Tajmar


J. X.
Diese Lernkarten decken fortgeschrittene Konzepte im Bereich elektrischer Antriebe und zukunftsweisender Technologien auf Universitätsniveau ab. Sie konzentrieren sich auf Mikroantriebssysteme wie Ionentriebwerke, Hall-Thruster und Plasmaemission, sowie auf Technologien zur Vakuumtechnik und Elektronenemission. Besonders behandelt werden auch die Anwendungen in der Raumfahrt, wie Neutralisatoren und Mikropropulsion für Kleinstsatelliten. Diese Karteikarten sind ideal für Studierende und Forscher, die sich mit moderner Antriebstechnik und deren praktischen Anwendungen auseinandersetzen möchten.
Karten
68
Lernende
4
Sprache
Deutsch
Kategorie
Technik
Stufe
Universität
Erstellt / Aktualisiert
13.08.2020 / 16.07.2023

Lernkarten

Übersicht Antriebe (10)

Arten von Elektrischen Antrieben

  1. Elektrothermisch
    • Resistojet
    • Arcjet
  2. Elektrostatisch
    • Ion
    • Hall
    • FEEP
    • Colloid
    • Laser Accelerated
  3. Elektromagnetisch
    • PPT
    • MPD
    • VASIMIR

Resistojet

Funktion:

  • flüssiger TS eingeleitet
  • Aufheizung elektrisch
  • T steigt -> p steigt -> Beschleunigung

Anwendung

  • Abwasser nutzbar
  • AOCS 

Probleme:

  • T limitiert durch Heat Exchanger -> 3000K tungsten
  • Frozen Flow Effiency

Was ist Frozen Flow Effiency

 

 

 

 

 

  • Bei Hohen T -> H2 dissoziation und Ionisation
    • kinetische Energie sinkt aufgrund T-Verlust
  • Gas bewegt sich zu schnell durch Düse um zu rekombinieren und Energie zurückzugewinnen
  • Beeinflusst durch I_sp und p (hoher Druck besser)

Arcjet

 

 

 

 

Funktion:

  • TS wirbelt in Kammer -> mehr Zeit zur Aufheizung
  • Zwischen Kathode und  Anode entsteht  Lichtbogen
  • Dazwischen fließt der  TS
    • Starke aufheizung durch Lichtbogen  (5000K)
  • Schub wird also nur durch den thermischen Effekt der Expansion erzeugt (nicht elektr od magn)
  • Entweder ger. U und hohe I-discharge oder Hohe frequ. und hohe U-Discharge

Anwendung

  • Lageregelung von Sats

Probleme

  • Cathoden Erosion -> geringe Lebenszeit 1500h

Arcjet Strom-Spannungs Diagramm

  • A-B: e- ionisieren andere Atome durch Kollision
  • B-C: pos. Ionen haben genug Energie um e- zu emittieren (Kathoden Bombardement)
  • C: Durchschlagsspannung
  • D-F: Licht entladung (T<100°C)
  • F: kathode so heiß durch Bombardement, dass Thermoionische e- Emission ( Arc Discharge)  anfängt
    • gut für Propulsion

 

 

Was ist der Pinch Effekt

  • Hoher Strom erzeugt hohes Magnetfeld rot(B)=myh_0*j
  • Lorentz Kraft mit "Self-field" schrumpft Strom in Radialrichtung
  • Druck steigt -> mehr Aufheizung
  • --> Hohe Ströme sind gut!

Solar/Laser/Microwave Thermal Propulsion

Funktion:

  • Externe Energiequelle
  • Infrastruktur auf Erde notw.
  • Nur effektiv im LEO
  • Gut für LEO->GEO (20Tage)
  • niedr. Masse Refelctoren noch in Entwicklung

MPD Thruster

"magnetoplasmadynamic Thruster"

Funktion

  • trichterförmigen Anode,

  • in deren Mitte eine stabförmige Kathode angebracht ist.

  • elektrische Spannung zwischen den beiden Elektroden angelegt,

  • wird die sich im Trichter befindende Stützmasse ionisiert

  • erlaubt so einen Stromfluss radial durch das Gas zur Kathode.

