Raumfahrt Der elektrische Antrieb (EP) ist definiert als „jedes System, das einen Treibstoff durch die Umwandlung von elektrischer potentieller Energie in kinetische Energie beschleunigt“. Er wird verwendet, um die Flugbahn von Satelliten zu verändern und Raumfahrzeuge durch das Sonnensystem zu treiben. Ganz allgemein kann diese Energieumwandlung auf elektrostatischer, elektrothermischer oder elektromagnetischer Basis erfolgen. Es kann sich auch um eine Kombination handeln (z.B. elektrothermisch gekoppelt mit elektromagnetisch). Der elektrische Antrieb (EP) hat eine hohe Treibstoffeffizienz. Daher ist weniger Treibstoff und Treibstoffspeicher erforderlich, was EP für Kleinsatelliten besser geeignet macht. In diesem Artikel gehen wir näher auf die elektrostatischen Antriebssysteme ein.
Elektrischer Feldemissions-Antrieb (FEEP)
Der elektrische Feldemissionsantrieb (FEEP) ist eine elektrostatische Antriebsmethode, die in Satelliten verwendet wird, die auf Schub durch Ionisierung angewiesen sind. FEEP-Triebwerke beruhen auf der Ionisierung von Flüssigmetall und der Beschleunigung der Ionen durch ein starkes elektrisches Feld. Satelliten, die auf FEEP setzen, profitieren von den verschiedenen einzigartigen technischen Merkmalen dieser neuartigen elektrischen Antriebstechnologie. So eignet sie sich aufgrund ihrer kompakten Größe und ihrer Treibstoffspeicherkapazitäten für kleine Satelliten. In den letzten Jahren hat die Zahl der Kleinsatelliten im Weltraum erheblich zugenommen, was die FEEP-Antriebsmethode zu einer interessanten Möglichkeit für zukünftige Missionen im Weltraum macht.
Das Kernprinzip von FEEP ist mit dem Feldeffekt verbunden, der sich auf die Nutzung eines starken elektrischen Feldes zur Erzeugung geladener Ionen bezieht. Der Unterschied zwischen der Elektrode und der Oberfläche des flüssigen Metalls wird durch die Spannung der Flüssigkeit ausgeglichen, die sich zu einer Reihe von Kegelformen verformt. Die Intensität des starken elektrischen Feldes löst die Bildung des Treibstoffstroms aus. Dieser Strom wird mit hohen Geschwindigkeiten durch den Emitter und den Beschleuniger ausgestoßen. Der Neutralisator liefert negativ geladene Ionen, um die Ladung des Treibladungsstroms zu reduzieren und die Baugruppe zu schützen.
Die Neutralisierung von Treibstoffströmen in FEEP-Geräten kann durch thermionische Kathoden realisiert werden. Diese thermionischen Kathoden sind für den gewünschten Schub unerlässlich, da die Elektronen mit hoher thermischer Energie emittiert werden, um die Potenzialbarriere des Emittermaterials und das Vakuum im Weltraum zu überwinden. Ohne die Heizfähigkeit der thermionischen Kathode kann das Emittermaterial nicht die erforderliche Temperatur erreichen, um den FEEP-Schub zu erzeugen. Darüber hinaus ist eine Kathode erforderlich, um das geladene Plasmafeld zu neutralisieren, das andernfalls von der Hülle des Raumfahrzeugs angezogen würde und den erzeugten Schub reduzieren oder eliminieren würde.
ION-Schubdüse mit Gitternetz
Das gitterförmige Ionentriebwerk ist ein gängiges Design für Satelliten, die auf die Ionentriebwerkstechnologie angewiesen sind. Diese Triebwerke gelten als hocheffiziente elektrische Antriebssysteme mit geringer Schubkraft. Das Grundkonzept eines Gitter-Ionentriebwerks ist die Beschleunigung von Ionen durch elektrostatische Kräfte. Die elektrischen Felder werden durch zwei Elektroden am Ende des Triebwerks erzeugt. Eine Elektrode ist mit hochpositiven Elektronen geladen, während die andere mit hochnegativen Elektronen geladen ist. Die Ionen werden im gegenüberliegenden Bereich der Elektrode erzeugt, was dazu führt, dass die Ionen aus der Entladungskammer angezogen werden. Das Ergebnis ist eine große Anzahl von Ionenstrahlen, die den Ionenstrahl des Triebwerks bilden und dazu beitragen, dass der Satellit durch den Weltraum fliegt.
Die Elektronen werden von einer Hohlkathode erzeugt, die sich in der stromaufwärts gelegenen Mitte des Triebwerks befindet. Der Treibstoff wird von diesen Elektronen beschossen, wodurch ein Plasmastrom erzeugt wird, der der Schlüssel zum elektrischen Antrieb von Ionentriebwerken ist. Eine weitere Kathode ist erforderlich, um den Ionenstrahl zu neutralisieren, der durch den Aufprall der Elektronen auf den Treibstoff erzeugt wird. Diese Neutralisationskathode befindet sich häufig an der stromabwärts gelegenen Seite des Triebwerks, wo der Ionenstrahl ausgestoßen wird. Da das Triebwerk hauptsächlich positive Ionen ausstößt, ist eine gleiche Menge negativer Ionen erforderlich, um den Ionenstrahl zu neutralisieren und Schäden am Triebwerk zu vermeiden.
