{"id":11727,"date":"2016-06-13T16:20:15","date_gmt":"2016-06-13T14:20:15","guid":{"rendered":"http:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/?p=11727"},"modified":"2016-06-13T18:13:15","modified_gmt":"2016-06-13T16:13:15","slug":"vom-leo-in-den-geo-der-vergleich","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2016\/06\/13\/vom-leo-in-den-geo-der-vergleich\/","title":{"rendered":"Vom LEO in den GEO &#8211; der Vergleich"},"content":{"rendered":"<p>Inzwischen habe ich begonnen f&uuml;r mich selbst die Daten aktueller verf&uuml;gbarer und in der Entwicklung befindlicher Ionentriebwerke zusammenzutragen. Dabei stie&szlig; ich in einem <a href=\"http:\/\/www.ltas-vis.ulg.ac.be\/cmsms\/uploads\/File\/DataSheetIon.pdf\">Dokument<\/a> &uuml;ber das RITA 15\/150 System &uuml;ber die Aufstellung eines kompletten Antriebssystems:<\/p>\n<table class=\"auto-style2\" cellpadding=\"2\">\n<tbody>\n<tr>\n<th><\/th>\n<th>RITA 15<\/th>\n<th>RITA 150<\/th>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>4 Triebwerke<\/td>\n<td>7,2 kg<\/td>\n<td>24,0 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>4 Flu&szlig;kontroleinheiten<\/td>\n<td>8,0 kg<\/td>\n<td>8,0 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>2 Stromverarbeitungseinheiten<\/td>\n<td>21,0 kg<\/td>\n<td>27,6 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Leitungen<\/td>\n<td>2,0 kg<\/td>\n<td>4,0 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Verschiedenes<\/td>\n<td>1,0 kg<\/td>\n<td>2,0 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td><strong>Ionensystemstrukturmasse<\/strong><\/td>\n<td><strong>39,2 kg<\/strong><\/td>\n<td><strong>65,6 kg<\/strong><\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Tank<\/td>\n<td>17 kg<\/td>\n<td>17 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Xenon<\/td>\n<td>71 kg<\/td>\n<td>71 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td><strong>Gesamt Ionentriebwerksubsystem<\/strong><\/td>\n<td><strong>127,2 kg<\/strong><\/td>\n<td><strong>153,6 kg<\/strong><\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n<p><!--more-->Dieses System ist f&uuml;r die Erhaltung der Position eines geostation&auml;ren Nachrichtensatelliten &uuml;ber 15 Jahre konzipiert. Unterschiedliche lokale Gravitationskr&auml;fte machen es n&ouml;tig diese laufend zu korrigieren. Die Wikipedia nennt f&uuml;r dieses &#8222;Station Keeping&#8220; in zwei <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Delta-v_budget\">Artikeln<\/a> einmal 45 m\/s und einmal 50-55 m\/s. Hier geht es &uuml;ber 15 Jahre also insgesamt 675 bis 825 m\/s. Das \u0394V hier liegt mit 728 m\/s so ziemlich in der Mitte zwischen beiden Werten.<\/p>\n<p>Es sind vier Triebwerke, je zwei pro Raumachse. F&uuml;r eine Verschiebung im Raum arbeiten maximal zwei gleichzeitig. Die Angabe ist nicht dahingehend zu verstehen das beide Systeme eingesetzt werden, sondern eines der beiden. Das RIT-15 hat nur ein Achtel des Schubs des RITA-150 muss also l&auml;nger betrieben werden. Man kann leicht &uuml;berschlagen das es etwa 60% der Gesamtzeit in Betrieb ist. Daf&uuml;r ben&ouml;tigt es viel weniger Strom.