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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




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

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