Apropos „Asia-Pacific-6E“, der erste elektrisch angetriebene Satellit meines Landes: Es handelt sich alles um Satelliten. Was ist also dieses Mal neu?

Seit dem 23. Januar dieses Jahres, als der erste vollelektrisch angetriebene Satellit meines Landes, „Asia-Pacific 6E“, offiziell seine Reise mit elektrischem Antrieb und Bahnwechsel antrat, spielt der Satellit eine wichtige Kommunikationsrolle im Orbit. „Asia-Pacific 6E“ verwendet die Satellitenplattform Dongfanghong-3E mit einer geplanten Lebensdauer von 15 Jahren. Es ist mit 25 Ku-Band-Transpondern und 3 Ka-Band-Transpondern ausgestattet und verfügt über eine Kommunikationskapazität von über 30 Gbit/s. Sein erfolgreicher Start und Betrieb haben bei den Medien und Weltraumbegeisterten große Aufmerksamkeit erregt, da der Satellit über ein vollelektrisches Antriebskonzept verfügt. Was sind also die Vorteile von Satelliten mit elektrischem Antrieb?

Schematische Darstellung des Satelliten Asia-Pacific 6E (Foto bereitgestellt von der Fifth Academy of China Aerospace Science and Technology Corporation)

Elektrische Antriebstechnik bringt hohen spezifischen Impuls

Das elektrische Antriebssystem nutzt elektrische Energie anstelle chemischer Energie als Hauptantriebskraft des Satelliten. Es handelt sich dabei um die derzeit fortschrittlichste Antriebstechnologie für die Raumfahrt, die bei den großen Raumfahrtmächten zunehmend an Aufmerksamkeit und Beliebtheit gewinnt. Länder und Organisationen wie Russland, Europa, die Vereinigten Staaten und Japan investieren seit langem in elektrische Antriebssysteme im Luft- und Raumfahrtbereich, und europäische und amerikanische Länder setzen seit vielen Jahren elektrische Antriebstechnologie für kommerzielle Satelliten ein.

Der Grund für die Beliebtheit der elektrischen Antriebstechnologie liegt in ihren zahlreichen Vorteilen. Herkömmliche Raumfahrzeuge wie Satelliten verwenden hauptsächlich chemische Raketentriebwerke, die auf der Verbrennung von Treibstoff und Oxidationsmittel beruhen, um Schub zu erzeugen. Da chemische Kraftstoffe durch Faktoren wie die Energiedichte beschränkt sind, ist der motorspezifische Impuls nicht hoch. Der spezifische Impuls eines Raketentriebwerks entspricht dem Treibstoffverbrauch eines Automotors und ist ein wichtiger Indikator, der die Leistung von Triebwerken und Raumfahrzeugen begrenzt. Selbst große Motoren, die den energiereichsten flüssigen Wasserstoff als Kraftstoff verwenden und ein optimiertes Design implementieren, wie etwa der US-amerikanische RL10B-2-Motor, können nur einen spezifischen Impuls von 465 Sekunden erreichen.

Um die Umlaufbahn zu ändern, die Fluglage anzupassen und die Umlaufbahnhöhe aufrechtzuerhalten, müssen Satelliten große Mengen Treibstoff mitführen. Bei Kommunikationssatelliten, die herkömmliche Triebwerke mit chemischer Energie verwenden, besteht der Großteil des Gewichts aus Treibstoff. Der größte Vorteil der elektrischen Antriebstechnik ist der hohe spezifische Impuls, der durch die unterschiedlichen Arbeitsprinzipien entsteht. Selbst der Hall-Elektroantriebsmotor mit einem niedrigeren spezifischen Impuls kann im Allgemeinen einen spezifischen Impuls von mehr als 1500 Sekunden erreichen.

Ein hoher spezifischer Impuls bedeutet eine Reduzierung der mitzuführenden Treibstoffmenge und eine Erhöhung der Nutzlastkapazität, was für Raumfahrzeuge mit extrem hohen Startkosten von großer wirtschaftlicher Bedeutung ist und auch für die Satellitenkonstruktion enorme Vorteile mit sich bringt.

