{"id":14723,"date":"2020-04-27T09:24:20","date_gmt":"2020-04-27T07:24:20","guid":{"rendered":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/?p=14723"},"modified":"2020-04-28T11:14:58","modified_gmt":"2020-04-28T09:14:58","slug":"ionenantriebe-und-der-spezifische-impuls","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2020\/04\/27\/ionenantriebe-und-der-spezifische-impuls\/","title":{"rendered":"Ionenantriebe und der spezifische Impuls"},"content":{"rendered":"

Auf meinen heutigen Blog bin ich durch die Kommentare zum Konzept der ESA für ein neues Ionentriebwerk gekommen<\/a>. Das war von einigen Entwicklungen, die ich erwähnte, das Einzige das aufgegriffen wurde, im Gegensatz zu den Entwicklungen der NASA, die deutlich weiter sind. Dabei ist es nicht mal neu, sondern schon 2006 untersucht worden. Anstatt die Kommentarspalte weiter zu füllen, hier ein Grundlagenartikel. Eigentlich steht das Ganze ja auch auf der Webseite (so ziemlich alles, was ich an Grundlagen bringe, steht in der Webseite<\/a>, nur mal als Hinweis. Insbesondere bevor man fragt, sollte man die Rubrik konsultieren).\"\"<\/p>\n

Aber zuerst mal zu dem Triebwerk. Es existiert in der Form nur auf dem Papier. Ein Prototyp, aber nicht in der Endform mit zwei Stufen wurde schon 2006 getestet, kam in den Leistungsparametern aber nicht an die prognostizierten Werte heran. Vor allem wurde der Prototyp über maximal 15 Minuten getestet, das ist bei einem Ionentriebwerk, das bei Exemplaren im Einsatz die für 10.000 bis 15.000 Stunden Betriebszeit qualifiziert sind nicht viel. Es gibt bei den Triebwerken Alterungseffekte. Die Ionen erodieren die Oberflächen, auch dort, wo sie entstehen, sie arbeiten mit Hochspannungen, die elektrische Komponenten ebenfalls schneller altern lassen. Bei dem obigen Prototyp, der mit der zehnfachen Spannung herkömmlicher Antriebe arbeitet, eher schneller. Ich erinnere an Hayabusa, wo nach und nach alle Ionentriebwerke einen Defekt hatten. 15 Minuten Testzeit bei 10,000 Stunden nominelle Betriebszeit entspricht den ersten Versuchen bei chemischen Triebwerken, wo man meist die Brennkammer mit Treibstoff aus Drucktanks, noch ohne Turbopumpen und aktiver Kühlung für Sekundenbruchteile betreibt \u2013 und genauso weit wie da von einem einsatzfähigen Triebwerk ist auch das DS4G entfernt.<\/p>\n

Ich vermute mal auf das man sich auf das DS4G deswegen gestürzt hat, weil ich erwähnte das es, das Triebwerke mit dem höchsten spezifischen Impuls ist, das ich kenne. Es sind 19.300 s, der Prototyp erreichte immerhin 13.000 s, da die zweite Beschleunigungsstufe fehlte. Nur ist das völlig ohne Belang, denn wer den Artikel liest, findet dort auch Zahlenangaben des optimalen spezifischen Impulses für andere Missionen und die liegen bei maximal 8000 s. Bei Ionentriebwerken ist ein hoher spezifischer Impuls nicht immer von Vorteil. \u201eMoment mal Bernd, modellierst Du sonst nicht gerne Raketen mit Stufen mit hohem spezifischen Impuls?\u201c Ja aber das sind chemische Treibstoffe. Bei Ionentriebwerken ist die Faktenlage anders, denn die gesamte Energie steckt nicht im Treibstoff (eigentlich Arbeitsmedium), sondern muss zugeführt werden.<\/p>\n

Ich fange mal mit den Grundlagen an. Ich fange ja auch bei einer Mission mit Ionenantrieben nicht auf der grünen Wiese an. Es gibt meist zwei Fälle: ich habe eine Nutzlast, die schon feststeht und die Trägerrakete kann eine bestimmte Maximallast befördern. Die Differenz kann ich für meinen Ionenantrieb nutzen und ich werde ihn dann meist so gestalten, dass ich möglichst schnell zum Ziel komme, die Reisedauer also minimiere.<\/p>\n

Als Zweites kann genau diese Reisedauer aus himmelsmechanischen oder Kostengründen fest sein und ich kann bei gegebener Maximalnutzlast der Rakete versuchen, eine möglichst hohe Nutzlastmasse durch den Antrieb zu erreichen.<\/p>\n

Im Folgenden bin ich von einem integrierten Antrieb ausgegangen wie er bei Dawn<\/a>, DS-1<\/a> oder SMART-1<\/a> der Fall war, für eine eigene Stufe wie der VEnUS<\/a> wären noch die Systeme die ein Satellit oder Raumsonde benötigt wie Struktur, elektrisches Subsystem, Kommunikation, Avionik etc. hinzuzunehmen.<\/p>\n

\"GrafikBei einem chemischen Antrieb hätten wir folgende Subkomponenten:<\/p>\n