DE4007497A1 - Vorrichtung zur lageregelung von raumstationen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Lageregelung von Raumstationen, insbesondere von erdzeigenden, asymmetrischen Raumplattformen mittels elektrischer Stellglieder.

Für eine Raumplattform ergibt sich vor allem bei asymmetrischer Konfiguration und bei erdzeigenden Missionen durch den Luftwiderstand der Restatmosphäre ein typischer Störmomentenverlauf, der sich wie folgt zusammensetzt:

• - ein säkularer, d. h. nicht periodischer Anteil, der durch die Abweichung des Flächenschwerpunkts vom Massenschwerpunkt hervorgerufen wird und
• - periodische Anteile, die z. B. durch Rotation der Solarflächen, d. h. eine Variation der wirksamen Bremsfläche entstehen.

Für Langzeitmissionen bis zu mehrjähriger Dauer ist es daher unumgänglich, elektrische Stellglieder für Aufgaben der Lageregelung einzusetzen, da Treibstoffnachschub während der Missionsdauer sehr aufwendig bzw. unmöglich ist.

Als elektrische Stellglieder mit der nötigen Stellkapazität kommen zum einen Reaktionsräder in Frage, die durch Beschleunigen und Abbremsen Stellmomente erzeugen können, die jedoch nur ein gewisses Maß an Drall speichern können (bei maximaler Drehzahl) und daher nur für periodische Störmomente alleine ausreichend sind, sowie magnetische Momentensteller, die in der Lage sind, Momente senkrecht zum Erdmagnetfeld zu erzeugen.

Aus der DE-PS 32 14 379 ist eine Vorrichtung zur magnetischen Lageregelung eines Satelliten bekannt, mit einem Magnetmomenterzeuger, einem Lagesensor einer Summierstelle, der das Ausgangssignal des Lagesensors sowie ein die gewünschte Satellitenlage repräsentierendes Referenzlagesignal zur Bildung eines Lagefehlersignales zugeführt werden sowie einer das Lagefehlersignal verarbeitenden Regelschaltung zur Bildung eines Steuersignales für den Magnetmomentenerzeuger. Einer weiteren, dem Magnetmomentenerzeuger vorgeschalteten Summierstelle wird außer dem von der Regelschaltung gebildeten Steuersignal ein weiteres Steuersignal zugeführt, welches auf einer Vorausschätzung des auf der Umlaufbahn zu erwartenden Störmomentes basiert, und das so bemessen ist, daß dieses vorausgeschätzte Störmomente gerade kompensiert werden soll.

Mit dieser Vorrichtung sollen die vor allem für Instabilität und Lagefehler verantwortlichen äußeren Störmomente kompensiert werden, jedoch ist, da der Magnetmomentenerzeuger alleine nicht ausreicht, immer noch eine Schubdüsensteuerung mit dem daraus resultierenden Kraftstoffbedarf erforderlich.

Aus der DE-PS 32 14 373 ist eine Vorrichtung für die Lageregelung eines Satelliten bekannt, insbesondere eines Erdsatelliten auf polarer oder polnaher Umlaufbahn, mit einem zur Speicherung eines parallel zu seiner Nickachse orientierten Drehimpulses dienenden Schwungrad, einem mit seiner Drehachse parallel zur Gierachse orientierten Reaktionsrad, einem Rollwinkelsensor und einem Magnetmomentenerzeuger zur Erzeugung eines parallel zur Nickachse gerichteten magnetischen Momentes, und zwar aufgrund des Zusammenwirkens zwischen einem vom Magnetmomentenerzeuger erzeugten magnetischen Moment mit dem Magnetfeld der Erde. Die Erdmagnetfeldkomponenten können dabei durch einen magnetischen Sensor bestimmt oder anhand eines vorgegebenen Musters des angenäherten Erdmagnetfeldes erhalten werden. Der einzige dabei verwendete Magnetmomenterzeuger ist fest mit dem Satelliten verbunden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Lageregelung von Raumstationen zu schaffen, die keinen Treibstoff erfordert und ein kontinuierliches Drallmanagement ermöglicht.

Ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs genannten Art wird zur Lösung dieser Aufgabe vorgeschlagen, daß sie elektrisch antreibbare Reaktionsräder zur Kompensation von periodischen Störmomenten mit schwenkbar angeordneten magnetischen Momentenstellern zur Kompensation nicht periodischer Störmomente kombiniert.