<\/p>\n<p>Aufgrund dieser Daten hat man nun die Masse eines Subsystems. Dieses kann man nun die Hochrechnung f&uuml;r ein gr&ouml;&szlig;eres System nehmen, das auch geeignet ist als Antrieb zu fungieren. Dazu w&uuml;rde man vier Triebwerke addieren, die nun nicht den Satelliten verschieben, sondern beschleunigen und daher in der Z-Achse angebracht sind (wenn die bisherigen Triebwerke jeweils in die +\/- X- und Y-Achse zeigen). Vier deswegen, weil das RIT-2X f&uuml;r das es etwas mehr Daten, als f&uuml;r das noch zu entwickelnde RITA 150 gibt, das aber in etwa die gleichen Leistungen hat, einen Strombedarf von 4685 Watt hat. Schon der kleinere Satellit im <a href=\"http:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2016\/06\/09\/mit-ionentriebwerken-vom-leo-in-den-geo\/comment-page-1\/#comment-71334\">letzten Beispiel<\/a> wog im GTO-Transferorbit 3540 kg und hatte 9,5 kW Leistung. Das System oben ist f&uuml;r einen im GEO 4100 kg schweren Satelliten, das entspricht &gt;6600 kg im GTO, also doppelt so schwer. Dann kann man auch die doppelte Leistung der Solarpaneele annehmen. Ohne aktive Transponder kann man den gr&ouml;&szlig;ten Teil der elektrischen Leistung f&uuml;r die Ionentriebwerke nutzen. Wahrscheinlich ist die Leistung etwas gr&ouml;&szlig;er ist, als sp&auml;ter ben&ouml;tigt, aber dann hat man zum einen Extraleistung f&uuml;r die dann ab und an n&ouml;tigen Bahnkorrekturen und kann auch ein Absinken beim Passieren des Van Allen G&uuml;rtels hinnehmen. Das \u0394V vom 400 km LEO ist aus der letzten Simulation bekannt \/4605 m\/s) und so erhalte ich folgende Basisdaten f&uuml;r einen Vergleich:<\/p>\n<table>\n<tbody>\n<tr>\n<th>Parameter Ionentriebwerksl&ouml;sung<\/th>\n<th>Wert<\/th>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Statio-Keeping Subsystem (ohne Tanks)<\/td>\n<td>65,6 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Antriebssystem (ohne Tanks)<\/td>\n<td>65,6 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Treibstoff Station Keeping<\/td>\n<td>71 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Treibstoff Transfer LEO in GEO<\/td>\n<td>592 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Tanks<\/td>\n<td>159 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Zusatzgewicht Solargenerator f&uuml;r 9,27 kW bei 45 W\/kg<\/td>\n<td>208 kg<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n<p>F&uuml;r das chemisch angetriebene System kann man eine &auml;hnliche Bilanz aufstellen. Ich gehe hier von dem gleichen \u0394V (728 m\/s) aus und 10% Trockenmasse der Antriebssystems, ohne zwischen Tank und Triebwerken zu differenzieren (der Wert ist vom Antriebssystem von Rosetta &uuml;bernommen). Ich nehme weiterhin an, das die Ionentriebwerke zus&auml;tzlichen Strom einsetzen, der beim chemischen Antrieb fehlt, sonst w&auml;re der Vergleich unfair.<\/p>\n<table>\n<tbody>\n<tr>\n<th>Parameter chemische L&ouml;sung<\/th>\n<th>Wert<\/th>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Statio-Keeping Subsystem (ohne Tanks) (spezifischer Impuls: 2900 m\/s, \u0394V=728 m\/s)<\/td>\n<td>91 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Antriebssystem (ohne Tanks) (spezifischer Impuls: 3100 m\/s, \u0394V = 1500 m\/s)<\/td>\n<td>255 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Treibstoff Station Keeping<\/td>\n<td>910 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Treibstoff Transfer LEO in GEO<\/td>\n<td>2.551 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Tanks<\/td>\n<td>0 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Zusatzgewicht Solargenerator f&uuml;r 9,27 kW bei 45 W\/kg<\/td>\n<td>0 kg<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n<p>Damit man korrekt vergleichen kann, braucht man einen Fixpunkt der bei beiden Systemen gleich ist. Das ist in diesem Falle die Masse bei Erreichen des GEO: 4100 kg. Zu ihm muss man dann noch den Treibstoff f&uuml;r den Transfer GTO-&gt;GEO bzw. LEO-GEO hinzuaddieren und f&uuml;r den reinen Satelliten ohne irgendwelche Antriebssysteme den Treibstoff f&uuml;r Station-Keeping und die Trockenmasse der Antriebssystem subtragieren.