Elektrische Triebwerke mit mittlerer Leistung erreichen neue Höhepunkte
Um mit den sich ergebenden Anforderungen der nächsten Generation von Großsatelliten Schritt zu halten, hat sich Europa verpflichtet, seiner Raumfahrtindustrie eine äußerst wettbewerbsfähige und zuverlässige Antriebslösung zu bieten. Ziel des EU-finanzierten Projekts CHEOPS MEDIUM POWER ist die Entwicklung eines Elektroantriebssystems mit mittlerer Leistung, das auf der Halleffekt-Antriebstechnologie basiert und die Art und Weise, wie Raumfahrzeuge angetrieben werden, revolutionieren soll.
Die Leistungsstandards anheben
Unter der Leitung von Safran Spacecraft Propulsion strebt das Konsortium einen Technologie-Reifegrad von 6/7 für ein Elektroantriebssystem mit mittlerer Leistung und zwei Betriebsarten an. „Bei unseren Aktivitäten geht es darum, das System so zu perfektionieren, dass es sowohl bei hoher Schubkraft für die Anhebung der Erdumlaufbahn als auch im hohen Impulsbetrieb für die Positionshaltung effizient arbeitet und gleichzeitig einen niedrigen Treibstoffverbrauch und die Kompatibilität mit Xenon- und Krypton-Treibstoffen gewährleistet“, kommentiert Projektkoordinatorin Vanessa Vial. Die Projektpartner streben außerdem eine Senkung der Gesamtkosten des Elektroantriebssystems um 30 % für Satelliten in geostationären Erdumlaufbahnen und Navigationskonfigurationen an. Auf der Grundlage umfassender Erfahrungen konzentrieren sie sich auf Optimierungsansätze im Bereich der Kosteneffizienz im Design, auf die Rationalisierung von Produktionsprozessen und auf die Verbesserung der Funktionen von Systemen und Teilsystemen. Schließlich sollen projektintern die Diagnoseverfahren für Bodentests und potenzielle Anwendungen im Weltraum verbessert werden, um die Auswirkungen der terrestrischen Bedingungen auf die Systemleistung besser nachzuvollziehen.
Systemverbesserungen
Für seine Ziele konzentrieren sich die Projektpartner auf schrittweise Entwicklungen auf System- und Teilsystemebene. „Dies dürfte den Reifegrad bestimmter Schlüsselkomponenten, nämlich der Triebwerkseinheit, der Energieverarbeitungseinheit und des Fluidmanagementsystems, erhöhen und sie bis 2024 auf Technologie-Reifegrad 6/7 bringen“, so Vial. Zu den Bemühungen um eine Optimierung der Stromverarbeitungseinheit gehören die Verschlankung ihrer Funktionen und die Auswahl günstigerer, aber ebenso zuverlässiger Komponenten. Das Fluidmanagementsystem wird aus handelsüblichen Produkten bestehen, die für den Weltraum geeignet sind und eine variable Anzahl von Triebwerken pro Satellit unterstützen können. Zudem deckt das Triebwerk verschiedene Missionen im Zielmarktsegment ab, wodurch sich die Notwendigkeit der Entwicklung neuer Produkte bei jeder Mission erheblich verringert.
Projektaktivitäten
Das Projektteam begann mit der Entwicklung flexibler Geräte, die sich nicht nur an die Referenzarchitektur, sondern auch an verschiedene Missionen anpassen lassen. Dazu gehörte eine detaillierte Zuverlässigkeitsanalyse sowie die Berechnung des Gleichgewichts zwischen Leistungsbedarf, Schub-zu-Leistung-Verhältnis und den Leistungsabwägungen, die für die Optimierung der Anhebung der Erdumlaufbahn und die Positionshaltung erforderlich sind. In der zweiten Phase wurde der Schwerpunkt auf die Verfeinerung der technischen Spezifikationen des Elektroantriebssystems mit mittlerer Leistung verlagert, wobei die Rückmeldungen der großen Systemintegratoren berücksichtigt wurden, um sowohl die Fähigkeiten zur Anhebung der Erdumlaufbahn als auch zur Positionshaltung zu verbessern. Parallele Entwicklungen im Bereich der nicht-invasiven Diagnostik erlaubten Einblicke in die Leistung und die interne Dynamik der Triebwerke, wobei komplexe Schwingungen und rotierende Speichen unter bestimmten Bedingungen sichtbar wurden. Die Entwicklung der Software Club Design und des EP2PLUS-2-Codes erleichterte die Wertkostenanalyse bzw. die genaue Simulation der Plasmasäule.
Neue Meilensteine bei Elektroantrieben mit mittlerer Leistung
Aufbauend auf den Erfolgen seiner Anfangsphase soll CHEOPS MEDIUM POWER die Wettbewerbsfähigkeit der europäischen Raumfahrtindustrie stärken. „Unser Ziel ist es, weltweit ein Elektroantriebssystem einzuführen, das einen hohen Schub und einen hohen spezifischen Impuls bietet und gleichzeitig eine verlängerte Lebensdauer aufweist. Dieses innovative Elektroantriebssystems soll sowohl die traditionellen Märkte – Telekommunikation und Navigation – als auch aufstrebende Sektoren bedienen“, bemerkt Vial. CHEOPS MEDIUM POWER befasst sich auch mit zukünftigen Marktanforderungen und versucht, sowohl einmalige als auch wiederkehrende Kosten in den Bereichen Design, Herstellung, Tests, Qualifizierung und Lieferzeiten zu senken. „Wir streben eine Rationalisierung der Produktionsprozesse an, um kürzere Fertigungszyklen, bessere Qualität, eine schlankere Fertigung, kürzere Montagezeiten und ein verbessertes Toleranzmanagement zu erreichen. Letztendlich streben wir danach, die Konstruktions- und Herstellungspraktiken langfristig grundlegend zu verändern und dadurch die wertvolle Nutzlast und die erzielten Einnahmen zu erhöhen“, so Vial abschließend.
Schlüsselbegriffe
CHEOPS MEDIUM POWER, Anhebung der Erdumlaufbahn, Positionshaltung, Elektroantrieb mit mittlerer Leistung, Elektroantriebssystem, Halleffekt-Antrieb, Safran Spacecraft Propulsion