Antriebsarten

Antriebsarten
Werner W. Weiss
SS 2007
Spezifischer Impuls
Spezifischer Impuls [sec] zur Bewertung von Treibstoffen
definiert über:
ce
I sp =
go= 9.80665 m/s²
g0
ce ce ⋅ β
Schub F
=
=
g0 g0 ⋅ β ausgestoßenes Treibstoffgewicht / sec
I sp = k
March 07
To / M
Proportionalitätskonstante
Brennkammertemperatur
mittleres Molekulargewicht
W. Weiss: Weltraumastronomie SS07
k = k(κ, p/po)
To
M
2
Chemische Treibstoffe
n
Einstoffsysteme (Monergole) ¯ Lageregelung
metastabile Treibstoffe produzieren Heißgase über Katalysatoren
Hydrazin (N2H4, Stickstoff-Tetroxyd)
3N2H4 → (Ir dispergiert auf Al) → 4NH3 + N2 + Etherm
l 40%
4NH3 → 2N2 + 6H2
klare Flüssigkeit, giftig, Hautverbrennungen,
stabil bis 150°C, Gefrierpunkt bei 2°
Wasserstoffperoxyd (H2O2), üblicherweise 95% konzentriert
instabil über 140°C
n
Zweistoffsysteme (Diergole) ¯ Hauptantriebe
Druck- oder Pumpenförderung
Rückkopplung zw. Reaktionskinetik + akustische Schwingungen
(2000 - 5000 Hz, 30 - 70% von po)
March 07
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3
chemische Treibstoffe II
Schmelz- Siedepkt.
Brennstoffe (F):
ρ
pDampf
K
K
g/cm³
ata
Wasserstoff
H
14
20.2
0.071*
0.069*
Äthylalkohol
C2H5OH
158.6
351.7
0.79
0.058
Kerosin (RP-1)
CH1,95-2
233
473
0.80
0.0013
215
354
0.79
0.162
O
54.4
90.2
1.14*
0.5*
Stickstoff-Tetroxyd
N2O4
261.9
294.2
1.45
0.94
Salpetersäure
HNO3
231.5
559.0
1.57
0.063
unsymm. Dimethylhydrazin
UDMH
(CH3)2N2H2
Oxydatoren (O):
Sauerstoff
* ... am Normaldruck Siedepunkt
March 07
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4
chemische Treibstoffe III
Mischgsverh.
ρ
To
O/F
g/cm³
K
4.02
0.28
3573
5
0.32
Sauerst./Kerosin
2.56
1.02
Sauerst./UDMH
1.67
Sauerst./Äthylalkh.(75%)
Kombination
Sauerst./Wasserstoff
Isp (s)
Boden* Vakuum#
391
451
388
450
3673
300
348
0.97
3608
310
363
1.45
1.01
3233
279
324
N2O4 / UDMH
2.61
1.18
3450
285
333
N2O4 / Hydrazin
1.54
1.22
3215
292
339
287
335
N2O4 / 50% UDMH + 50% Hydrazin
1.9
1.2
*... po/pe = 68; #... Ae/As = 30
March 07
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5
chemische Treibstoffe IV
n
Festtreibstoffe
Oxydator (ca. 80%): Ammoniumperchlorat (AP: NH4ClO4) oder
Ammoniumnitrat (AN: NH4NO3) als
Brennstoff + Binder: Kunststoffe (Polybutadien, PB; Polyurethan
PU; Polyacrylnitril, PA)
Zusätze von Stabilisatoren + Abbrandkatalysatoren
Detonation bei ca. 200 - 700 bar, erlöschen bei 5 - 30 bar
dm
= k ⋅ ρ ⋅ A c ⋅ pno
dt
March 07
empirisches Abbrandgesetz
k
ρ
Ac
po
n
0.2 - 8 mm/s
Treibgasdichte
Treibstoffoberfläche
Treibstoffdruck
0.1 -0.8 (< 1 damit stabil)
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6
Feststoffantrieb
PAM-STS Star 48
Steuerung des
Schubkraftverlaufes
durch Querschnittsänderungen
March 07
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7
Feststoffantrieb II
n
Schwarzpulver mit Isp ca. 100 s
China: ältesten Aufzeichnungen aus 13 Jh.