  • Stromfluss erzeugt starkes Magnetfeld (Self-Field zusätzlich möglich: Coils, Permanentmagneten)

    • zusätliches Magnetfeld (Applied Field) erhöht Isp und F und Effizienz

  • WW zwischen dem elektrisch erzeugten Magnetfeld um die BK und der ionisierten Stützmasse beschleunigt diese in axialer Richtung

  • lässt sie mit sehr hoher Geschwindigkeit entweichen.

  • Durch Impuls entsteht die Schubkraft.

  • Plasmagrundlage: Argon, Lithium und Wasserstoff. 

  • Effekte

  1. Blowing
    • Im Konzentrischen Teil der Elektroden
  2. Pumping
    • Nach tip der Kathode

Effiizienz

  • Thermale (kW-MW Bereich) und Viskositätsverluste hoch
  • Akali Metalle sind Gut
  • Lith. hat hohes Ionisationspotential -> Frozen flow loss klein

PPT

"Pulsed Plasma Thruster"

 

Komponenten

  1. Kondensator zur Energiespeicherung
  2. Metallischen Elektroden zu physischen Etablierung des Kondensatorpotentials
  3. Treibstoff zB Teflon
  4. Zündvorrichtung, z. B. eine handelsübliche Zündkerze

Funktion

  • Kondensator mit Betriebsspannung (bis zu mehreren kV) aufgeladen
  • Zündung
  • -> Schwingkreis bestehend aus Kondensator, Elektroden und Treibstoff geschlossen
  • Ausbildung Lichtbogenentladung entlang der OF des TS
  • hohen Entladungsstrom von mehreren kA wird ein Teil des Treibstoffs ablatiert, dissoziiert und ionisiert.
  • Dabei entstehen Ladungsträger zwischen den Elektroden.
  • zeitlich verändernde Entladungsstrom erzeugt ein starkes Magnetfeld.
  • Interaktion Ladungsträger <->Feldes ->Beschleunigung Lorentzkraft. -> Schub
  • Energie des Kondensators begrenzt ist, klingt die Schwingung im Stromkreis schnell ab, so dass nach etwa 10–20 μs der Lichtbogen zusammenbricht und der Schubpuls beendet ist. Typische erreichte Impulse liegen bei einigen 100 μNs.

Vorteile

  • Keine Aufwärmzeit
  • Keine Standby Leistung
  • Keine Tanks und Leitungen
  • Billig + Einfach
  • Kein Neutralisator notw.

Nachteile

  • Effizienz klein 5-15%
  • Externe Zündung
  • Lebensdauer
  • Kondensator schwierig

VASIMR

VAriable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket

Funktion

  • 3 Bereiche
    1. die Erzeugung des Plasma,
    2. dessen weitere Erhitzung und
    3. Beschleunigung in der Düse
  • Variation des Verhältnisses zwischen Isp und F möglich
  • Magnetfeld um Plasma und EM Energie zu beeinflussen (Aufheizen) 

Elektrostatische Antriebe und  Effizienz Berechnung

 

 

  1. Gridded Ion 
  2. Ion/Microwave
  3. Hall
  4. FEEP

 

 

Gridded Ion Thruster / Elektronen Bombardement Thruster

  • TS Atome eingespritzt in Entladungskammer
  • Ionisation durch Elektronen Bombardement -> Plasma
  • positive Ionen diffusion aus Kammer raus
  • Grid-> Pot Diff. beschleunigt 
  • Guided durch Löcher mit starken E-Feld
  • Extractor Current limitiert durch Space Charge
  • neg. Ladung Accelgrid verhindert rückschlag der Ionen

Bauteile:

  • Anode (Außen) 1100V
  • Propellant Feed (Mitte) 1070V
  • Magnet Ring
  • Extractor Grid (+1070V) und Accel Grid (-200V) und Deaccelaration Grid (-50V)
  • Neutralisator

Probleme

  • Grid Erosion
  • Lebenszeit
  • Sputtering

Arten der Ionisation:

