Quelle: NASA

Die Identifizierung von Möglichkeiten für die Industrie, diese neue Technologie zu nutzen, bringt nicht nur das Ziel der Kommerzialisierung von Technologien der NASA voran, sondern könnte auch einen Weg für die NASA schaffen, diese wichtige Technologie von der Industrie zu erwerben, um sie bei künftigen Planetenmissionen einzusetzen.

Die neue Technologie

Für planetarische Forschungsmissionen mit kleinen Raumfahrzeugen werden anspruchsvolle Antriebsmanöver erforderlich sein, wie z. B. das Erreichen planetarer Fluchtgeschwindigkeiten, das Erreichen einer Umlaufbahn und vieles mehr, die eine Geschwindigkeitsänderung (Delta-v) erfordern, die weit über den typischen kommerziellen Bedarf und den aktuellen Stand der Technik hinausgeht. Daher ist die wichtigste Technologie für diese kleinen Raumfahrzeugmissionen ein elektrisches Antriebssystem, das diese Manöver mit hohen Delta-v-Werten ausführen kann. Das Antriebssystem muss mit geringer Leistung (unter einem Kilowatt) arbeiten und einen hohen Treibstoffdurchsatz aufweisen (d. h. die Fähigkeit, eine hohe Gesamtmasse an Treibstoff über die gesamte Lebensdauer zu verwenden), um den für die Durchführung dieser Manöver erforderlichen Impuls zu ermöglichen.

Nach vielen Jahren der Forschung und Entwicklung haben die Forscher des Glenn Research Center (GRC) der NASA ein kleines elektrisches Antriebssystem für Raumfahrzeuge entwickelt, das diese Anforderungen erfüllt – das Sub-Kilowatt-Hall-Effekt-Triebwerk NASA-H71M. Darüber hinaus wird die erfolgreiche Kommerzialisierung dieses neuen Triebwerks bald mindestens eine derartige Lösung für die nächste Generation kleiner wissenschaftlicher Raumfahrzeugmissionen bieten, die ein Delta-v von bis zu erstaunlichen 8 km/s benötigen. Diese technische Meisterleistung wurde durch die Miniaturisierung vieler fortschrittlicher solar-elektrischer Hochleistungstechnologien erreicht, die im letzten Jahrzehnt für Anwendungen wie das Power and Propulsion Element von Gateway, der ersten Raumstation der Menschheit um den Mond, entwickelt wurden.

Vorteile dieser Technologie für die Erforschung der Planeten

Kleine Raumfahrzeuge, die die elektrische Antriebstechnologie NASA-H71M nutzen, werden in der Lage sein, eigenständig von der erdnahen Umlaufbahn (LEO) zum Mond oder sogar von einer geosynchronen Transferbahn (GTO) zum Mars zu manövrieren. Diese Fähigkeit ist besonders bemerkenswert, da kommerzielle Starts in den LEO und GTO zur Routine geworden sind und die überschüssigen Startkapazitäten solcher Missionen oft zu niedrigen Kosten verkauft werden, um sekundäre Raumfahrzeuge zu transportieren. Die Fähigkeit, Missionen von diesen erdnahen Umlaufbahnen aus zu starten, kann die Kadenz von Mond- und Marsforschungsmissionen deutlich erhöhen und die Kosten senken.

Diese Antriebsmöglichkeit wird auch die Reichweite von Sekundärnutzlasten erhöhen, die bisher auf wissenschaftliche Ziele beschränkt waren, die mit der Startbahn der Hauptmission übereinstimmen. Diese neue Technologie wird es den sekundären Missionen ermöglichen, erheblich von der Flugbahn der primären Mission abzuweichen, was die Erkundung eines breiteren Spektrums wissenschaftlicher Ziele erleichtern wird.

Darüber hinaus haben diese sekundären wissenschaftlichen Missionen in der Regel nur eine kurze Zeitspanne, um Daten während eines Hochgeschwindigkeitsvorbeiflugs an einem entfernten Körper zu sammeln. Diese größere Antriebskapazität wird eine Abbremsung und einen Orbitaleintritt bei Planetoiden für langfristige wissenschaftliche Studien ermöglichen.