Vorzugsweise weist die Vorrichtung einen Sensor und einen Antrieb auf, mit denen die magnetischen Momentensteller kontinuierlich in eine Stellung senkrecht zur jeweiligen Richtung des Erdmagnetfeldes gehalten werden; die magnetischen Momentsteller sind dabei um zwei Achsen schwenkbar.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein redundanter Satz von vier Reaktionsrädern vorgesehen wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung vermeidet völlig den Einsatz von Düsen und den damit verbundenen Treibstoffverbrauch zur Kompensation von säkularen Störungen. Durch die kombinierte Verwendung von Reaktionsrädern und schwenkbar angeordneten magnetischen Momentenstellern, die beide nur elektrische Energie erfordern, können Langzeitmissionen durchgeführt werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, in der ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel dargestellt ist. Es zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung einer typischen Raumplattform,

Fig. 2 die schematische Anordnung eines redundanten Satzes von vier Reaktionsrädern,

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung eines Teils der Raumplattform mit den schwenkbaren, magnetischen Momentenstellern in symmetrischer Anordnung und

Fig. 4 eine graphische Darstellung des Erdmagnetfeldes mit den säkularen Störmomenten und den Stellmomenten der magnetischen Momentensteller.

Fig. 1 zeigt schematisch eine erdzeigende Raumplattform, die sich auf einer 28,5°-Umlaufbahn F um die Erde befindet, wobei die Richtung zur Erde durch den Pfeil V angedeutet ist. Mit 5 sind dabei ausgefahrene Solarflächen bezeichnet, mit 6 ein Versorgungsmodul mit den Bauteilen zur Lage- und Positionsregelung und mit 7 ein Nutzlast tragender Mast.

An geeigneter Stelle im Zentralkörper der Plattform wird ein redundanter Satz von vier Reaktionsrädern 1, 2, 3, 4 gemäß Fig. 2 angeordnet, die durch Beschleunigen und Abbremsen Stellmomente erzeugen können, indem sie ein gewisses Maß an Drall speichern. Damit lassen sich periodische Störmomente um die drei Achsen x, y, z kompensieren, wobei sich die Räder um ihre Achse 1 bis 4 drehen.

Fig. 3 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Teils der Raumplattform mit zwei schwenkbar angeordneten magnetischen Momentenstellern 8, 8′ in symmetrischer Anordnung. Durch Schwenken der magnetischen Momentensteller mittels eines geeigneten, auf das Erdmagnetfeld ansprechenden Sensors und eines dazugehörigen Antriebs derart, daß sie immer senkrecht zur jeweiligen Richtung des Erdmagnetfeldes ausgerichtet sind und durch kontinuierliche Stromsteuerung, wird entsprechend der Größe des säkularen Störmoments und der jeweiligen Größe des Erdmagnetfeldes ein Stellmoment derart erzeugt, daß es einen Wirkanteil enthält, der dem säkularen Störmoment entgegengesetzt gleich ist. Dabei entsteht senkrecht zum säkularen Störmoment ein unerwünschter Blindanteil des Stellmoments, der jedoch periodisch ist und somit durch die Reaktionsräder vollständig kompensiert werden kann. Die magnetischen Momentensteller 8, 8′ sind dabei um zwei Achsen schwenkbar an der Raumplattform angeordnet.

Fig. 4 zeigt in graphischer Darstellung die Wirkung der magnetischen Momentensteller zur kontinuierlichen Kompensation der säkularen Störmomente im Erdmagnetfeld bei einer Raumplattform, die auf einer 28,5°-Umlaufbahn die Erde umkreist. Mit B ist dabei das Erdmagnetfeld bezeichnet, mit Ms das säkulare Störmoment, mit Mt das Stellmoment, das von den magnetischen Momentenstellern erzeugt wird, und mit M_B die unerwünschten periodischen Blindanteile, die durch die Reaktionsräder zu kompensieren sind.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird der Vorteil erzielt, daß über einen vollständigen Erdumlauf in keiner Achse irgendein Drall akkumuliert wird, und daß die insbesondere um die x- und z-Achse durch die Blindanteile des Stellmoments veränderten Störmomente vollständig durch die Reaktionsräder ausgeregelt, d. h. kompensiert werden können. Damit sind Langzeitmissionen ohne Treibstoffnachschub möglich, da nurmehr durch die Solarflächen zur Verfügung gestellte elektrische Energie zur Betätigung der Stellglieder erforderlich ist.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur Lageregelung von Raumstationen, insbesondere von erdzeigenden asymmetrischen Raumplattformen mittels elektrischer Stellglieder, gekennzeichnet durch die Kombination von elektrisch antreibbaren Reaktionsrädern zur Kompensation von periodischen Störmomenten mit schwenkbar angeordneten magnetischen Momentenstellern zur Kompensation nicht periodischer Störmomente.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Sensor und einen Antrieb aufweist, mit dem die magnetischen Momentensteller kontinuierlich in einer Stellung senkrecht zur jeweiligen Richtung des Erdmagnetfeldes gehalten werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Momentensteller um zwei Achsen schwenkbar sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen redundanten Satz von vier Reaktionsrädern aufweist.