Thermal- und Leistungsanalyse des µNRIT´s- 2.5 basierend auf 3D-Simulationen

Abstract

Die Studie in dieser Arbeit basiert auf der Untersuchung eines Radiofrequenzionentriebwerks (µNRIT-2.5), das unter Laborbedingungen in einem stationären thermischen Zustand arbeitet. Es handelt sich um eine Kombination aus theoretischen und experimentellen Untersuchungen.In dieser Arbeit werden zwei dreidimensionale Simulationsmodelle vorgestellt: ein elektromagnetisches und ein thermisches Modell.Mit diesen beiden Modellen ist es möglich, das Triebwerk ohne große Modifikationen und starke Vereinfachungen, wie sie in zweidimensionalen Modellen benötigt werden, zu simulieren und zu untersuchen.Das elektromagnetische Modell dient zur Leistungsanalyse innerhalb der einzelnen Komponenten des Triebwerks und des Plasmas. Mittels des thermischen Modells wird die vollständige Temperaturverteilung im Triebwerk bestimmt und analysiert.Des Weiteren wird ein analytisches Plasmamodell vorgestellt.Es wurden im stationären Zustand experimentelle Untersuchungen am Triebwerk durchgeführt, um Eingangsparameter für die Simulationen zu erhalten und die Modelle zu überprüfen.Weiterhin wird gezeigt, wie mit dem dargestellten Plasmamodell zusätzliche Plasmaparameter bestimmt werden können. Dies wird durch die Simulation des Plasmas im Triebwerk auf der Grundlage einiger Eingabeparameter erreicht. The study in this thesis is based on an investigation of a radio-frequency ion thruster (µNRIT-2.5) operating under laboratory conditions in a stationary thermal state. It is a combined theoretical and experimental investigation.In this thesis, two three-dimensional simulation models are presented: an electromagnetic and a thermal model.With the help of these two models it is possible to simulate and investigate the thruster without major modifications and strong simplifications, which are necessary in the commonly used two-dimensional models.The electromagnetic model is used for a performance analysis of the individual components of the thruster and the plasma. By means of the thermal model the complete temperature distribution in the thruster is determined and analysed.Furthermore, an analytical plasma model is presented.Experiments on the thruster in the stationary state were carried out in order to yield input parameters for the simulations, but also to verify the models. Furthermore it is demonstrated how additional plasma parameters can be obtained with the aid of the plasma model presented. This is achieved by simulating the plasma in the thruster based on a few input parameters only.