Hochleistungstriebwerke bringen zukünftige Raumfahrt voran
Herkömmliche chemische Antriebsmethoden – die auf der Verbrennung von Treibstoff zur Schuberzeugung beruhen – werden allmählich von elektrischen Antriebssystemen verdrängt, insbesondere von solchen, die auf Halleffekt-Antrieben basieren. Durch die Nutzung eines elektromagnetischen Feldes zur Ionisierung und Beschleunigung eines Gases bieten Elektroantriebssysteme einen wesentlich besseren spezifischen Impuls als ihre chemischen Gegenstücke, was Raumfahrzeugen einen erheblichen Massenvorteil verschafft.
Der Weg zu elektrischen Hochleistungsantrieben
Nach umfangreicher Forschung und Entwicklung ist der Elektroantrieb Realität geworden, und Systeme mit geringem Stromverbrauch werden bereits bei Weltraummissionen eingesetzt. Die Nachfrage nach leistungsstarken Triebwerken steigt jedoch aufgrund der Erfordernisse künftiger Weltraumerkundungs- und Transportmissionen und des Einsatzes vielseitiger Serviceplattformen wie Raumschleppern für die Wartung in der Umlaufbahn und die Beseitigung von Weltraumschrott. Elektrische Hochleistungsantriebssysteme, insbesondere in der 20-kW-Klasse, sind für diese Plattformen von zentraler Bedeutung, da sie ein ideales Gleichgewicht zwischen operativer Flexibilität und Schub-zu-Leistung-Verhältnis bieten. Der Weg zur Qualifizierung solcher fortgeschrittener Systeme für den Einsatz im Weltraum wurde jedoch durch untragbare Kosten und lange Testzeiten behindert. Ein bedeutender Fortschritt im Technologie-Reifegrad und eine alternative Qualifizierungsstrategie, die im Rahmen des EU-finanzierten Projekts ASPIRE vorgeschlagen wurden, sollten diese Herausforderungen überwinden. Durch die Durchführung eines Kopplungstests auf Systemebene und die anschließende Integration fortgeschrittener numerischer Modellierung mit gezielten Testkampagnen sollte die ASPIRE-Strategie einen kosteneffizienten und methodischen Weg zur Entwicklung und Qualifizierung von leistungsstarken Halleffekt-Antriebssystemen ebnen.
Beispiellose Erfolge bei der Erprobung von Triebwerken
Das Team begann mit verschiedenen Anwendungsszenarien, die von solchen leistungsstarken elektrischen Antriebssystemen profitieren könnten, und ermittelte die Anforderungen auf hoher Ebene. Die Forschenden nutzten die Erfahrungen, die sie bei der Arbeit an elektrischen Antriebssystemen mit geringerer Leistung gesammelt hatten, und entwickelten verschiedene Teilsysteme und Komponenten weiter, darunter die Schubeinheit, das Fluidmanagementsystem und die Energiearchitektur. Jedes dieser Teilsysteme durchlief separate Erprobungsphasen, bevor die anspruchsvollste Aufgabe der Integration und Prüfung des gesamten elektrischen Antriebssystems auf Systemebene in Angriff genommen wurde. Der abschließende Test des integrierten elektrischen Antriebssystems wurde in der IV10-Anlage von SITAEL durchgeführt, einer der größten Vakuumkammern für Elektroantriebstests weltweit. „Während unserer bahnbrechenden Tests wurde das Triebwerk mehrfach gezündet und arbeitete erfolgreich im gewünschten Leistungsbereich von 12,5-25 kW, wobei sowohl Xenon als auch Krypton als Treibstoff verwendet wurden“, betont Angarano. In dieser Phase konnten wir verschiedene Aspekte des Betriebs des elektrischen Antriebssystems im Direktantriebsmodus und unter Hochspannungsbedingungen untersuchen. Durch die Direktantriebsarchitektur können wir die Masse deutlich reduzieren und die Effizienz der Leistungselektronik erhöhen. „Ein bahnbrechender Aspekt von ASPIRE ist die Berücksichtigung von Krypton als Treibstoff. Traditionell wurde Xenon verwendet, aber Krypton bietet eine kostengünstige Alternative, die die Qualifizierungskosten um mindestens eine Größenordnung verringert“, fügt Angarano hinzu. „Außerdem haben wir beschlossen, das Triebwerk mit Argon zu testen, auch wenn dies ursprünglich nicht vorgesehen war. Argon wird neuerdings als noch wirtschaftlichere Alternative zu Krypton für den Elektroantrieb angesehen. Dies war der weltweit erste erfolgreiche Test für den Betrieb eines 20-kW-Triebwerks mit Argon.“ Die Forschenden analysierten einschlägige Plasmaphänomene und entwickelten Simulationsprogramme, um die Leistung des Triebwerks im Laufe der Zeit und unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu bewerten.
Bahnbrechende Forschung im Sinne der Zukunft der Weltraumforschung
Kein anderes Elektroantriebssystem mit einer Leistung von mehr als 12,5 kW hat bisher das Qualifikationsstadium erreicht, womit das System von ASPIRE zu den wichtigsten Fortschritten gehört, die kurz vor der Qualifizierung und einer Demonstration in der Erdumlaufbahn stehen. Dieser Sprung ist zum Teil auf die innovative Strategie von ASPIRE zurückzuführen, die – weltweit erstmalig – prädiktive numerische Instrumente einsetzt, um den Qualifizierungsprozess zu rationalisieren. „Es war ein anspruchsvolles Projekt, aber das Ergebnis hat unsere Bemühungen belohnt. Ich freue mich darauf, bald ein elektrisches Triebwerk zu sehen, das ein Raumschiff zum Mars und zu anderen Planeten bringt“, schließt Angarano.
Schlüsselbegriffe
ASPIRE, Qualifizierung, Krypton, Argon, Halleffekt-Antrieb, Treibstoff, Hochleistungstriebwerk, leistungsstarker Elektroantrieb