Elektrische Pusher werden hauptsächlich in zwei Kategorien unterteilt

Derzeit wird die weit verbreitete elektrische Antriebstechnologie hauptsächlich in zwei Kategorien unterteilt: Ionen-Elektroantrieb und Hall-Elektroantrieb. Der Ionenantrieb ist eine Art elektrostatischer Antrieb, d. h., das Arbeitsfluid wird in einem elektrostatischen Feld in Ionen und Elektronen zerlegt und zur Schuberzeugung werden Ionen mit hoher Geschwindigkeit ausgestoßen. Der Hall-Antrieb ist ein elektromagnetischer Antrieb, der den Hall-Effekt nutzt, um das Arbeitsfluid zu ionisieren und den Ionenausstoß zu beschleunigen, um Schub zu erzeugen.

Der Vorteil des Hall-Antriebs gegenüber dem Ionenantrieb liegt in seiner einfacheren Technik und Struktur, allerdings ist sein spezifischer Impuls bei gleichem technischen Niveau geringer. Sowohl die Vereinigten Staaten als auch die Sowjetunion haben elektrothermische Antriebe entwickelt und eingesetzt, bei denen elektrische Energie zum Erhitzen des Arbeitsmediums in einen Dampfstrahl verwendet wird, um Schub zu erzeugen, mit einem spezifischen Impuls zwischen chemischen Energiemotoren und Hall-Elektroantrieb. Obwohl die elektrische Heiztechnologie die einfachste und leichteste ist, ist ihr spezifischer Impulsvorteil nicht offensichtlich und sie wird heutzutage selten verwendet.

Der Hauptvorteil der elektrischen Antriebstechnologie besteht darin, dass der Motor einen hohen spezifischen Impuls hat. Sogar bei elektrothermischen Antrieben, wie etwa dem US-amerikanischen Lichtbogenantrieb MR-510, beträgt der spezifische Impuls etwa 600 Sekunden und ist damit viel höher als der spezifische Impuls von chemischen Energiemotoren. Der von der Sowjetunion/Russland entwickelte elektrische Hall-Antrieb im alten Stil, wie beispielsweise der weit verbreitete PPS1350G-Motor, hat einen spezifischen Impuls von 1660 Sekunden. Am Beispiel des altmodischen Ionenantriebs NSTAR, der in der US-amerikanischen Deep Space 1-Sonde verwendet wird, erreicht sein spezifischer Impuls 3100 Sekunden.

Heutzutage haben einige Länder eine neue Generation elektrischer Antriebsmotoren entwickelt. Der Hall-Elektroantrieb kann eine Dauer von über 3.000 Sekunden erreichen, und es gibt viele Beispiele für Ionen-Elektroantriebe, die eine Dauer von über 4.000 Sekunden erreichen können. Das fortschrittlichere Konzept von Magnetoplasma-Triebwerken und Magnetoplasma-Raketen mit variablem spezifischen Impuls kann sogar einen spezifischen Impuls von 6.000 Sekunden und 12.000 Sekunden erreichen.

Gemäß der Ziolkowski-Gleichung kann eine Erhöhung des triebwerksspezifischen Impulses das Nutzlast-Masse-Verhältnis exponentiell erhöhen. Beispielsweise transportiert ein geostationärer Kommunikationssatellit mit einem Gewicht von 4,8 Tonnen und einer geplanten Lebensdauer von 15 Jahren 3 Tonnen chemischen Treibstoff und Tanks. Bei Einsatz des ionenelektrischen Antriebs können 810 Kilogramm Treibstoff eingespart werden. Bei Verwendung einer vollelektrischen Antriebslösung kann das Gewicht des Satelliten auf weniger als 2 Tonnen reduziert werden.

Als erster Satellit meines Landes mit vollelektrischem Antrieb hat „Asia-Pacific 6E“ eine Körpermasse von nur etwa 2 Tonnen. Die Masse von Kommunikationssatelliten derselben Klasse, die herkömmliche Motoren mit chemischer Energie verwenden, beträgt im Allgemeinen etwa fünf Tonnen. Der Leistungsvorteil des Elektroantriebs ist also ziemlich offensichtlich.