Darüber hinaus sind kleine Raumfahrzeuge, die mit einer derartigen Antriebskapazität ausgestattet sind, besser in der Lage, Änderungen der Startflugbahn der Hauptmission in der Spätphase zu bewältigen. Solche Änderungen sind häufig ein großes Risiko für kleine wissenschaftliche Raumsonden mit begrenzten Antriebsmöglichkeiten an Bord, die von der ursprünglichen Startbahn abhängig sind, um ihr wissenschaftliches Ziel zu erreichen.

Kommerzielle Anwendungen

Die Megakonstellationen von kleinen Raumfahrzeugen, die sich jetzt in erdnahen Umlaufbahnen bilden, haben Hall-Effekt-Triebwerke mit geringer Leistung zum häufigsten elektrischen Antriebssystem gemacht, das heute im Weltraum eingesetzt wird. Diese Systeme nutzen den Treibstoff sehr effizient, was den Eintritt in die Umlaufbahn, den Abstieg aus der Umlaufbahn und viele Jahre lang die Vermeidung von Kollisionen und das Repositionieren ermöglicht. Das kostenbewusste Design dieser kommerziellen elektrischen Antriebssysteme hat jedoch zwangsläufig ihre Lebensdauer auf typischerweise weniger als ein paar tausend Betriebsstunden begrenzt, und diese Systeme können nur etwa 10 % oder weniger der ursprünglichen Masse eines kleinen Raumfahrzeugs an Treibstoff verarbeiten.

Im Gegensatz dazu könnten Planetenforschungsmissionen, die von der Technologie des elektrischen Antriebssystems NASA-H71M profitieren, 15.000 Stunden lang betrieben werden und über 30 % der ursprünglichen Masse des kleinen Raumfahrzeugs an Treibstoff verarbeiten. Diese bahnbrechende Fähigkeit geht weit über den Bedarf der meisten kommerziellen LEO-Missionen hinaus und ist mit einem Kostenaufschlag verbunden, der eine Kommerzialisierung für solche Anwendungen unwahrscheinlich macht. Daher suchte und sucht die NASA Partnerschaften mit Unternehmen, die innovative kommerzielle Konzepte für kleine Raumfahrzeugmissionen mit ungewöhnlich hohem Treibstoffbedarf entwickeln.

Ein Partner, der die von der NASA lizenzierte elektrische Antriebstechnologie bald in einer kommerziellen Anwendung für kleine Raumfahrzeuge einsetzen wird, ist SpaceLogistics, eine hundertprozentige Tochtergesellschaft von Northrop Grumman. Das MEP-Satellitenfahrzeug (Mission Extension Pod) ist mit einem Paar Northrop Grumman NGHT-1X-Halleffekt-Triebwerken ausgestattet, deren Design auf dem NASA-H71M basiert. Die große Antriebskapazität des kleinen Raumfahrzeugs wird es ihm ermöglichen, die geosynchrone Erdumlaufbahn (GEO) zu erreichen, wo es an einen weitaus größeren Satelliten angekoppelt werden soll. Nach seiner Installation wird der MEP als „Antriebs-Jetpack“ dienen, um die Lebensdauer seines Wirts-Satelliten um mindestens sechs Jahre zu verlängern.

Northrop Grumman führt derzeit einen Langzeit-Verschleißtest (LDWT) des NGHT-1X in der GRC-Vakuumanlage 11 durch, um seine volle Betriebsfähigkeit über die gesamte Lebensdauer nachzuweisen. Der LDWT wird von Northrop Grumman im Rahmen eines vollständig rückzahlbaren Space Act Agreements finanziert. Die ersten MEP-Satelliten sollen im Jahr 2025 starten und die Lebensdauer von drei GEO-Kommunikationssatelliten verlängern.

Die Zusammenarbeit mit der US-Industrie bei der Suche nach Anwendungen für kleine Raumfahrzeuge mit ähnlichen Antriebsanforderungen wie bei künftigen NASA-Planetenforschungsmissionen unterstützt nicht nur die US-Industrie dabei, weltweit führend bei kommerziellen Raumfahrtsystemen zu bleiben, sondern schafft auch neue kommerzielle Möglichkeiten für die NASA, diese wichtigen Technologien zu erwerben, wenn sie für Planetenmissionen benötigt werden.

