Selbstkonsistente numerische 1D/3D Hybridmodellierung von Radiofrequenz-Ionentriebwerken

Abstract

In dieser Arbeit wird ein numerisches Simulationsmodell für Radiofrequenz-Ionentriebwerke vorgestellt, das neben eindimensionalen Modellen zur Beschreibung des Plasmas ein vollwertig dreidimensionales elektromagnetisches Modell nutzt, wodurch komplexe Induktionsspulengeometrien bei gleichzeitig kurzer Simulationsdauer untersuchbar werden. Neben der Implementierung der Teil- sowie des Gesamtmodelles werden auch experimentelle Verifikationen gezeigt, die die physikalisch korrekte Arbeitsweise des Modells unterstreichen. Mit Hilfe des vorgestellten Modells wird ein Virtual-Prototyping Werkzeug bereitgestellt, mit dessen Hilfe sowohl strukturelle (Entladungsgefäß- und Spulengeometrie) als auch arbeitspunktabhängige (bestehend aus extrahiertem Ionenstrom, Extraktionsspannungen sowie Volumenstrom des Arbeitsgases) Parametersätze evaluiert werden können. Sowohl die elektrischen Ersatzschaltbildparameter aus Sicht eines Generators als auch die resultierende Performance des Triebwerks, d. h. Antriebsvermögen und zugehörige Wirkungsgrade, können aus dem Modell gewonnen werden. Damit wird eine Optimierung der triebwerkseigenen Performance bei gleichzeitiger Evaluierung der sich dadurch ändernden elektrischen Lastsituation, die auf einen Generator wirkt, ermöglicht. Der Gesamtwirkungsgrad, welcher durch Triebwerk und Generator definiert ist, kann deshalb durch geeignete Regelungsmaßnahmen stets optimiert werden.Ein wichtiger Optimierungspunkt für kommerzielle Radiofrequenz-Ionentriebwerke, welcher mit Hilfe des Modells herausgefunden und untersucht werden konnte, ist die Induktionsspule. Mit einer alternativen Geometrie, basierend auf der einer gegenläufig gewickelten Bifilarspule, lässt sich eine effizientere Plasmaheizung bei gleichzeitiger Verringerung des benötigten elektrischen Stroms im Vergleich zur normalen spiralförmigen Spulenform erreichen. Neben allen durchgeführten Performancestudien wurden stets die Gültigkeitsbereiche des Modells evaluiert. Kommerzielle Radiofrequenz-Ionentriebwerke mit typischen geometrischen Ausdehnungen lassen sich problemlos mit dem vorgestellten Modell simulieren. A numerical simulation model for radio-frequency ion thrusters is proposed in this work. It consists of one-dimensional models that describe the plasma under fluid assumptions as well as a three-dimensional model that predicts the electromagnetic fields which are coupled to the plasma by a volume-averaged plasma conductivity. This three-dimensional model facilitates complex coil geometries while keeping simulation duration fairly short. Furthermore, experimental verifications of the models are shown. With aid of the proposed model, a virtual prototyping toolbox is provided that can be used to examine structural (ionizer and coil geometry) as well as signaling influences (extracted ion beam current, extraction voltages, and input propellant mass flow). A corresponding electrical equivalent circuit is then derived for each point of operation that predicts the electrical characteristics of the thruster as seen by the radio-frequency generator that powers the coil and thus the discharge. Additionally, the propulsive performance, in terms of specific impulse and mass and electrical efficiency, respectively, is obtained. Hence, the model can be used to improve the thruster efficiency while evaluating the improvements´ influence on its electrical characteristics. With this functionality, a total efficiency defined by thruster and generator can iteratively be optimized. The model has furthermore been used to determine an optimized induction coil geometry for more efficient power coupling. The optimized geometry is based on a reversed bifilar winding of the coil. With this kind of coil the heating of the plasma is more efficient since it occurs dominantly in the azimuthal plane. Additionally, the current needed to sustain the plasma discharge can be significantly decreased which is a major benefit in terms of thermal management.Corresponding to each performance study the model´s validity has also been evaluated which led to the result that commercial radio-frequency ion thrusters with typical geometrical characteristics can easily be evaluated using the proposed model.