Impulsanalyse beim luftatmenden gepulsten laser-thermischen Antrieb mit parabolischer Reflektordüse für Raumfahrtanwendungen

Kurzfassung

Die vorliegende Arbeit behandelt experimentelle Untersuchungen zum laser-thermischen Antrieb für Raumfahrtanwendungen. Sie wurden am CO2-Hochenergielaser des Instituts für Technische Physik des DLR in Stuttgart durchgeführt. Im Mittelpunkt steht eine reflektierende parabolische Düse („Lightcraft“), in der durch fokussierte Laserstrahlung ein Luftdurchbruch gezündet wird. Der durch die laser-gestützte Detonation hervorgerufene Impulsübertrag auf die Reflektorwand ermöglicht für leichte Flugkörper (ca. 30 g) im repetierenden Betrieb des ortsfesten Lasers gepulste Freiflüge, die durch die Höhe der Laborhalle (ca. 8 m) begrenzt sind. Hintergrund dieser Arbeit ist das langfristige Anwendungsziel als einfache Antriebstechnologie für den kostengünstigen Transport von Nanosatelliten in den unteren Erdorbit mit deutlich verringertem Treibstoffbedarf und reduzierter struktureller Masse durch den Einsatz einer erdgestützten Laserquelle als stationärer Energieversorgung. Auf der Basis des hydrodynamischen Punktexplosionsmodells wurden Optimierungen der Lightcraftgeometrie hinsichtlich des Impulsübertrags abgeleitet. Einzelpulsexperimente zeigen anstelle der erwarteten Impulsverstärkung durch proportionale Skalierung der Düsengeometrie auf den halben Strahldurchmesser eine Verdopplung des Impulsübertrages bei doppelter Düsenlänge. Die Abweichungen erfordern die Berücksichtigung der Wechselwirkung zwischen Laserstrahlung und Plasma, die anhand der Näherung der Absorptionseffizienz skizziert ist. Durch Skalierung der Düse auf wenige Zentimeter Durchmesser wurde eine lasergetriebene Bewegung bei niedrigen Pulsenergien in künstlicher Schwerelosigkeit realisiert. In experimentellen Untersuchungen zur laser-induzierten Ablation an flachen Proben von Polyoxymethylen (POM) sowie POM-Zylindern für den Einsatz im Lightcraft anstelle des Zündstifts wurde die impulsverstärkende Wirkung im Hinblick auf Detonation und Verbrennung charakterisiert und hinsichtlich des zugrunde liegenden Ablationsmodells bewertet. Profilometrische Analysen ablatierter Zylinder dienten zur Validierung von Raytracing-Modellen. Viele Experimente dieser Arbeit widmen sich der Dynamik des Freiflugs mittels stereoskopischer Hochgeschwindigkeitsanalysen. Die Erhöhung der Reproduzierbarkeit von Detonationsprozess und Impulsübertrag durch einen Zündstift auf der Symmetrieachse des Lightcrafts wurde in gepulsten Freiflügen nachgewiesen. Zur Modellierung der Impulskomponenten wurde daher mittels Raytracing die Energiedichteverteilung auf dem Zündstift zu Pulsbeginn in Abhängigkeit von der relativen Lage des Lightcrafts zum Laserstrahl berechnet. Zwar konnte die starke Abhängigkeit der Impulskomponenten vom Neigungswinkel sowie der schwächere Einfluss des Lateralversatzes experimentell belegt werden, jedoch deuten Abweichungen zwischen Modell und Experiment auf die hier vernachlässigte Bedeutung des weiteren Prozessverlaufs der Detonation hin. In Schwebeexperimenten mit angepasster Laserleistung wurde die Abhängigkeit der Flugstabilität von der Lage zum Laserstrahl untersucht. Eine strahlbezogene Selbststabilisierung des Lightcrafts wird zwar durch den Einsatz des Zündstiftes begünstigt, findet jedoch nur in Ansätzen statt. Die Trajektorien von Lateralversatz und Neigung zeigen mit ihrem spiralförmigen Verlauf das begrenzte Wirken rücktreibender Seit- bzw. Drehimpulse. Mit der starken Abhängigkeit dieser Impulskomponenten vom Neigungswinkel verhindert die Kopplung zwischen Seit- und Kippbewegung eine Stabilisierung der Flugbahn. Modellierungen für den gepulsten Flug zeigen hinsichtlich der maximalen Flugdauer einen Schmetterlings-Effekt in den Startparametern, der durch eine dynamische Regelung kompensiert werden muss. Die experimentelle Validierung einer Schubvektorsteuerung durch Verlagerung des Detonationszentrums mittels Verkippung des Zünd- bzw. Treibstoffstifts in der Brennebene gegen die Symmetrieachse des Lightcrafts ergab entgegen ursprünglichen Erwartungen eine Verschiebung der Detonation auf die gegenüberliegende Seite des Stiftes. Dies steht offensichtlich im Zusammenhang mit der Ausbreitung und Verstärkung der lasergestützten Detonationswelle in diesem Bereich. Eine erfolgreiche Stabilisierung des gepulsten Freifluges mittels der vorgeschlagenen Schubvektorsteuerung erscheint vor dem Hintergrund der experimentellen Ergebnisse und entsprechenden Modellrechnungen nicht möglich, da lediglich eine leichte Modifizierung der Impulskomponenten, nicht jedoch eine wesentliche Beeinflussung oder Entkopplung möglich ist. Daher ist für eine technologische Weiterentwicklung ohne Spinstabilisierung eine strukturelle Veränderung des Flugkörpers, z.B. durch die physikalische Trennung von fokussierender Optik und Expansionsdüse erforderlich, wenngleich die Entwicklung gepulster Laserquellen ausreichend hoher Leistung (ca. 1 MW/kg Nutzlast) die ungeklärte Schlüsselfrage für erdgestützte Laserantriebe darstellt und daher weltraumgestützte Anwendungen nahelegt.