Die NASA arbeitet weiter an der Optimierung der elektrischen Antriebstechnologien des H71M, um die Palette der Daten und Unterlagen zu erweitern, die der US-Industrie für die Entwicklung ähnlich fortschrittlicher und leistungsfähiger elektrischer Antriebe mit geringem Stromverbrauch zur Verfügung stehen.

Projektleitung

Dr. Gabriel F. Benavides, NASA Glenn Research Center (GRC)

Sponsoring-Organisationen

• Planetary Science Division – Planetary Exploration Science Technology Office (PESTO)
• Space Operations Mission Directorate – Commercial Space Capabilities Office (CSCO)
• Space Technology Mission Directorate – Game Changing Development (GCD) program
• Space Technology Mission Directorate – Small Spacecraft Technology (SST) program

Übersetzung DeepL.com / Stefan Goth

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• NASA

Der Beitrag Verschiebung der Grenzen der elektrischen Sub-Kilowatt-Antriebstechnologie zur Ermöglichung von Planetenerkundung und kommerziellen Missionskonzepten erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Axel Nantes. Quelle: Airbus Defence and Space, Raumfahrer.net, SES, SpaceX.

Um 22:27 Uhr UTC am 30. März 2017 erfolgte der Start der Falcon-9-Rakete von SpaceX mit dem Kommunikationssatelliten SES 10, Startmasse rund 5.300 Kilogramm, an Bord. Der Flug begann von der Startrampe 39A auf Cape Canaveral im US-Bundesstaat Florida. Für den transportierten Satelliten endete er mit dem Aussetzen auf der vorgesehenen Transferbahn, für die erste Stufe mit der erfolgreichen Landung auf der Seeplattform „Of course I still love you“.

Ob die neuartige Robotereinheit zur Sicherung der Raketenstufe zwischenzeitlich zum Einsatz kam, wurde bisher nicht bekannt. Das Gerät namens „Optimus Prime“ hat die Aufgabe, sich unter der gelandeten Stufe zu positionieren und zwischen sich, der Stufe und dem Deck der Plattform eine belastbare Verbindung herzustellen.

Ebenfalls noch nicht offiziell bekannt wurde, ob eine Rückführung der beiden Hälften der Nutzlastverkleidung zur Erde gelang. In Expertenkreisen war darüber spekuliert worden, ob die Hälften mittels Kaltgastriebwerken und steuerbarer Fallschirme weitestgehend unbeschädigt auf dem Meer gelandet bzw. vorher von Hubschraubern eingefangen werden könnten.

SES hat in einer Presserklärung mit Datum vom 30. März 2017 bekannt gegeben, das der Start von SES 10 gelungen sei. Der für einen Position bei 67 Grad West im Geostationären Orbit (GEO) vorgesehene Satellit wurde von Airbus Defence and Space gebaut und basiert auf dem Satellitenbus Eurostar E3000. Seine Auslegungsbetriebsdauer beträgt nach Angaben seines Herstellers mindestens 15 Jahre.

Zum Abbau der nach dem Start verbliebenen Bahnneigung gegen den Erdäquator und dem Erreichen einer annähernden Kreisbahn auf dem Niveau des GEO war der Satellit mit einem chemischen Triebwerk als Apogäumsmotor ausgestattet worden. Für Bahnerhalt und Manöver im GEO ist insbesondere die Nutzung von elektrischen Halleffekt-Triebwerken (HET), die Xenon ausstoßen, vorgesehen. Außerdem an Bord sind 14 zehn Newton starke Zweistofftriebwerke vom Typ S10-21 von Airbus Defence and Space.

Die Nutzung der Position bei 67 Grad West wird durch eine Vereinbarung zwischen SES und den Staaten der Andengemeinschaft (Comunidad Andina de Naciones, CAN) in Südamerika – Bolivien, Kolumbien, Ecuador und Peru – ermöglicht. Nach seiner Inbetriebnahme soll SES 10 Empfänger in Zentral- und Südamerika, in Mexiko und in der Karibik mit direkt ausgestrahlten Fernsehprogrammen versorgen sowie Mobilfunkdienste und Verbindungen für international agierende Organisationen und Unternehmen zur Verfügung stellen.

