) für die N/S-Kontrolle des geostationären Nachrichtensatelliten Artemis , Start >2001 mit guten Aussichten auf weiteren Verkauf für kommerzielle Satelliten.
  • HF-Ionentriebwerk RITA, 50 mN Schub (Astrium-Ottobrunn/Universität Gießen) für Bahnkontrolle von geostationären Satelliten über 3000 kg Masse in Orbit.
  • Arcjet Triebwerk mit Hydrazin als Treibstoff, 1,0 kW (Astrium-Bremen/Universität Stuttgart), in Entwicklung für kommerzielle Anwendung auf Kommunikationssatelliten in LEO und MEO.
  • Arcjet Triebwerk mit Ammoniak als Treibstoff, 700 W (Universität Stuttgart & TU Dresden), erster Einsatz auf Amateurfunksatellit P3-D, November 2000.

Weiter wird an folgenden Triebwerken entwickelt:

  • HF-Ionentriebwerk ESA-XX, 200 mN Schub (Astrium-Ottobrunn/Universität Gießen/AEA Technology Culham) als Hauptantrieb für interplanetare Missionen.
  • Arcjet Triebwerke im Leistungsbereich von 5 bis 100 kW als Primärantriebe für große Raumfahrtstrukturen (Universität Stuttgart)

Die für die Raumfahrt entwickelte Triebwerkstechnologie wird auch am Boden eingesetzt:

  • RIM/PRIS-Ionenquellen (Universität Gießen) benutzen das HF-Ionisationsprinzip und erzeugen einen Ionenstahl aus verschiedensten Gasen bei unterschiedlichen Ausströmgeschwindigkeiten zur Bearbeitung von Oberflächen.
  • Modifizierte MPD Triebwerke (Universität Stuttgart) mit Strahlleistungen bis zu 600 kW werden benutzt, um thermische Isolationen (Material für Schutzschilde) unter Wiedereintrittsbedingungen zu testen (z.B. für das Wiedereintrittsfahrzeug X-38, dem Prototyp des zukünftigen Rettungsfahrzeugs für die Internationale Raumstation ISS).

Technische Unterteilung

Bild 5 gibt einen Überblick über die Arten der elektrischen Antriebe.

Bild 5: Schematische Unterteilung der Elektrischen Antriebe

Nach der Art der Beschleunigung werden die elektrischen Antriebe in drei Hauptgruppen eingeteilt:

Elektrothermische Antriebe

  • Resistojets
    Die Stützmasse wird durch elektrische Widerstandsheizer aufgeheizt. Diese Art der Antriebe bringt nur wenig Vorteile gegenüber den chemischen Antrieben. Eine Anwendung finden diese Art von Triebwerken z.B. auf dem Mobilfunk-Satellitensystem Iridium.
  • Thermische Lichtbogentriebwerke - Arcjets
    Die Stützmasse wird in einem Lichtbogen zwischen einer Elektrode und dem Düsenhals erhitzt. Das Gas expandiert anschließend auf konventionellem Wege in einer Düse. Der Schubbereich liegt zwischen 0,1 und 1 N bei einem spezifischen Impuls von 500 bis 700 s für Ammoniak oder Hydrazin als Treibstoff. Bei Verwendung von Wasserstoff konnten mit regenerativ gekühlten 5 bis 10 kW Geräten bereits Werte bis 1200 s bzw. bis 2000 s bei 100 kW Triebwerken erreicht werden. Angewendet werden diese Triebwerke für Orbitkontrolle von geostationären Satelliten und andere Aufgaben im erdnahen Orbit. In Deutschland wird an der Universität Stuttgart und bei Astrium in Bremen an dieser Entwicklung gearbeitet.
  • Elektromagnetische Antriebe - MPD Antriebe
    Die Stützmasse wird durch Bogenentladung ionisiert und mittels magnetischer Kräfte beschleunigt. Das Prinzip eignet sich besonders für Triebwerke mit hohen Leistungen (>20 kW). Man unterscheidet MPD-Triebwerke mit eigenmagnetischer Beschleunigung, d.h. die beschleunigenden Lorentzkräfte entstehen durch die Wechselwirkung des Entladungsstroms mit dem von ihm selbst induzierten Magnetfeld und MPD-Triebwerke mit angelegtem Magnetfeld, sogenannte Fremdfeld-MPD-Triebwerke. Eine Anwendung in der Raumfahrt wird derzeit für größere Strukturen ins Auge gefaßt. Derartige Triebwerke werden unter anderem bei der Universität Stuttgart entwickelt und derzeit am Boden als Plasmaquellen für die Simulation von Wiedereintrittsbedingungen benutzt. 
  • Elektrostatische Antriebe
    Das Stützmedium wird mittels verschiedener Methoden ionisiert. Die Ionen werden in einem elektrostatischen Feld beschleunigt. Zur Neutralisation werden nach der Beschleunigung dem lonenstrahl wieder Elektronen zugeführt. Nach der Art der Ionisierung unterscheidet man folgende Systeme:
    • Elektron Bombardement Triebwerke
      Die meisten der elektrostatischen Antriebe benutzen zur Ionisierung des Stützmediums dieses Prinzip, das in USA von H. Kaufman entwickelt wurde. Das Plasma wird durch eine Gleichstromentladung erzeugt. Die Triebwerke liefern Schübe von 5 bis 200 mN bei einem spezifischen Impuls von 2000 bis 3000 s. In Deutschland wird derzeit nicht auf diesem Gebiet gearbeitet.
    • Hochfrequenz Ionentriebwerke
      Das Plasma (ursprünglich Hg, heute Xenon) in einem Entladungsgefäß wird durch ein Hochfrequenzfeld erzeugt. Das Triebwerksprinzip wurde von Prof. Loeb an der Universität Gießen entwickelt und von Astrium in Ottobrunn industriell weiterentwickelt. Die Triebwerke liefern Schübe von 5 bis 200 mN bei einem spezifischen Impuls von 3000 bis 4000 s.
    • Feldemissionstriebwerk (FEEP)
      Ionen werden durch ein hohes elektrostatisches Feld erzeugt, das an extrem scharfen Kanten angelegt wird, die mit einem flüssigen Stützmedium (vorzugsweise Cäsium, auch Indium) benetzt wird. Dieser Triebwerkstyp wurde hauptsächlich bei ESTEC entwickelt. Die Schübe bewegen sich zwischen 0,001 und 0,05 mN bei einem spezifischen Impuls von 6000 s. In Deutschland gibt es auf diesem Gebiet keine Aktivitäten mehr.
    • Kontaktionentriebwerke
      Ionen können auf geheizten Oberflächen erzeugt werden, die mit einem flüssigen Stützmedium, vorzugsweise flüssiges Metall (z.B. Cs), benetzt sind. Dieses Prinzip findet derzeit keine Anwendung.
    • Hall Ionen Triebwerk
      In Rußland werden seit langer Zeit Triebwerke entwickelt, die eine Mischung aus Ionen- und Elektromagnetischen Triebwerken darstellen. Die Triebwerke laufen unter der Bezeichnung SPT (Stationary Plasma Thrusters) und sind bereits bei vielen Missionen im erdnahen Orbit seit etwa 20 Jahren eingesetzt worden. Ein ringförmiger Kanal mit quer angelegtem Magnetfeld dient gleichzeitig als Plasmaerzeugungs- und Beschleunigungsstrecke. Die Schübe liegen zwischen 40 und 200 mN, bei einem spezifischen lmpuls von ca. 1500 s. In Deutschland gibt es auf diesem Gebiet keine Aktivitäten.


Stand der Technik

In Deutschland wird seit über 30 Jahren an der Entwicklung von elektrischen Antrieben erfolgreich gearbeitet.

Bei der Universität Gießen werden Triebwerke und Ionenquellen entwickelt, die auf dem Prinzip der Hochfrequenz-Ionisation aufbauen. Von der Raumfahrtindustrie hat die Fa. Astrium in Ottobrunn die Idee des HF-Ionenantriebes aufgenommen und entwickelt Triebwerke in Zusammenarbeit mit der Universität Gießen für die Lageregelung von geostationären Satelliten und für interplanetare Missionen. Das am weitesten entwickelte Triebwerk, das RIT 10, wurde bereits 1980 für den Einsatz auf dem Satelliten TV-Sat vorbereitet (Lebensdauertests und Vakuum-Qualifikation durch DLR Stuttgart). Es wurde 1992 auf dem rückführbaren Satelliten EURECA erstmals im Raum erprobt und wird derzeit für den Einsatz auf dem ESA-Nachrichtensatelliten Artemis vorbereitet. Es bestehen gute Hoffnungen auf eine erfolgreiche Vermarktung dieses Triebwerkskonzeptes. Die größeren Triebwerke RIT 15 und ESA-XX befinden sich in Entwicklung und sind noch etwas weiter von der kommerziellen Anwendung entfernt. Die lonenquellen aus Gießen für die Oberflächenbearbeitung und als Neutralteilchen-Injektoren haben ihren Markt gefunden und werden kontinuierlich weiterentwickelt.

