Numerische Simulation zur Auslegung eines magnetoplasmadynamischen Triebwerks mit überlagertem koaxialem Magnetfeld

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Monika Auweter-Kurtz
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2005 bis 2008
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5448009

• Erstellungsjahr: 2008

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Magnetoplasmadynamische (MPD) Triebwerke sind langfristig viel versprechende Kandidaten beispielsweise für interplanetare Raumfahrtmissionen mit hohem Antriebsbedarf. Durch das Anlegen eines externen Magnetfeldes kann bei diesen Triebwerken, die dann als Fremdfeld–MPD–Triebwerke bezeichnet werden, der Wirkungsgrad deutlich gesteigert werden. Derzeit sind noch keine einsatzfähigen Fremdfeld–MPD–Triebwerke verfügbar. Die Optimierung der Triebwerke ist aufgrund komplexer plasmaphysikalischer Vorgänge sehr schwierig. Daher erscheint eine Unterstützung der Untersuchung von Fremdfeld–MPD–Triebwerken durch numerische Simulationen sinnvoll, um das Verständnis für die Beschleunigungsmechanismen, die teilweise experimentell nur sehr schwierig zu erfassen sind, zu verbessern sowie die mit den experimentellen Untersuchungen verbundenen Kosten zu senken. Im Rahmen dieses Projekts wurde ein solches Simulationsverfahren implementiert. Das Verfahren SAMSA (Self and Applied field MPD Simulation Algorithm) ermöglicht eine Modellierung von Fremdfeld–MPD–Triebwerken, die mit Argon als Treibstoff betrieben werden. Bei der Implementierung des Verfahrens wurde darauf Wert gelegt, dass Variationen der Triebwerksgeometrie und auch der Geometrie des externen Magnetfeldes sehr einfach berücksichtigt werden können. SAMSA ist bezüglich seiner Leistungsfähigkeit im internationalen Umfeld im oberen Bereich anzusiedeln, im nationalen Umfeld ist kein vergleichbares Verfahren bekannt. Die Implementierung des physikalischen Modells und der verwendeten numerischen Methoden in SAMSA konnten durch Vergleichsrechnungen mit verfügbaren publizierten Daten für den oberen prognostizierten Bereich von Treibstoffmassenströmen bzw. Teilchendichten und Entladungsströmen validiert werden. Probleme in der Stabilität und Konvergenz traten allerdings im Bereich niedriger Dichten auf, die im Rahmen dieses Projekts letztlich nicht zufriedenstellend gelöst werden konnten. Neben der Entwicklung des numerischen Verfahrens wurde im Rahmen dieses Projekts ein Labormodell eines stationär betriebenen Fremdfeld–MPD–Triebwerks entwickelt und gebaut. An diesem Triebwerk sollten experimentelle Untersuchungen durchgeführt werden, die eine Datenbasis zur Validierung von SAMSA darstellen sollten. Das Triebwerk wurde erfolgreich in Betrieb genommen. Allerdings trat ein thermisches Versagen am Triebwerk auf, welches wahrscheinlich auf einen Fertigungsfehler zurückzuführen war. In Folge dessen waren Reparaturen am Triebwerk notwendig, die eine Durchführung des Versuchsprogramms in der Projektlaufzeit nicht mehr erlaubten. Aufgrund der durch das Versagen des Triebwerks gewonnenen Erfahrungen, wurde auch das Triebwerksdesign verbessert, um die Gefahr eines zukünftigen thermischen Versagens zu verringern. Im europäischen Raum werden derzeit nur am IRS stationär betriebene Fremdfeld–MPD–Triebwerke untersucht. Das im Rahmen dieses Projekts entwickelte Labormodell stellt daher einen wichtigen Baustein dar, um die Forschung und Optimierung der Triebwerke in Zukunft voran zu bringen. Die Stabilitäts– und Konvergenzprobleme im numerischen Verfahren werden derzeit genauer untersucht, um SAMSA weiter verbessern zu können. Das Ziel dabei ist, auch bei sehr geringen Teilchendichten im Rechengebiet gute Ergebnisse erzielen zu können. Die experimentellen Untersuchungen, die am Labormodell im Arbeitsplan vorgesehen waren, werden nachgeholt werden. Die experimentellen Daten sind notwendig, um SAMSA validieren zu können. Die numerischen und experimentellen Daten sollen dann für eine Optimierung des Triebwerksdesigns genutzt werden. Es ist geplant, die weitere Untersuchung von Fremdfeld–MPD–Triebwerken auch im Rahmen von Kooperationen fortzuführen. Das erste Vorhaben ist ein ESA–Projekt, dessen Ziel die Entwicklung eines Design–Modells eines 100 kW Fremdfeld–MPD–Triebwerks ist. Innerhalb des geplanten zweiten Projekts, das unter Förderung der EU durchgeführt werden soll, ist eine umfassendere Untersuchung von elektrischen Antriebssystemen und dazu gehörenden Energieversorgungssystemen für Missionsszenarien mit hohem Antriebsbedarf geplant. Während für mittelfristige Missionsszenarien aufgrund ihres Entwicklungsgrades eher Hallionentriebwerke als mögliche Kandidaten für das Antriebssystem gesehen werden, erfolgt die Untersuchung von magnetoplasmadynamischen Antriebssystemen in diesem Projekt unter dem Aspekt einer langfristigen Perspektive für Antriebe hoher Leistung. Neben der Simulation von Fremdfeld–MPD–Triebwerken hat sich das numerische Verfahren SAM-SA auch für die Untersuchung magnetohydrodynamischer Beeinflussung von Plasmen als geeignet erwiesen. Eine mögliche Anwendung ist hierbei die Entwicklung neuer Hitzeschutzkonzepte für Wiedereintrittsfahrzeuge. Diese Einsatzmöglichkeit von SAMSA soll in Zukunft auch weiter untersucht werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Development of an Applied Field Magnetoplasmadynamic Thruster Design Supported by Numerical Simulations at IRS, IEPC–2005–059, 29th International Electric Propulsion Conference, Princeton, New Jersey, USA, 2005
  Daniel Haag, Monika Auweter–Kurtz, Markus Fertig, Helmut Kurtz
  
