Elektrische Antriebe

Elektrische Antriebe für die Satellitensteuerung
(2V)
HT 2012
Was zu erreichen ist
Struktur
 Vorlesung





Einführung
Grundlagen
Chemische Antriebe
Elektrische Antriebe
Anwendung (Mission)
 Projekt
 Prüfung
Satelliten benoetigen eigene Antriebssysteme zur
Kurskorrektur und Positionierung
 Nach dem Start einer
Rakete und dem
Abkoppeln eines
Satelliten muss dieser
manoevrierfaehig sein
 Orbitaenderung
 Zielausrichtung
 Drag-makeup
…..dafuer braucht man Schub….
ACTIO = RE-ACTIO
Viele verschiedene Antriebe existieren
 Chemische Antriebe
Kalte oder heisse Gase werden unter
hohem Druck durch eine Duese
geschickt – mechanisch/langsam
Austrittsgeschwindigkeit: 100m/s –
3000m/s
Geringe Eingangsleistung – viel Schub
(viel Masse)
 Elektrische Antriebe
Gase/feste Materialien werden ionisiert
unter hohem elektrischen Aufwand und
elektrostatisch beschleunigt–
elektrisch/schnell
Austrittsgeschwindigkeit: 1000m/s –
50000m/s
Hohe Eingangsleistung – maessiger
Schubwirkunsgrad (wenig Masse)
Obwohl die Schubeffizienz geringer ist, haben elektrische
System zwei wichtige Vorteile
Mission wird definiert durch:
∆V
−
M Pr op
M0
∆V = v ln(
)⇒
= 1− e v
M0
M 0 − M Pr op
….je schneller mein Antrieb
(und je leichter mein Satellit),
desto weniger Treibstoff
brauch’ ich…
….und durch einfach
Beschaltung koennen sehr
kleine Impulse produziert
werden…
∆V (LEO-GEO) = 6000 m/s
Immer höhere Anforderungen werden an Antriebe gestellt…
LISA
 LISA ist ein Interferometer um Gravitationswellen zu messen
 3 Satelliten bilden ein gleichseitiges Dreieck mit 5 million
Kilometer Seiten
 Satellitenposition muss bis zu 10nm bestimmbar sein, was 0.1uN
Schub erfordert, um den Sonnendruck zu kompensieren
..die mit immer geringeren Mitteln erreicht werden sollen.
8m/1t
 Um Start- und Betriebskosten zu sparen, ermoeglicht durch
fortschreitende Miniaturisierung, werden Klein- und Kleinstsatelliten
postuliert und sollen als Konstellationen die Aufgaben groesserer
Einheiten uebernehmen
Launch = $10000/kg
ca 15cm/1kg
 Diese Satelliten sind jedoch durch Ihre Energieversorgung limitiert und
muessen relative Positionen mit guter Genauigkeit halten
 Antriebssysteme sind gefordert, die leicht sind, kleine Impulse liefern
können, und dabei noch einen guten Wirkungsgrad haben.
Ein sehr wichtiges Anwendungsgebiet von Kleinstsatelliten ist der schnelle
Aufbau einer optische Kommunikationsverbindung mit Lasern
Kleine Satelliten koennen
schnell mit vorhandenen
Startsystemen in die
Umlaufbahn gebracht
werden
Optische Komm. notwendig
 Hoehere Datenraten als RF (100 x mit 1% Antennenflaeche)
 Kleinere Strahlaufweitung als RF
 Resultiert in hoeheren Leistungsdichten beim Empfaenger
 Kleinere Antenne
 Weniger Ausgangsleistung notwendig
 Geringere Masse
 Ermoeglicht die Benutzung kleiner Satelliten
 Sehr genaue Steuerung des Satelliten notwendig
 Optische Elemente sehr empfindlich (Verschmutzung)
Laserkommunikation benoetigt sehr genaue
Positionierung
 LEO orbit = 3-5 min ueber dem
Horizont
 3 step Prozess:
 Verbindung zur Bodenstation
herstellen (2 mrad/s) in 10s
 Satelliten waehrend der Ueberfluges
verbunden halten (10 mrad/s) in 30s
 Feineinstellung, um 3m Ziel im
Zentrum des Strahles zu halten (1
arcsec/s = 0.005mrad/s) @ 20Hz
 Optical communications concept
demo entwickelt von JPL fordert…