\u00a0 Man bekommt dann folgende &Uuml;bersicht:<\/p>\n<table>\n<tbody>\n<tr>\n<th><\/th>\n<th>Ionenantrieb<\/th>\n<th>chemischer Antrieb<\/th>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Masse bei Abtrennung Rakete<\/td>\n<td>4.692 kg<\/td>\n<td>6.651 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>in einem<\/td>\n<td>400 km LEO<\/td>\n<td>250 x 35.887 x 5\u00b0 GTO<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>\u0394V zu GEO<\/td>\n<td>4.600 m\/s<\/td>\n<td>1.500 m\/s<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Masse im GEO, Betriebsjahr 0<\/td>\n<td>4.100 kg<\/td>\n<td>4.100 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Masse im GEO Betriebsjahr 15<\/td>\n<td>4.029 kg<\/td>\n<td>3.190 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Masse in GEO ohne Antriebssystem und Subsysteme<\/td>\n<td>3.530 kg<\/td>\n<td>2.844 kg<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n<p>Die Masse ist also vergleichbar, w&uuml;rde man den Strom komplett mit den normalen (f&uuml;r den Betrieb der Sender) vorhandenen Strom decken k&ouml;nnen, w&auml;re der Ionenantrieb etwa 250 kg besser als der chemische Antrieb, doch mir ist die Vergleichbarkeit sehr recht, denn so kann man eine bessere Kosten\/Nutzenabw&auml;gung treffen. Schon jetzt ist der Satellit um 400 kg besser. Um den im GTO 6.651 kg schweren Satelliten zu starten braucht man rund 60% der Nutzlast einer Ariane 5. Die Ariane 5 k&ouml;nnte etwa 21 t in einen 400 km hohen Orbit starten. In diesen Orbit muss sie nur 4,7 t absetzen also weniger als 25% der Nutzlast. So ist der Vorteil eigentlich offensichtlich.<\/p>\n<p>Bleibt noch die Simulation. Bei dieser Startmasse, 18,74 kW Leistung um vier Ionentriebwerke zu betrieben braucht man ziemlich genau 1 Jahr um sich hochzuspiralen. Das ist relativ lange, auch weil der spezifische Impuls der RIT-Triebwerke sehr hoch ist. Ein niedrigerer Impuls w&uuml;rde die Betriebsdauer reduzieren und die Masse nur unwesentlich erh&ouml;hen.<\/p>\n<p>Nun starten nicht alle Satelliten vom CSG aus (erkennbar an dem \u0394V von 1500 m\/s). Wie sieht es beim Cape oder Baikonur aus? Auf den ersten Blick schlechter, denn man kann nicht die Kombination von Apog&auml;umsman&ouml;ver und Inklinationsabbau nutzen. Das \u0394V aus einem Standard-GTO mit 28 Grad und 51 Grad Neigung in einen 0-Grad-GEO betr&auml;gt 1816 und 2405 m\/s. Beim Ionenantrieb wird man die Inklination erst abbauen, wenn man den GEO erreicht hat. Hier sind es 1442 bzw. 2386 m\/s zus&auml;tzlich (chemisch 350 und 939 m\/s zus&auml;tzlich). Die folgende Tabelle enth&auml;lt die Massen f&uuml;r verschiedene Bahnneigungen beim Start, auch hier auf 4.100 kg im GEO normiert:<\/p>\n<table>\n<tbody>\n<tr>\n<th><\/th>\n<th>Ionenantrieb<\/th>\n<th>chemischer Antrieb<\/th>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Masse bei Abtrennung Rakete GTO 0 Grad<\/td>\n<td>4.692 kg<\/td>\n<td>6.579 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Masse bei Abtrennung Rakete GTO 28 Grad<\/td>\n<td>4.906 kg<\/td>\n<td>7.269 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Masse bei Abtrennung Rakete GTO 51 Grad<\/td>\n<td>5.044 kg<\/td>\n<td>8.907 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Masse im GEO, 0 Grad Startinklination<\/td>\n<td>4.100 kg<\/td>\n<td>2.851 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Masse im GEO, 28 Grad Startinklination<\/td>\n<td>3.488 kg<\/td>\n<td>2.781 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Masse im GEO, 51 Grad Startinklination<\/td>\n<td>3.461 kg<\/td>\n<td>2.618 kg<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n<p>Die