• Entwicklung von Magnetoplasmadynamischen Antriebssystemen am IRS, Institut für Raumfahrtsysteme, Universität Stuttgart, DGLR Tagung, Friedrichshafen, 2005
  Michael Winter, Monika Auweter–Kurtz, Markus Fertig, Daniel Haag, Georg Herdrich, Manfred Hartling, Helmut Kurtz, Anuscheh Nawaz
  
• Numerical and Experimental Investigations of Magnetoplasmadynamic Thrusters with Coaxial Applied Magnetic Field, AIAA– 2006–5015, 42nd AIAA / ASME / SAE / ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, Sacramento, CA, USA, 2006
  Daniel Haag, Monika Auweter–Kurtz, Markus Fertig, Helmut Kurtz
  
• Analysis of the Influence of Permanent Magnets on Argon Plasma Flow, Journal of Institute of Applied Plasma Science, Vol. 15 No. 2, pp. 149-155, Dezember 2007
  Andreas Knapp, Daniel Haag, Markus Fertig, Georg Herdrich, Monika Auweter–Kurtz
  
• Current Electric Propulsion Development Program at IRS, IAC–07–C4.4.05, 58th International Astronautical Congress, Hyderabad, Indien, 2007
  Georg Herdrich, Monika Auweter–Kurtz, Uwe Bauder, Markus Fertig, Daniel Haag, Helmut Kurtz, Anuscheh Nawaz, Dagmar Bock, Hans–Peter Röser, Michael Winter
  
• Experimental Investigations of Magnetoplasmadynamic Thrusters with Coaxial Applied Magnetic Field, IEPC–2007–141, 30th International Electric Propulsion Conference, Florenz, Italien, 2007
  Daniel Haag, Monika Auweter–Kurtz, Markus Fertig, Georg Herdrich, Helmut Kurtz, Michael Winter
  
• Investigation of the Interaction between a Magnetic Probe Body and Argon Plasma, AIAA–2007–4133, 39th AIAA Thermophysics Conference, Miami, Florida, 2007
  Andreas Knapp, Monika Auweter–Kurtz, Markus Fertig, Daniel Haag, Georg Herdrich
  
• Numerical Simulations of Magnetoplasmadynamic Thrusters with Coaxial Applied Magnetic Field, IEPC–2007–138, 30th International Electric Propulsion Conference, Florenz, Italien, 2007
  Daniel Haag, Monika Auweter–Kurtz, Markus Fertig
  
• Analysis of Argon Plasma Jet around Blunt and Cone Probe Body, Journal of Institute of Applied Plasma Science, Vol. 16 No. 1, Juni 2008
  Norifumi Ono, Andreas Knapp, Daniel Haag, Markus Gertig, Georg Herdrich
  
• Numerical Simulations and accompanying Experimental Investigations of Magnetoplasmadynamic Thrusters with Coaxial Applied Magnetic Field, SPC–2008–123, Space Propulsion Conference, Heraklion, Kreta, Grichenland, 2008
  Daniel Haag, Monika Auweter–Kurtz, Markus Fertig, Georg Herdrich