  1. Elektronen Bombardement
    • Hohlkathode
    • Beschl. durch Potentialdifferenz der Elektroden
  2. RadioFrequenz Ionisation (RF)
    • Oszillierendes E-Feld durch alternierenden Elektromagn.
    • Selbsterhaltende Entlandung und Wegleiten von Kathode
  3. Mikrowellen
    • Aufheizung

Neutralisator Arten

  1. Thermoionisch -> Angrenzend an Beam
  2. Thermoionisch -> Im Beam
  3. Elctron Gun
  4. Plasma Bridge

Radiofrequency Ion Thruster

 

 

 

 

  • 1MHz
  • p_min 10^-2 bar
  • Nach Zündung DC-Elektronen erhöhen  Kollisionswahrsch. -> p_min reduziert

Probleme:

  • Sputtering an Quartz-Kammer 
  • RF Energie absorbiert davon

Microwave Ion Thruster

Funktion

  • Aufheizung durch Electron Cyclotrone Resonance (ECR)
  • f= 2.45GHz
  • Starkes magnetfeld (Applied)

Vorteil:

  • keine Kathoden Erosion
  • Kein Sputtering-> Microwave source ist weit weg

Hall Thruster

 

 

 

 

 

Funktion

  • Innen: Quasineutrales Plasma
  • Ionisations Länge ist viel größer als Grid-Gap
  • -> keine Space Charge Limitation für I und Effi
  • Elektronen Magnetisiert -> lange Zeit drin und effective Ionisation
  • Ionen nicht magnetisiert -> elektrostat. Abstoßung
  • e- scattern mit Neutralteilchen und wandern langsam zur Anode (Leakage I)
    • Hauptproblem Ineffizienz
  • Magnetfeld reduziert richtung Anode um e- in Ionisationszone zu halten

Vorteile:

  • Gridless
  • 50% effi

Nachteile

  • Lebenszeit Anoden Erosion

3Zonen:

  1. Neutralisationszone
  2. Ionisationszone
  3. Accelaration Zone

WICHTIG

  • T_exit ~15-25eV
  • j~ 01-0.15 A/cm^2

Hall Thruster Hauptverlust

  • Beam Divergence
  • niedrige U(300V)
  • Hohe Beam Div. als Ion Thrusters-> 40° -> Effi= 59%
  • Effi= cos (alpha)

 

Wie verhindert man Erosion von Hall Thrustern

  • Magnetically Shielding Configuration
  • E-Feld an Wänden nach Innen gerichtet

  • Plasma von Wand weg bewegt

  • Erosion um 2-3 Größenordnungen kleiner

HEMP Thruster

High Efficiency Multistage Plasma (HEMP)

 

 

 

Prinzip:

  • wie TWT (Wanderfeldröhre B und E  Feld), Permanent periodischer Magnet fokussiert Xe Plasma Axial und verhindert Verluste an Ionisations Kammerwand
  • Plasma Potential zwischen Höckern wird kleiner richtung Exit
  • E-Feld beschl. Xe-Ionen
  • Neutralisator nicht notw. aber mögl
  • Crossed E-Feld und B-Feld -> Quasineutrales Plasma mit hoher Ionisationsrate
  • Potentiell weniger Erosion als Hall Thruster und Höherer Isp

 

Was ist Plasma

  • partiell Ionisiertes Gas (Ionen,e-, n) mit ausgeglichener ladung
    • QUASINEUTRAL
  • Ionisationsenergie
    • min. Energie die notw. ist um 1 e- von Atom des Gases zu entfernen
  • Viele Prozesse mit unterschdl. Wahrscheinlichkeiten 
    • e- Collision,... 

Ionisationsmechanismen und Rekombinationsmech.

Ionisation

  1. Inelast. Kollision
  2. Photoionisation
  3. Feldionisation
  4. Charge-Exchange Ionisation

Rekomb:

  1. Strahlungsrekombi
  2. 3Körper Rekomb
  3. Dissoziation
  4. Dielektrisch
  5. Electron Attachment

Grundlegendes zu Elektr. Antrieben

Warum FEEP Thruster?