Kommentar von Tobias Willerding zum Start bei Raumfahrer.net (von vor dem Start)

• Kommentar: SES & SpaceX vor der Feuertaufe (29. März 2017)

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• SES-10 auf Falcon 9

Der Beitrag Aufstieg und Rücksturz – all ok für SpaceX und SES erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: ISRO, Keldysch, The New Indian Express.

Aktuell hofft die ISRO auf einen Start von GSAT 9 im Frühjahr 2017 auf der GSLV Mk. II mit der Flugnummer F09. An Bord des neuen Satelliten, der mit dem üblichen chemischen Apogäumsmotor und chemischen Triebwerken für Bahnkorrekturen und Lageregelung ausgerüstet sein wird, sollen elektrische Triebwerke als Alternative beim Bahnerhalt zum Einsatz kommen.

GSAT 4 war unter anderem mit zwei Hall-Effekt-Triebwerken des Typs KM-45 für den Ausstoß von Xenon mit einem Nominalschub von 17 Millinewton vom staatlichen russischen Forschungszentrum Keldysch aus Moskau ausgestattet gewesen. Ergänzt wurden sie durch zwei in Indien konstruierte Triebwerke mit einem Nominalschub von jeweils 13 Millinewton. Zusammen sollten sie zweieinhalb Jahre die Manöver zum Bahnerhalt in Nord-Süd-Richtung übernehmen.

Zur Steuerung und Kontrolle der elektrischen Triebwerke war ein G4-PPCS für „GSAT 4 power processing and control system“ genanntes System installiert. Der Speicherung von Xenon und der Versorgung der Triebwerke war eine als G4-XFS für „GSAT 4 xenon feed system“ bezeichnete Baugruppe gewidmet. 27 Kilogramm Xenon führte GSAT 4 in der Anlage mit.

Derzeit besitzen Satelliten der GSAT-Reihe mit Massen im Bereich zwischen 2 und 2,5 Tonnen Lebensdauern zwischen 10 und 12 Jahren. Mit Hilfe elektrischer Triebwerke soll sich die Einsatzdauer eines solchen Satelliten um bis zu 4 Jahre ausdehnen lassen, wenn keine chemischen Antriebssysteme mehr mitgeführt werden.

Bei den derzeitigen Satelliten macht getankter Treibstoff für chemische Triebwerke einen großen Anteil an der Startmasse aus. Die ISRO spricht von 40 – 50 Prozent. Wenn es nicht mehr erforderlich ist, solch eine große Menge chemischen Treibstoffs mitzuführen, sind für die dem Anwendungszweck des Satelliten gewidmete Anlagen und Geräte größere Massen möglich.

Die für GSAT 9 vorgesehenen Triebwerke vom Typ KM-88 sind fertig entwickelt. Ihr Entwurf erfolgte nach einem Aufrag aus Indien wiederum beim Forschungszentrum Keldysch, das zwischenzeitlich eine Anzahl von flugtauglichen Exemplaren nach Indien geliefert hat. An Bord von GSAT 9 – welcher auf dem indischen Satellitenbus I-2K aufgebaut ist – werden die Triebwerke mit einem Schub von 72 Millinewton nur für den Bahnerhalt verwendet werden, bei zukünftigen indischen Kommunikationssatelliten könnten sie alle anfallenden Antriebsaufgaben bewältigen.

Am Projekt beteiligt sind hauptsächlich das Satellitenanwendungszentrum der ISRO (ISRO Satellite Applications Centre, ISAC), das Zentrum für Flüssigkeitstriebwerkssysteme (Liquid Propulsion Systems Centre, LPSC) und das Vikram Sarabhai Raumfahrtzentrum (Vikram Sarabhai Space Centre, VSSC).

Für GSAT 9 ist eine Auslegungsbetriebsdauer von 12 Jahren vorgesehen. Während seiner aktiven Einsatzzeit soll der Satellit neben der Bereitstellung unterschiedlichster Kommunikationsverbindungen mit 12 K_u-Band-Transpondern auch eine Nutzlast für das indische System zur Unterstützung von GPS im Bereich Indiens durch zusätzliche Korrektursignale, GAGAN für „GPS Aided Geo Augmented Navigation“ genannt, an Bord betreiben.