(Salpeter:Schwefel:Holzkohle = 1:1:1)
n
Nobel 1879: rauchloses Schießpulver
n
Goddard 1918: Nitroglyzerin/Nitrozellulose
n
1942: Galcit 53 erster heterogener
Festtreibstoff mit hoher Leistung
March 07
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8
Thermonuklearer Antrieb
c∞ =
2 κ RT0
⋅
κ −1 M
Masse über Treibstoff - Ekin über Reaktor
z.B.: To = 2500K, molekularer Wasserstoff
c∞ =
2 ⋅ 1.4 8.317 ⋅ 107 (erg) ⋅ 2500
⋅
= 8.5 km / s
0.4
2 (g / mol)
bei p0/pe = 100; (Ae/As = 8.13) ¯ ce/c∞ = 0.86 ¯ ce = 7.3 km/s ({=7.9)
Isp = 740 s ! Trotz kleinem To, aber wegen kleinem M (18 für H2O, z.B.)
Höhere T durch Lichtbogen (Strom durch Reaktor):
To,eff = 5000K ¯ c∞ = 12 km/s ¯ ce = 10.3 km/s
Ekin = mH2c²/2 = 2·1.67·10-24·(1.2 ·106)²/2
Ekin = 2.4·10-12 erg = 1.5 eV (bescheiden ¯ Ionenantrieb)
March 07
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9
Ionenantrieb
Ionen als Treibstrahl ¯ Neutralisierung des Aggregates nötig
Ekin
mc 2e
=
= eU
2
F = ce ⋅β
2⋅Z ⋅e ⋅U
ce =
mIon
z.B. mit U = 5000 V, Cs+ ¯ ce = 85 km/s
(Z·e = 1·1.6 ·10-19 As; mI = 2.2 ·10-25kg
Teilchenfluß bei Strom I
I
¯I/(Ze) ¯ Durchsatz: β = mIon
Z⋅e
F = 2UI
March 07
mIon ⋅ I
Ze
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10
Ionenantrieb II
F = 2UI
wenn β konstant über
Brenndauer:
mIon ⋅ I
Ze
Treibstoff
mT
β=
=
Brenndauer
tB
mT
F = 2UI
tB
March 07
const
ua. von mI !
leichter: U↑, I↓
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11
Ionenantrieb III
Antrieb
ve
Ionenstrahl
% wirksamer Treibstoff
March 07
10mN
30 km/s
160 mA
0.87
Aufwand / Ion in Strahl
(ohne Ekin)
UAnode
Entladungsstrom
el. Gesamt-Wirkungsgrad
el. Gesamtleistung
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245 eV/ Ion
42 V
1.0 A
0.74
230 W
12
spezif. Impulse
1 Saturn V / Apollo
2 Ariane V + Boosters
3 Proton
4 Space Shuttle
5 Delta 7925
6 PAM STS Star 48
7 Ariane V (Vulcan)
8 Nerva (nuclear/thermisch)
March 07
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13
Fusionsantrieb
4p ⇒ He24 + 2e + 2ν + ∆E (25 MeV )
∆E ¯ Ekin (He) (mHe = 6.69·10-24g)
2∆E
2 ⋅ 25 ⋅ 106 ⋅ 1.6 ⋅ 10 −12
ce =
=
= 34 600 km / s
−
24
mHe
6.69 ⋅ 10
ca 12% c
March 07
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1 − β2 = 0.994
14
Photonenantrieb
ce = c
Photonenimpuls = hν/c
Bei Photonenleistung W ¯ F = W/c
Scheinwerfer: 300W (3·109 erg/s) ¯ F = 0.1 dyn
March 07
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15
Vergleich Antriebe
vehicle thrust-to-weight ratio
March 07
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16
Antriebsarten
March 07
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17
nächstes: Ballistik
March 07
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