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
16 thrusters @100g/ea
Stromversorgung of <300g
Impulse von 1µNs
Limitierte Eingangleistung 2W
…fuer 10Mbps data link
Geplantes S/C laesst nicht viel Spielraum fuer
Antriebstechnologie
Anforderungen an einen neuen Antrieb fuer OPKOMM
 Muss Impulse von 1uNs/20Hz erzeugen
(1uN=Gewichtskraft einer Wimper)
 Muss mit einer Eingangsleistung von 2W
auskommen
 Bedingt durch Solarzellen und Batterien an Bord
 Soll eine Masse geringer als 300g haben
 Das schliesst die PPU mit ein
 Darf keine hohen Spannungen benoetigen
 Packungsdichte zu gross
 Soll moeglichst ohne Neutralisator auskommen
 Zusaetzliche Masse
 Soll die optischen Elemente nicht verschmutzen
Systeme haben Probleme..
 Es gibt viele kleine
Antriebssysteme
 Zu schwer
 Neutralisator benoetigt
 Koennen keine Pulse
produzieren…oder Pulse sind zu
lang
 Benoetigen hohe Spannungen
Erster Prototyp der PPU ist klein und leicht
 Die Kathode ist ein Metallstab, der mit isolierendem Material
umgeben ist, und in eine Anode eingepasst wurde
 Mit einer 28V Versorgung hat dieser VAT 20A, 25V, 200µs
Plasmapulse erzeugt
Cubevat Entwicklung UIUC
 Cubevat IL steuert 4 Köpfe
an
 Kann intern und extern
kontrolliert werden
 12 V Spannungsversorgung
 4 cm x 4 cm x 4 cm
 112 g
 Und kann einfach ausgebaut
werden….
Man soll erfolgreiche Systeme nicht aendern…
Jetzt wissen wir wohin es gehen soll…
….
…aber wie hat es denn angefangen…
Johannes Kepler (1571 - 1630)
was the German mathematician who, in 1609, figured
out the equations for orbiting planets & satellites - that
they move in ellipses (flattened circles). He gave three
fundamental laws of planetary motion. His equations are
used today for calculating orbits for satellites and
planets. He also did important work in optics and
geometry.
Isaac Newton (1643 - 1727)
English scientist and mathematician. in 1687 he wrote
what is probably the single greatest intellectual
achievement of all time, establishing the basic laws of
force, motion, and gravitation and inventing a new
branch of mathematics in the process (calculus). He did
all this to show how the force of gravity is the reason that
planet’s orbits follow Kepler’s equations.
Konstantin Tsiolkovsky (1857 - 1935)
a Russian school teacher who, without ever launching a single rocket himself, figured
out all the basic equations for rocketry in 1903. From his very broad and extensive
reading, including Jules Verne’s “From the Earth to the Moon”, he concluded that space
travel was a possibility, that it was in fact man’s destiny, and that rockets would be the
way to pull it off.
He anticipated and solved many of the problems that were going to come up for rocket
powered flight and drew up several rocket designs. He determined that liquid fuel
rockets would be needed to get to space, and that the rockets would need to be built in
stages (he called them "rocket trains"). He concluded that oxygen and hydrogen would
be the most powerful fuels to use. He had predicted how, 65 years later, the Saturn V
rocket would operate for the first landing of men on the moon.
Robert Goddard (1882-1945)
•An American who is now called "the father of modern rocketry"
•By contrast to Tsiolkovsky, Goddard was the man who designed, built, and flew the
rockets. He was a professor at Clarke University who also developed the theory of
rocketry and although he didn't know about Tsiolkovsky's work, reached the same
conclusions as Tsiolkovsky did. Goddard proved the theory was true.
•He was also heavily influenced by the science fiction of Jules Verne, and he worked
hard to develop rockets because he wanted to see them take us into space.
•When he first published his superbly written study, proposing that rockets could
possibly be used to travel to the moon, people thought he was a nut. In fact, the
criticism was so harsh, Goddard maintained a low profile and said little about his work
after that.
•In 1926 he launched the world’s first liquid fueled rocket. In the course of his
experiments in Massachusetts and Roswell, New Mexico, he virtually developed the
entirety of rocket technology.
•He invented everything required for modern rocketry and earned over 200 patents. By
himself he developed the same components and designs that took the Germans
hundreds of scientists and engineers and millions of dollars to develop independently at
Peenemunde during World War II.
Hermann Oberth (1894-1989)
•Yet another one who, after reading Jules Verne’s "From Earth to the Moon" as
a young boy (age 11 in this case), became determined to find a way to travel
space. He independently determined the same rocketry principles as
Tsiolkovsky and Goddard.
•The difference with Oberth, a German rocket scientist, is that in 1929 he
published "The Rocket Into Interplanetary Space", a highly influential book
which was internationally acclaimed and persuaded the world that the rocket
was something to take seriously as a space vehicle.
•Oberth was also Wernher Von Braun’s teacher, bringing him into the German
rocket program.
•Of the three great rocketry pioneers, Oberth was the only one who lived to see
men travel through space and land on the moon.
Wernher Von Braun (1912 - 1977)
•Together with Oberth and an enormous team of scientists and engineers at
Peenemunde, he developed and launched the German V2 rocket, the first
rocket capable of reaching space.
•At the end of World War II, Von Braun led the top scientists and engineers out
of Germany to the Americans (he didn't want to be captured by the Russians).
•He led the US development of military and space exploration rockets. Von
Braun was crucial in the effort to convince the US government to pursue a
landing of men on the moon, and guided US efforts to success.
•He led the development of the Saturn rockets, the only series of rockets ever
developed to have worked perfectly on every launch (that is, never blew up on
the pad). If he hadn’t been so successful, we may never have made it to the
moon.