Die kumulierte Nutzlastleistung wird auf rund 2,3 Kilowatt beziffert. Die Versorgung der Nutzlast und des raumflugtechnischen Teils von GSAT 9 mit elektrischer Energie erledigen nach Plan zwei Solarzellenausleger, die in Zeiten ohne ausreichende Sonneneinstrahlung durch Akkumulatoren unterstützt werden.

Als voraussichtliche Startmasse des dreiachstabilisierten Satelliten werden rund 2.330 Kilogramm genannt. Nach dem Start auf einer indischen Rakete des Typs GSLV Mk. II will man das Raumfahrzeug auf eine Position bei 48 Grad Ost im Geostationären Orbit (GEO) steuern, um von dort aus das gesamte indische Mutterland sowie die Inseln der Andamanen und Nikobaren zu erreichen.

Die Konstruktion des neuen Satelliten gleicht nach Angaben aus Indien im Wesentlichen der von INSAT 4C. Letzterer wurde bei einem Fehlstart auf einer GSLV-Rakete am 10. Juli 2006 zerstört.

Den am GSAT-9-Projekt beteiligten Institutionen, Wissenschaftlern und Ingenieuren ist zu wünschen, dass der Raketentyp GSLV bzw. GSLV Mk. II nach einer langen Entwicklungs- und Testperiode, die von zahlreichen Schwierigkeiten gekennzeichnet war, zwischenzeitlich so weit gereift ist, dass auch GSAT 9 ohne Störungen auf den geplanten Erdorbit gebracht werden kann.

Der Beitrag Indien: (Auch) Elektrischer Antrieb für GSAT 9 erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: Arianespace, CESBIO, CNES, Deagel, IAI, RAFAEL.

Anfang 2016 soll Arianespace die beiden Satelliten auf einer VEGA-Rakete von Kourou in Französisch Guayana aus in den Weltraum transportieren. Beide Satelliten basieren auf Grundkonstruktionen aus Israel und sind jeweils mit einem elektrooptischen Bilderfassungssystem ausgerüstet.

OPTSAT 3000 ist ein Produkt des Technologiekonzerns Israel Aircraft Industries (IAI), das über ein Konsortium aus Compagnia Generale per lo Spazio (CGS S.p.A. – ein Unternehmen der OHB AG) und dem italienischen Unternehmen Telespazio (ein Jointventure von Finmeccanica (67%) und TAS (33%)) für das italienische Verteidigungsministerium (Ministero della Difesa) nutzbar gemacht wird.

Das dreiachsstabilisierte Raumfahrzeug mit einer voraussichtlichen Startmasse von rund 400 Kilogramm basiert auf dem Satellitenbus IMPS 2. IMPS steht für Improved Multi Purpose Satellite und bedeutet so viel wie verbesserter Mehrzwecksatellit. Für Italien erfüllt OPTSAT 3000 wahrscheinlich die Funktion eines Lückenfüllers, bis ein Zugriff auf Bilder anderer neuer Satelliten möglich ist.
Der geplante Einsatzorbit für OPTSAT 3000 ist ein sonnensynchroner in rund 600 Kilometern Höhe über der Erde. Bei vertikalem Blick nach unten ermöglicht das optische System an Bord dann die Erkennung von Objekten ab 50 Zentimetern Durchmesser.

Die Kamera mit der Bezeichnung JUPITER und einer Brennweite von 15,6 Metern kommt von der Electro-Optical Industries Ltd. (El-Op Ltd.) aus Haifa in Israel. Ihre Masse liegt bei 120 Kilogramm, ihr maximaler Stromverbrauch bei 200 Watt.

Personal von Telespazio wird den Start und die Inbetriebnahmephase von OPTSAT 3000 in einem Kontrollzentrum von IAI in Tel Aviv in Israel betreuen. Beim Abschluss der Inbetriebnahme und der Beendigung der Tests im All soll der Erdtrabant von einem Kontrollzentrum im italienischen Fucino überwacht und gesteuert werden. Die Auslegungsbetriebsdauer von OPTSAT 3000 liegt bei mindestens sechs Jahren.