  • Ultrapräzise AOCS
  • Formation Flying

FEEP Antrieb

Field  Emission Electric Propulsion

 

 

 

Funktion:

  • Accelelaration direkt vor Emitter
  • Starkes E-Feld durch Ladungsdiff Emitter<-> Accelerator
  • Kombinierte Effekte Elektrostat. Kräfte und OF-Spannung
  • Ausbildung Taylor Cones 
  • E-Feld erreicht gewisse Grenze -> Atome am Tip ionisierten -> Ionen-Jet geht aus E-Feld
  • E- werden abgestoßen 
  • Neutralizer

Aufbau:

  1. Collector(=Emitter- Extractor- Cover Plate)
  2. Cover Plate (-) -> ablenken Sekundär e-
  3. Focusing  Elektrode (=Emitter Potential)
  4. Extractor (Geerdet oder zum kontrollieren der Ionenenergie)
    • typisch: I_extr=0.01*I_emitter
  5. Emitter (+)

Vorteile:

  • Real "zero" Thrust Capability
  • Mikrosekunden Reaktionszeit
  • Metallische Treibstoffe Ga, In, Cs
    • Geringes Tankvolumen

Nachteile:

  • Ströme bis 100 mikro Ampere
  • Heizer für flüssig Treibstoffe Indium-> 156°C

WICHTIG

  • Emitter extracts ions with V_total=V_emitter- V_extractor

  • Therefore a negative V_extractor bias reduces V_emitter(reducing Thrust and Isp)

  • and a positive V_extractorbias increases V_emitter(increasing Thrust and Isp)

Was ist Wetting

Def: Flüssigkeit diffudiert in Festkörper und erzeugt eine starke Bindung (hohe T helfen Diff)

  • Verstärkt durch:
    • Barrieren(Oxide, Contamination)
    • Gaps 
  • Most materials wet well if they are „oxide-free“ (like noble metals)!
  • ...

3 Arten

  • A
    • Flüssigkeit und Substrat mit Oxiden beschichtet
  • B
    • Flüssigkeit Oxidfrei und Substrat Covered
  • C
    • Beide Oxidfrei

Material Auswahl FEEP

Reservoir

  • Lösen sich in Treibstoff:
    • W, Ta, Re, no alloys
  • mech. Fertigbar/ Schweißbar
    • W, Re, (Ta)
  • Wetting - oxide-free (therm+chem Verdampfen
    • Re,Ta
  • Kosten
    • W, Ta

-> Rhenium und Wolfram für Emitter 

-> Tantalum für Reservoir

Propellant

  • Niedr. Schmelzpunkt
  • Niedr Ionisationsenergie
  • Niedr. Dampfdruck
  • Hohe atomare Masse(Thrust)
  • Wetting - oxide free
  • Nicht Toxisch
  • Kosten

-> Indium und Gallium

FEEP Reservoir Anforderungen

  • Große Reservoirs -> TS Gewichts Problem (manchmal Vertical Wetting notw.)

  • Hohe T ----> Viskosität zu klein ---> TS Leakage

  • Microgravitations Kompatibilität

  • Vertikal Expulsion(Flucht) Test gegen Gravität

Plasma Diagnostic Facility

Lisa Pathfinder

  • Indium FEEP

Emitter Config PAthfinder

Vor und Nachteile von Nadel und Kapillar Emitter

Colloid Thruster

  • wie FEEP
  • zu hohe Accel. Potentials um mit Ion Engines mitzuhalten

Vorteil:

  • gut für Clustering
    • Unabh. Spannung
    • Unabh electroden Form
    • kein Viskositätseinfluss

 

  • Druck zwischen Tank und Emitter
  • muss kleiner als max. Druck erlaubt durch Kapillarkräfte sein damit kein Spilling der Treibstoff
  • Ventil notw um Spilling bei Launch zu verhindern
  • kein Neutraliser notw.
  •  

Arten von Elektronen Emission

Thermionic Emission

  • Electrons leave metal surface at high temperature (needs power)
  • Pure Metal Cathode: Need high temperatures but are insensitive to ambient conditions
  • Oxide Cathodes: Lower temperatures but very sensitive to vacuum
  • Hollow Cathodes: High currents, similar to oxide cathodes but with a large area, needs propellant !

