Heute nun ein Beispiel wie so ein Gefährt aussehen kann und was man von ihm erwarten kann. Da die meisten alten Satelliten nicht so schwer sind und das Gefährt auch finanzierbar sein soll, habe ich mich für die Vega als Träger entschieden und so die Startmasse auf 1600 kg begrenzt die in eine 500 km hohe Umlaufbahn gelangen.
Die Hälfte soll auf das Antriebsmodul und die andere Hälfte auf den Satellitenkörper mit dem Servicemodul und der Ankupplung. Das sind dann 800 kg für das Antriebsmodul, das wichtig ist für die Anzahl der Transfers, bzw. der gesamten Masse. 100 kg ziehe davon ab für Triebwerke, Strukturen und Spannungskonverter für die Hochspannung die die Ionentriebwerke brauchen. Bleiben 700 kg für Treibstoff, Tanks und Solargenerator, der den benötigten Strom liefert.
Die genaue Aufteilung ist nicht ganz so einfach zu ermitteln, da der Gesamtimpuls von Schub x Betriebsdauer abhängt, der Schub aber wiederum von der Leistung und dem spezifischen Impuls, die Leistung von der Größe des Solargenerators und der Triebstoff der verbleibt, auch vom spezifischen Impuls und Treibstoffverbrauch. Kurzum, es ist ein nicht lineares System. Das kann man jedoch mit dem Computer lösen und das habe ich getan mit folgenden Randbedingungen:
- Solargenerator: Leistung 80 W/kg Masse
- Tanks: 20% der Treibstoffmasse
- Gesamtbetriebsdauer: 1800 Tage (50% der Zeit von 10 Jahren Missionsdauer).
- Wirkungsgrad der Ionentriebwerke: 70% der eingesetzten Leistung werden als Schub abgegeben.
Es zeigt sich, dass bei dieser langer Betriebsdauer ein spezifischer Impuls von 145,2 km/s den höchsten Gesamtimpuls liefert. Hier wiegen die Solarzellen 351,2 kg und der Treibstoff 290,3 kg und die Tanks 58,5 kg.
Diese lange Betriebsdauer macht nach den allgemeinen Zusammenhängen den Einsatz von Ionentriebwerken mit hohem spezifischen Impuls möglich. Doch so etwas gibt es heute als Serienexemplar nicht. Beschränkt man sich auf 60 km/s, das ist ein Wert den ein Rit 2X experimentell erreicht so befindet man sich immerhin auch auf einem Niveau von 30 MN, gegen über 42,15 MB als Spitze. Allerdings gibt es Ionentriebwerke nur in festen Größen, daher nun mit einem Rit 2X konkret durchgerechnet. Das Datenblatt geht nur bis 4300 s Impuls.
Nimmt man die gleiche Effektivität des RIT-2X bei 6000 s an wie bei 4300 s so verbraucht eines 8200 Watt Leistung und liefert 0,2 N Schub. Es verbraucht dann in 1800 Tagen 529 kg Treibstoff. Dazu kommen die Tanks die 106 kg wiegen. Der Solargenerator für die 8200 Watt Leistung wiegt weitere 103 kg. Das sind zusammen 748 kg. Reduziert man den Treibstoffvorrat um 40 kg kommt man genau auf die 700 kg die für den Antrieb angesetzt sind. Mit 489 kg Treibstoff ergibt sich dann ein Gesamtimpuls von 28,7 MNs.
Nimmt man 1000 kg für den Satelliten und ein mittleres Gewicht des Transportvehikels von 1400 kg (durch den verbrauchten Treibstoff wird es ja leichter) an, sowie das der Geschwindigkeitsbedarf für Hin- und Rückweg gleich hoch ist, so bewegt ein Transfer 3800 lg Masse. Mit 28,2 MN Gesamtimpuls kann man so die Geschwindigkeit um über 7500 m/s ändern.
Pendelt das Gefährt zwischen 550 und 800 km Höhe (dV 133 m/S) dann sind das 56 Transfers. Pendelt es dagegen zwischen 1400 und 550 km Höhe (dV = 426 m/s) dann sind es nur 17 Transfers. Das bedeutet, das sich dieses System durchaus lohnen würde, da es sehr oft eingesetzt werden kann.
Wie sieht es mit dem Chemischen Antrieb aus? Basierend auf Erfahrungswerten würde hier der Treibstoffanteil 5/6 des Gewichts ausmachen, das wären dann 583 kg, also deutlich mehr. Doch der spezifische Impuls ist kleiner. Selbst große Apogäums Motoren kommen nur auf 325 s, kleinere Triebwerke auf 285 s. Das entspricht einem Gesamtimpuls von 1,86 und 1,63 MN, mithin bei gleicher Masse nur 3 Transfers bei dem erdnahen Satelliten und einem bei der höheren Bahnhöhe. Damit ist es auf Basis von chemischen Treibstoffen unwirtschaftlich – einen Satelliten zu starten der nach einem Transfer schon ausgedient hat ist nicht lohnend.
Geht man in der Betriebsdauer nach unten so verschiebt sich übrigens das Optimum Richtung kleinere Impulse. Bei 150 Tagen Betrieb erreicht es die 4300 s des RIT-2X (allerdings mit nur 12,1 MN Gesamtimpuls). Bei 300 Tagen sind es die 6000 s die maximal experimentell erreicht werden bei einem Gesamtimpuls von 17,2 MN.
Da die heutigen Triebwerke nicht für lange Betriebszeiten ausgelegt sind (maximal einige Monate) verwundert es nicht, dass die eingesetzten Typen einen geringeren spezifischen Impuls haben der bei 13,5 bis 43 km/s liegt, die meisten Typen um rund 30 km/s herum.
