Hall-Effekt-Antrieb mit 3D Schubvektorsteuerung

Abstract

Im Projekt "Hall-Effekt-Antrieb mit 3D Schubvektorsteuerung" wurde ein elektrisches Antriebssystem entwickelt und experimentell untersucht, das eine gezielte Beeinflussung des Schubvektors ohne bewegliche mechanische Komponenten ermöglicht. Ziel war es, die konventionelle Schubregelung von Hall-Effekt-Antrieben um eine integrierte Vektorsteuerung zu erweitern und zugleich die dafür notwendige Test- und Messinfrastruktur aufzubauen. Im Mittelpunkt stand ein Hall-Effekt-Antrieb mit segmentierter Anode, bei dem die Schubrichtung durch unterschiedliche Ansteuerung einzelner Segmente beeinflusst werden kann. Hierzu wurden sowohl segmentierte Massenstromverteilungen als auch segmentierte Spannungsbias-Konzepte untersucht. Zur Charakterisierung des Antriebs wurden umfangreiche experimentelle Arbeiten durchgeführt. Dazu gehörten der Aufbau und die Kalibrierung einer hochauflösenden Schubmessinfrastruktur zur Bestimmung von Gesamtschub und Kippmomenten sowie die Entwicklung einer zweidimensionalen Plasmadiagnostik zur Erfassung von Strahlprofil und Strahlablenkung. Die Ergebnisse zeigen, dass insbesondere die segmentierte Massenstromregelung eine reproduzierbare und gerichtete Ablenkung des Plasmastrahls ermöglicht. Die spannungsbasierte Aktuation konnte ebenfalls nachgewiesen werden, zeigte im untersuchten Aufbau jedoch eine geringere Steuerautorität. Neben der Vektorsteuerung wurde der Hall-Effekt-Antrieb umfassend hinsichtlich Leistungskennwerten, Strahldivergenz und Betriebsverhalten mit verschiedenen Treibgasen charakterisiert. Ergänzend wurde im Projekt ein miniaturisiertes kathodenloses RF-Antriebssystem konzipiert, aufgebaut und getestet. Dabei wurden alternative Antriebskonzepte für kleine Satelliten, verschiedene Magnetfeld- und Antennengeometrien sowie alternative Treibstoffe untersucht. Insgesamt wurden damit sowohl neue Erkenntnisse zur integrierten Schubvektorsteuerung von Hall-Effekt-Antrieben als auch zur Miniaturisierung elektrischer Antriebssysteme und zur Nutzung alternativer Treibstoffkonzepte gewonnen.