 

Field Emission

  • Electrons leave metal surface due to high electric field (cold cathode)
  • Very low power consumption
  • High electric field from geometry: MEMS fabricated cathodes (silicon tips, coating, etc.), Carbon-Nanotube cathodes
  • High electric field from material: Negative-Electron-Affinity (NEA) cathode

 

Others

  • Ferroelectric cathode
  • Photoemission cathode

Warum braucht man einen Neutralizer?

  • Eletroplasma Thrusters (Ion, Hall,..)
  • Charge Level S/C stabil halten
  • neutralisieren S/C

Kritische Einflüsse Neutralisator

Ambient Pressure

  • Low-power emitting surfaces (thermionic cathodes) get poisoned by H2O and oxygen leading to drastic decrease in current emission ⇒Mixed-Metal cathodes, higher operating temperature
  • Atomic oxygen bombardment on FEA builds up oxide layer that lowers conductivity and increases the work function ⇒special coatings (Mo, Diamond), Carbon Nanotubes

 

Ion Bombardment

  • Ionized residual gas atoms – Ambient Pressure
  • Low-energy charge-exchange ions - Thruster
    • --> Destroys emitting surface or emitter tips
  • EA: Lower gate potential (< 40 V) using MEMS (e.g. SRI Cathodes), Lens and Repeller(CLAIR) acceleration electrone (NASA JPL)
  • Carbon nanotubes: Less sensitive, lower electrical efficiency

 

Lifetime

  • Few lifetime data exists for high ambient pressures!

Thermoionische Elektronen Emission Vor- und Nachteil Oxide Cathodes

Vorteil

  • Much lower temperatures
  • Lower work function

Nachteil

  • Not robust against residual gas poisoning -> needs strong vacuum
  • Coating flakes off after air exposure
  • Low D.C. emission <= 1A/cm²

Thermionic Electron Emission  AKTUELLE TECHNOLOGIE

Aktuelleste Entwicklung: LaB6/CeB6Cathode

  • Bulk material electron emission – no low-work function material impregrates that are sputtered again, etc.
  • Needs higher temperature (1600°C) – but still lower evaporation rate than BaO Cathodes (up to 15 A/cm²)
  • Insensitive to vacuum level!

Funktionsweise Hohlkathode

  • Standard Methode um hohe Elektronenströme zuerzeugen für Hall und Ionen Thruster
  • Generiert e- in einer Kombination von Thermoionischer Emission und Electronen Bombardement Ionisation
  • Optimales Design:
    • Strahlungsschutz außen
    • Thermalstrahlung innen -> weitere Aufheizung der Kathode
    • TS- Ionen von Plasma Generation werden von Kathode angezogen
    • Ionen Bombardement sorgt für Aufheizung (nach Zündung-> Heater aus!!)
  • Kathode besteht aus :
    • entweder poröses Tungsten imprägniert mit BaO ( dann sehr purer Propulsion Grad Xenon mit wenig Oxygen notw)
    • oder LaB6 -> Oxygen tolerant und ger. Evaporation Rate, aber höheres T_operating
  • Unterschiedliche Modelle:
    • Discharge
    • RF
    • Microwave Hohlkathoden
  • Hohe Plasmadichte im Shields-space-charge -> Höhere Ströme mögl.

Discharge Hohlkathode

  1. Kathoden Conditioning: Initially Higher T und dann auf T_operating um Contaminierung zu entfernen
  2. TS einführen
  3. Discharge einleiten mit kurzem High-Peak-Voltage an Keeper-Elektrode (~500V)
  4. Beschl. Elektronen ionisieren TS -> mehr e- generiert bei keeper voltage abfall auf rund 10V für dieselbe Discharge Currnet
  5. Heizer kann ausgeschaltet werden d:
    •  TS-Ionen Kathoden Bombardement
    • und Kollision mit Öffnung(Orifice) auch Hitze produziert
  6. Keeper Elektrode lenkt Ionen ab und schützt Kathode

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