VENµS (Vegetation and Environment monitoring on a New MicroSatellite) ist ebenfalls eine Konstruktion von IAI und entsteht auf Grundlage des Satellitenbus IMPS alias OPTSAT 2000. Der Start dieses dreiachsstabilisierten Satelliten war ursprünglich einmal auf einer Rakete des Typs Dnepr vorgesehen und für 2008 oder 2009 geplant. Später war die Nutzung einer indischen PSLV in Betracht gezogen worden, dann auch ein Start auf einer Falcon 1E sowie später eine Mitfluggelegenheit auf einer Falcon 9 oder einer Sojus-Rakete.

Betreiben wollen VENµS die beiden Raumfahrtagenturen aus Frankreich (Centre national d’études spatiales, CNES) und Israel (Israel Space Agency, ISA). Die Zusammenarbeit hinsichtlich VENµS hatte man mit einer Vereinbarung im April 2005 begonnen.

Die voraussichtliche Startmasse von VENµS liegt im Bereich von 300 Kilogramm (ältere Auslegungen 230 und 250 Kilogramm). Das näherungsweise zylinderförmige Raumfahrzeug ist rund 1,6 Meter hoch und besitzt einen Durchmesser von rund 1,2 Metern. Als Auslegungsbetriebsdauer finden sich Zeiträume von 3,5 bzw. 4,5 Jahren.

Eine erste zwei Jahre dauernde Einsatzperiode hat VENµS als Demonstrator für das europäische Programm GMES (Global Monitoring for Environment and Security) bei einer Bahnneigung von 98,27 Grad in einer Flughöhe von 720 Kilometern über der Erde zu absolvieren. Nach dieser wissenschaftlichen Aufgaben dienenden Betriebsphase ist eine weitere von einem Jahr vorgesehen, die technologischen Untersuchungen dient und in geringerer Flughöhe 420 Kilometer über der Erde zu erledigen ist.
Die erste Einsatzperiode gilt dem Betrieb einer Multispektralkamera für die Beobachtung der Erdoberfläche und der Atmosphäre. Sie besitzt 12 schmalbandige Abtastbereiche zwischen 400 und 920 Nanometern. Die Aufteilung in einzelne Frequenzbänder entspricht spezialisierten Beobachtungsaufgaben wie der Untersuchung der Vegetation und der Wasserqualität und umfasst auch Bandbereiche, die man zur Gewinnung von Korrekturdaten und der Überprüfung der Bildqualität nutzen will.

Die erwartete Auflösung der Kamera mit einer Masse von rund 43,5 Kilogramm liegt im Bereich von zehn Metern, für bessere Werte im Bereich von drei Metern könnten Mehrfachabtastung und Verwendung von Korrekturdaten sorgen.

In der zusätzlichen Einsatzperiode geht es um Tests eines in Israel von RAFAEL entworfenen elektrischen Antriebssystems, das auch die Bahnabsenkung durchführen muss. Sogenannte IHETs (Israeli Hall Effect Thruster) mit einem Schub von 15 Millinewton sollen auf ihre Weltraumtauglichkeit hinsichtlich der Fähigkeit zur effektiven Bahnkorrektur auf niedriger Umlaufbahn untersucht werden. Außerdem möchten man prüfen, in wie weit ihr Einsatz eine Mission zur Bilddatengewinnung in niedriger Umlaufbahn mit hohem Atmosphärenrestwiderstand realisierbar machen würde.
Das Arbeitsmedium für die IHETs vom Typ IHET-300W ist Xenon. Ein entsprechender Tank an Bord von VENµS wird 16 Kilo des Edelgases enthalten. Das Stromversorgungssystem von VENµS kann an beide IHETs zusammen maximal rund 600 Watt elektrische Energie liefern. Für alle Bordsysteme zusammen stehen maximal rund 800 Watt zur Verfügung, die zwei Solarzellenausleger liefern müssen.

Der Beitrag VEGA für OPTSAT 3000 und VENµS gebucht erschien zuerst auf Raumfahrer.net.