Satellit Asia-Pacific 6E (Foto bereitgestellt von der Fifth Academy of China Aerospace Science and Technology Corporation)

Breite Anwendungsperspektiven

Derzeit verfügen die Vereinigten Staaten und Russland über die größte Ansammlung von Elektroantriebstechnologien sowie über die herausragendsten technischen Verfahren und kommerziellen Anwendungen. Insbesondere bei kommerziellen Kommunikationssatelliten in den USA ist der elektrische Antrieb zur Standardkonfiguration geworden.

Auch europäische Raumfahrzeughersteller haben verschiedene elektrische Antriebsmotoren eingeführt und unabhängig voneinander weiterentwickelt und eigene Satelliten mit elektrischem Antrieb entwickelt. Neben der Entwicklung herkömmlicher großer kommerzieller Kommunikationssatelliten hat Airbus Space and Defense auch OneWeb-Satelliten mit Elektroantrieb entwickelt. Bemerkenswert ist auch die elektrische Antriebstechnologie Japans. Aufgrund der geringen Wettbewerbsfähigkeit Japans im Bereich kommerzieller Kommunikationssatelliten spiegelt sich sein Ruhm hauptsächlich in Tiefenraumsonden wie Hayabusa wider.

Im Jahr 2012 wurde im von meinem Land gestarteten Satelliten Shijian-9 erstmals ein elektrischer Antrieb eingesetzt, wodurch die Lücke bei der Anwendung elektrischer Antriebstechnologie im Orbit meines Landes geschlossen wurde. Dieser Satellit ermöglichte unserem Land den Durchbruch und die Beherrschung der Ionen- und Hall-Antriebstechnologien. Wir erforschen und wenden derzeit aktiv die neue Antriebsgeneration und verschiedene Antriebstechnologien mit neuen Konzepten an.

Mit der sukzessiven Inbetriebnahme von Kommunikationssatelliten der Plattformen „Dongfanghong-4E“ und „Dongfanghong-3E“ sowie der Entstehung der Satellitenplattform Dongfanghong-5 haben sich die elektrisch angetriebenen Satelliten meines Landes allmählich zum Mainstream entwickelt.

Als derzeit fortschrittlichste und leistungsstärkste Antriebsmethode für Raumfahrzeuge stellt die elektrische Antriebstechnologie eine wichtige Entwicklungsrichtung in der Raumfahrtantriebstechnologie dar und hat sich allmählich zur Standardkonfiguration der neuen Satellitengeneration entwickelt. Gleichzeitig wird die elektrische Antriebstechnologie nicht nur zunehmend in verschiedenen kommerziellen Kommunikationssatelliten eingesetzt, sondern auch die Erforschung des Weltraums erfordert hohe Geschwindigkeitssteigerungen, ein Bereich, in dem die elektrische Antriebstechnologie ebenfalls ihre Stärken ausspielen kann.

Immer mehr Sonden aus den USA, vertreten durch die Sonden Deep Space 1 und Dawn, beginnen, elektrische Antriebstechnologie zu nutzen. Auch im Bereich der bemannten Raumfahrt, wo höchste technische Zuverlässigkeit im Vordergrund steht und bei der Anwendung neuer Technologien vergleichsweise konservativ vorgegangen wird, findet die elektrische Antriebstechnik Anwendung. Das Tianhe-Kernmodul meines Landes ist bereits mit einem elektrischen Antriebsmotor ausgestattet. Das Energiemodul der Lunar Gateway-Raumstation, die die USA bauen wollen, wird eine neue Generation leistungsstarker elektrischer Antriebsmotoren mit verbesserter Leistung verwenden.

Darüber hinaus planen die Vereinigten Staaten, elektrische Antriebsmotoren als Hauptantrieb für zukünftige bemannte Marserkundungskomplexe einzusetzen.

Natürlich ist die elektrische Antriebstechnologie kein Allheilmittel, das alle Probleme perfekt lösen kann. Obwohl elektrische Antriebsmotoren einen hohen spezifischen Impuls haben, sind sie durch die Stromversorgung und die Motorkonstruktion eingeschränkt und ihr Schub ist bei weitem nicht mit dem von chemischen Motoren vergleichbar. In Situationen, in denen hoher Schub, schnelle Reaktion und schnelle Flugbahnänderungen erforderlich sind, haben chemische Triebwerke immer noch viel zu bieten. (Autor: Zhang Xuesong)