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Diagnostik

Für die Charakterisierung von Ionentriebwerken gibt es eine Reihe von etablierten diagnostischen Methoden, die in den Weltraum-Simulationsanlagen der Arbeitsgruppe zum Einsatz kommen.

 

  • Die Diagnostik des Treibstrahls gehört zu den wichtigsten Untersuchungen, da man dadurch auf den Schub des Triebwerks schließen kann. Die zu messenden Parameter sind die räumliche Ionenstrahlintensität sowie die Energie der Ionen. Dies geschieht z.B. durch Verwendung von Faraday-Cups, Gegenfeldanalysatoren (sog. retarding potential analyzer) oder andere elektrostatische Ablenker wie Parallel-Platten-Analysatoren
  • Für eine direkte Bestimmung des erzeugten Schubs kommen Schubwaagen zum Einsatz. Im Rahmen des EU-Projekts MINOTOR (Laufzeit: 2017-2019) wurde in Zusammenarbeit mit DLR Göttingen eine Schubwaage für den Schubbereich 0.2 bis 10 mN entwickelt. Die Schubwaage stellt physikalisch ein Pendel dar, welches über eine Voice-Coil in der Gleichgewichtslage gehalten wird. Durch den erzeugten Schub des Triebwerks, welches auf dem Pendel befestigt ist, kommt es zu einer Auslenkung aus dieser Gleichgewichtslage. Mittels einer schnellen Regelung des Voice-Coil-Stroms wird eine entsprechende Gegenkraft erzeugt, um das Pendel wieder ins Gleichgewicht zu bringen. Der dafür benötigte Spulenstrom ist direkt proportional zum Schub. Mittels einer im MINOTOR-Projekt entwickelten Kalibrationseinheit erhält man daher durch Messen dieses Stroms direkt den erzeugten Schub. Die Auslenkung des Pendels wird mittels eines Interferometers gemessen.
  • Zugang zum Plasmabereich eines Ionentriebwerks bekommt man z.B. durch optische Emissionsspektroskopie (OES). Hierfür sind eine Reihe von optischen Spektrometern im Einsatz, die typischerweise den Wellenlängenbereich von 300 bis 1000 nm abdecken. Die OES liefert Informationen über die Ladungszustände im Plasma und im Zusammenspiel mit theoretischen Modellen auch über Elektronentemperatur und Ladungsträgerdichten. Einen weiteren Zugang zum Plasma bekommt man mittels Langmuir-Sonden. Der Arbeitsgruppe stehen dabei sowohl kommerzielle Langmuir-Systeme als auch Eigenentwicklungen zur Verfügung.
  • Bei den Gießener RIT-Triebwerken ist die Effizienz der induktiven Leistungseinkopplung ein wichtiger Parameter, gerade auch im Hinblick auf die Modellierung von Plasmaeigenschaften. Hierfür muss der Phasenwinkel zwischen Spulenstrom- und spannung gemessen werden, was aus experimenteller Sicht kein einfaches Unterfangen ist, da z.B. Oszilloskop-Tastköpfe für Strom und Spannung bei den Anregefrequenzen der RIT-Spule nicht optimal funktionieren und zudem Laufzeitverzögerungen auftreten. Die Arbeitsgruppe verfügt über eine kommerzielles System (OctivPoly von Impedans), welches eine nicht-invasive Bestimmung des Phasenwinkels ermöglicht, sofern der elektrische Widerstand des Plasmas hinreichend groß ist.
  • Ionentriebwerke werden für lange Laufzeiten optimiert und sind u.U. hohen Belastungen ausgesetzt. Bei einem Gitter-Ionentriebwerk (GIE) erodiert z.B. das Extraktionsgittersystem mit der Zeit, was der maßgebliche Faktor ist, der die Lebensdauer eines GIE bestimmt. Materialinspektion ist daher eine wichtige Triebwerkdiagnostik. Zu diesem Zweck gibt es eine Reihe von optischen Inspektionsmöglichkeiten, z.B. mittels optischer 3D-Profilometrie sowie räumlich aufgelöster telezentrischer Mikroskopie.