Die Funktion der Thermionenkathoden in gitterförmigen Ionentriebwerken ist daher entscheidend für eine erfolgreiche Navigation durch den Weltraum: Einerseits erzeugt die vorgelagerte Kathode die Elektronen, die notwendig sind, um ein Plasma für den Schub zu erzeugen. Andererseits neutralisiert die nachgelagerte Kathode den Ionenstrahl und stellt sicher, dass keine äußeren Schäden durch die ausgestoßenen positiven Ionen verursacht werden. Kamet kann Kathodenheizungen liefern, die den technischen Anforderungen für Ihre Gitter-Ionentriebwerke und deren elektrischen Antrieb durch den Weltraum entsprechen.
Hall-Effekt-Triebwerk (HET)
Die Technologie der Hall-Effekt-Triebwerke basiert auf dem Hall-Effekt-Prinzip und wird seit über 30 Jahren bei Weltraummissionen eingesetzt. Ein Halleffekt-Triebwerk (HET) ist ein elektrisches Antriebsgerät, das elektrische und magnetische Felder nutzt, um ein Plasma zu erzeugen und Ionen mit hoher Geschwindigkeit auszustoßen, um Schub zu erzeugen. Das Triebwerk beschleunigt den Treibstoff durch ein elektrisches Feld. Die Schubquelle für HET-Triebwerke enthält in der Regel inertes Xenon- oder Kryptongas, das für die Erzeugung des ionisierten Plasmas zur Schuberzeugung benötigt wird. Im Vergleich zu anderen elektrostatischen Triebwerken hat das Hall-Effekt-Triebwerk erhebliche Vorteile, wie z.B. eine höhere Schubkraft, eine längere Lebensdauer und einen geringeren Energiebedarf als andere Ionentriebwerke.
Ein Halleffekt-Triebwerk besteht aus einer Anode, die sich am stromaufwärts gelegenen Ende eines Entladungskanals mit keramischen Wänden und einer Injektionsvorrichtung für inertes Xenon- oder Kryptongas befindet. Eine externe Kathode liefert Elektronen zur Neutralisierung des Ionenstrahls. Der magnetische Kreis eines Hall-Thrusters besteht aus Magneten oder Spulen, die sich an den inneren und äußeren Rändern des Kanals befinden. Er erzeugt ein Feld mit zunehmender Intensität entlang des Kanals. Die von der Kathode emittierten Elektronen werden von den magnetischen Feldlinien eingefangen, was die axiale Mobilität verringert und ein starkes, nach außen gerichtetes elektrisches Feld erzeugt. Die Neutronen aus dem Injektor werden durch elektronische Stöße ionisiert und durch das elektrische Feld beschleunigt, was einen Schub erzeugt.
Um die erforderlichen Elektronen für die Ionisierung bereitzustellen, wird eine Kathodenheizung für die Zündung, Entladung und Neutralisierung der Ionenstrahlen verwendet. Der Heizer wird in einer Hohlkathode verwendet und seine Heizleistung ist daher von entscheidender Bedeutung für den Antrieb des Halleffekt-Triebwerks durch den Weltraum.
Mineralisolierte Heizgeräte für elektrostatische Antriebssysteme
Die mineralisolierten Heizgeräte von Kamet eignen sich für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt. Sie bieten eine hohe Leistung, eine konstante Ausgangsleistung und Temperaturen bis zu 1000 Grad Celsius und sogar bis zu 1600 Grad Celsius. Unsere Heizelemente bieten aufgrund der für diese Anwendung verwendeten hochschmelzenden Metalle wie Tantal hervorragende Eigenschaften. Wir können Kathodenheizer mit sehr kleinen Durchmessern ab 0,5 mm und einem minimalen Biegeradius des dreifachen Außendurchmessers liefern. Die Verbindung zwischen dem kalten und dem heißen Ende ist lasergeschweißt, daher bleibt der Durchmesser über die gesamte Länge des Heizers gleich.
Wir arbeiten eng mit führenden Unternehmen auf dem Gebiet der mineralisolierten Heizlösungen zusammen. Unsere Kathodenstrahler sind auf die spezifischen Anforderungen unserer Kunden zugeschnitten und unsere Partner verfügen über die Fähigkeiten, das Wissen und die Erfahrung, um Ihren Kathodenstrahler vom Reißbrett in die Produktion zu bringen. Darüber hinaus können unsere Partner nach Fertigstellung des Kathodenstrahlers umfangreiche interne Tests durchführen, um zu überprüfen, ob die technischen Spezifikationen mit Ihren Anforderungen übereinstimmen. Dies gewährleistet die Eignung des Kathodenstrahlers für Ihr elektrostatisches Triebwerk sowie höchste Qualität und Zuverlässigkeit für seine Mission im Weltraum. Wir freuen uns darauf, mit Ihnen über Ihre thermischen Herausforderungen mitzudenken.