An der Universität Stuttgart wird auf der Basis von früheren Arbeiten des DLR Stuttgart (1960-75) an elektrothermischen und an elektromagnetischen Antrieben gearbeitet. Arcjets von 0,7kW bis 100 kW werden untersucht. Die besten Aussichten für eine Anwendung haben derzeit die Arcjets im unteren Leistungsbereich, die für verschiedenen Antriebsaufgaben an kleinen und mittleren Satelliten herangezogen werden können. Für den Amateurfunksatelliten AMSAT P3D wurden Triebwerke bereits ausgeliefert. Industriemäßig wird der Arcjet von der Fa. Astrium in Bremen in Zusammenarbeit mit der Universität Stuttgart entwickelt mit dem Ziel, eine konkurrenzfähige Antriebskomponente auf dem Markt zu bringen. Magnetoplasmadynamische Triebwerke werden ebenfalls in Stuttgart entwickelt und gebaut. Damit werden Plasmawindkanäle ausgerüstet, die zur Simulation von Wiedereintrittsbedingungen von Raumflugkörpern Verwendung finden. Diese Palette an erfolgreichen Entwicklungen auf dem Gebiet der elektrischen Antriebe in Deutschland wäre nicht möglich gewesen ohne die Finanzierung der öffentlichen Auftraggeber wie DLR (ehem. DARA), ESA, DFG und ohne hohe Eigenmittel der an der Entwicklung beteiligten Firmen. Es bleibt zu hoffen, daß auch weiterhin Mittel zur Verfügung stehen werden, um auf diesem innovativen und zukunftsträchtigen Gebiet die Entwicklung vorantreiben zu können.

Workshops / Symposien zu diesen Themen sind in letzter Zeit veranstaltet worden oder sind in naher Zukunft geplant.

Literaturempfehlungen, weiterführende Internetadressen

Chemische Raketenantriebe

  • Vorlesungsmanuskripte
  • Konferenz-Proceedings (DGLR-Jahrestagung, AIAA Joint Propulsion Conference et al., IAF, AAAF)
  • Beiträge in "Luft- und Raumfahrt" (DGLR), "Aerospace Science and Technology" (D-F), AIAA-Journal, J. Propulsion and Power
  • DLR Berichte (Lampoldshausen: Systemanalyse, Treibstoffaufbereitung, Brennkammer- und Düsenströmungen, Brennkammertechnologie, Versuchsbetrieb; Stauantriebe)
  • Sutton, G.P.: "Rocket Propulsion Elements, An Introduction to the Engineering of Rockets", J. Wiley & Sons, New York ..., 6. Auflage, 1992
  • Huzel, D.K., Huang, D.H. (Rocketdyne): Modern Engineering for Design of Liquid Propellant Rocket Engines, AIAA Progress in Astronautics and Aeronautics, Vol. 147, 1992
  • Dadieu, A., Damm., R., Schmidt., E.: "Raketentreibstoffe", Springer, Wien ..., 1968
  • Lo, R.: "Trägersysteme", in Hallmann, W., Ley, W. (Hrsg.): "Handbuch der Raumfahrttechnik", Hanser, München, 1988

Elektrische Antriebe

  • Löb, Freisinger : " Ionenraketen", Friedrich Vieweg u. Sohn, Braunschweig, 1967
  • Auweter-Kurtz : "Lichtbogenantriebe für Weltraumaufgaben" B.G. Teubner, Stuttgart, 1992, ISBN 3-519-06139-2
  • Proceedings of the 23rd International Electric Propulsion Conference, Electric Propulsion Society, Columbus, OH, 1993, 3 Bände
  • Proceedings of the 24th International Electric Propulsion Conference, Moskau, Russland, 1995, 2 Bände
  • Proceedings of the 25th International Electric Propulsion Conference, Electric Propulsion Society, Cleveland, OH, 1997, 2 Bände
  • Proceedings of the 26th International Electric Propulsion Conference, Kitakyushu, Japan, 1999, 2 Bände