Entwicklung und Aufbau eines Radiofrequenzgenerators zur Versorgung und elektrischen Charakterisierung induktiv-gekoppelter Plasmen in Radiofrequenz-Ionentriebwerken

Abstract

In dieser Arbeit wird die Entwicklung und der Prototypenaufbau eines Radiofrequenzgenerators zur Versorgung induktiv-gekoppelter Plasmen in Radiofrequenz-Ionentriebwerken vorgestellt. Mithilfe eines resonanten Schaltungskonzepts ist der entwickelte Generator in der Lage, in einem Frequenzstellbereich von 500 kHz bis 3,5MHz sinusförmige Ausgangsströme zu erzeugen. Bei Nutzung geeigneter Kühlungsmaßnahmen sind Ausgangsleistungen bis in den Kilowatt-Bereich möglich.Um die in das Plasma eingekoppelte Leistung zu maximieren, muss sich der Generator kontinuierlich auf die veränderlichen Entladungsbedingungen abstimmen. Dazu kommt ein eigens entwickelter Regelalgorithmus zum Einsatz. Entgegen gängiger Steuerungskonzepte für Hochfrequenzanwendungen - welche typischerweise auf analoger Schaltungstechnik beruhen - findet hier eine digitale Implementierung der Regelung auf FPGA-Basis Anwendung. Dadurch kann die Radiofrequenzerzeugung im laufendem Betrieb innerhalb weniger Schwingungsperioden auf veränderte Lastbedingungen eingestellt und eine zuverlässige Versorgung der induktiv-gekoppelten Entladung gewährleistet werden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, die vom Generator abgegebene Leistung ohne Wirkungsgradverringerung hochdynamisch anzupassen. Hiermit lässt sich der vom Triebwerk erzeugte Schub binnen Mikrosekunden variieren - eine Eigenschaft die vor allem für Missionen mit hochgenauen Lageregelungsanforderungen interessant erscheint. Zudem ist durch die hohe Flexibilität einer digitalen Realisierung eine kontinuierliche Anpassung und Erweiterung der Regelungs- und Steuerungsfunktionen möglich.Die Funktionalität des Prototypenaufbaus wird anhand der Versorgung eines RIM-4 Triebwerks verifiziert. Ferner kann so eine elektrische Charakterisierung des Triebwerks - abhängig vom Arbeitspunkt der induktiv-gekoppelten Gasentladung und der Konfiguration des Generators - erfolgen. Dabei hat sich gezeigt, dass die Wahl der Betriebsfrequenz besonders bei hohen Gasmassenflüssen einen entscheidenden Einfluss auf den Leistungsbedarf des Triebwerks hat. Für die elektrische Effizienz des Triebwerk-Gesamtkonzepts spielt der Wirkungsgrad der Radiofrequenzerzeugung und -übertragung in die Induktionsspule des Triebwerks eine maßgebliche Rolle. Im direkten Vergleich mit einem konventionellen, analog geregelten Radiofrequenzgenerator konnten die Vorteile der digital implementierten Regelung durch eine höhere Effizienz der Radiofrequenzerzeugung unter Beweis gestellt werden. Zudem kann mithilfe der experimentell gewonnen Erkenntnisse für alle Betriebsbereiche des Triebwerks die jeweils optimale Generatorkonfiguration identifiziert werden.