Nutzlast nimmt also trotz geringerem \u0394V beim chemischen Antrieb st&auml;rker ab. Von 8,9 t von Baikonur in einen Standard GTO gestartet bleiben nach 15 Betriebsjahren (ohne Antriebssystem) noch 2,6 t &uuml;brig. Beim Ionenantrieb sind es noch 3,4 t von 5,0 t Anfangsmasse, also erheblich g&uuml;nstiger. Das erkl&auml;rt auch warum Proton und Ariane so unterschiedliche GTO-Nutzlasten haben: Obwohl die Proton etwa 23 t in eine 400 km Bahn bef&ouml;rdern k&ouml;nnte bringt sie nur 6,3 t in den Standard-GTO. Um diesen &#8222;energie&auml;quivalenten&#8220; Orbit zu erreichen muss sie die Inklination abbauen und das Perig&auml;um anheben, beim letzten Start vor wenigen Tagen z.B. auf 3.500 km. Das kostet Nutzlast. So sind Ionentriebwerke um so lohnender, je schlechter der Startplatz ist: konkret k&ouml;nnte Russland mit einer Sojus die etwa 7-8 t in einen Leo transportiert mit Ionentriebwerken die gleiche Nutzlast wie eine Ariane 5 transportieren, also mehr als die dreimal nutzlastst&auml;rkere Proton und die Angara. Aber in Russland entwickelt man wohl derzeit lieber neue chemische Triebwerke anstatt welche die den geographischen Nachteil egalisieren. Dabei k&ouml;nnte man mit Ionentriebwerken sogar von Plessezk aus starten ohne einen neuen Weltraumbahnhof aufzubauen.<\/p>\n<p>Die letzte Tabelle ist nun normiert auf die Endmasse. Ich bin davon ausgegangen, das ohne Antriebssystem, Treibstoff und assoziierte System 2.500 kg f&uuml;r den Kommunikationssatelliten &uuml;brig blieben m&uuml;ssen. Um 2.500 kg &#8222;reiner Kommunikationssatellit&#8220; zu starten muss man folgende Massen im Startorbit aussetzen:<\/p>\n<table>\n<tbody>\n<tr>\n<th><\/th>\n<th>Ionenantrieb<\/th>\n<th>chemischer Antrieb<\/th>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Masse bei Abtrennung Rakete GTO 0 Grad<\/td>\n<td>3.294 kg<\/td>\n<td>5.633 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Masse bei Abtrennung Rakete GTO 28 Grad<\/td>\n<td>3.417 kg<\/td>\n<td>6.400 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Masse bei Abtrennung Rakete GTO 51 Grad<\/td>\n<td>3.497 kg<\/td>\n<td>8.082 kg<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n<p>Hier ist der Vorteil noch deutlicher sichtbar. W&auml;hrend um die Inklination abzubauen die Startmasse beim chemischen Antrieb um &uuml;ber 40% ansteigt, so sind es beim Ionenantrieb nur 6,2%. So verwundet es nicht wenn die bisherigen &#8222;All Electric&#8220; Satelliten vom Cape aus starteten. Der Preis ist allerdings eine noch l&auml;ngere Betriebszeit, hier w&uuml;rden nochmals 4 bzw. 6 Monate zus&auml;tzlich hinzukommen. F&uuml;r die Praxis bei der man nicht so lange warten will, w&uuml;rde man f&uuml;r den Betrieb von mehr Triebwerken den Solargenerator vergr&ouml;&szlig;ern. Mit 12 Triebwerken w&auml;re man in 4-6 Monaten im 0-Grad GEO, abh&auml;ngig von der Startinklination. Das w&uuml;rde aber die Nutzlast von 3.530 auf 2.566 kg erniedrigen, etwas unterhalb des Werts beim chemischen Antrieb. Bei gleicher Masse (2.844 kg ohne Antriebssysteme nach 15 Jahren im GEO) k&ouml;nnte man 9 Triebwerke betrieben und w&auml;re beim Start vom CSG aus in 162 Tagen im Orbit angekommen.<img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"http:\/\/vg06.met.vgwort.de\/na\/4436d9e2e5fb48dfb8f8f3d25223664c\" alt=\"\" width=\"1\" height=\"1\" \/><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Inzwischen habe ich begonnen f&uuml;r mich selbst die Daten aktueller verf&uuml;gbarer und in der Entwicklung befindlicher Ionentriebwerke zusammenzutragen. 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