DE102009036327A1

DE102009036327A1 - Fluid-dynamic actuator for controlling position of small satellite, has transformer and frequency producing element electrically connected to each other such that electrical voltage of spacecraft is transformed into direct current voltage

Info

Publication number: DE102009036327A1
Application number: DE102009036327A
Authority: DE
Inventors: Daniel Noack
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-08-05
Filing date: 2009-08-05
Publication date: 2011-02-10

Abstract

The actuator has an electromagnetic pump by which angular momentum storing liquid is electrically and magnetically influenceable. The pump is electrically connected to a power supply unit. The unit has a rectifier element, a transformer e.g. medium frequency transformer, with a transformer core (11), and a frequency producing element electrically connected to each other such that electrical voltage of a spacecraft is transformed into operating direct current voltage adapted to the pump. The liquid consists of dielectric such as kerosene or silicone oil.

Description

Die Erfindung dient der gezielten Lageregelung von Satelliten, insbesondere der Lageregelung von Kleinsatelliten. Dafür wird mindestens ein Drehimpuls speicherndes Mittel, dass über eine regelbare Einheit mit Energie versorgt wird, benötigt. Die regelbare Einheit kann dabei in Verbindung mit geeigneten Sensoren der Lageregelung stehen. Das Drehimpuls speichernde Mittel, im folgendem als Fluiddynamischer Aktuator benannt, besteht aus einer Flüssigkeit, die mittels einer regelbaren Pumpe auf einer geschlossenen Bahn bewegt wird. Durch die Beschleunigung der Flüssigkeit wird ein gewünschter Drall zwischen dem Satelliten und der Flüssigkeit ausgetauscht.The The invention serves the purpose of positional positioning of satellites, in particular the attitude control of small satellites. At least an angular momentum storing means that has a controllable unit is powered, needed. The controllable unit can in conjunction with suitable sensors of the position control stand. The angular momentum storing agent, hereinafter referred to as fluid dynamic Named actuator, consists of a liquid by means of a controllable pump is moved on a closed path. By accelerating the liquid becomes a desired Swirl exchanged between the satellite and the liquid.

Stand der TechnikState of the art

Ein solcher Fluiddynamischer Aktuator (1) ist durch das Patent US 2,856,142 bekannt. Dabei besteht, die Drehimpuls speichernde Flüssigkeit insbesondere aus einem elektrisch gut leitenden Material, die mittels einer elektromagnetischen Pumpe (3) in einem ringförmigen geschlossenen Kanal (2) bewegt wird. Der Kanal ist vorzugsweise an den Seitenflächen des Satelliten (1) anzubringen. Für die Lageregelung aller drei Raumachsen werden mindestens drei möglichst orthogonal zueinander angebrachte Fluidbahnen benötigt.Such a fluid dynamic actuator ( 1 ) is by the patent US 2,856,142 known. In this case, the angular momentum-storing liquid consists, in particular, of an electrically highly conductive material, which by means of an electromagnetic pump ( 3 ) in an annular closed channel ( 2 ) is moved. The channel is preferably on the side surfaces of the satellite ( 1 ). For the position control of all three spatial axes at least three as possible orthogonal to each other attached fluid webs are needed.

Die elektromagnetische Pumpe steht in Verbindung mit einer Steuer- und Regelbox (4), wodurch die treibende Kraft auf die Flüssigkeit gezielt beeinflusst werden kann (1). Die Steuer- und Regelbox (4) kann dabei mit einem System von Lageregelungssensoren (6) und dem Boardcomputer (5) verbunden sein.The electromagnetic pump is in connection with a control box ( 4 ), whereby the driving force on the liquid can be specifically influenced ( 1 ). The control and regulating box ( 4 ) can be used with a system of position control sensors ( 6 ) and the board computer ( 5 ).

Die elektromagnetische Pumpe (2) kann als Motor des Fluiddynamischen Aktuators eingesetzt werden. Sie weist ein vorzugsweise flachen Kanal (7), ein Magnetfeld erzeugendes Mittel und ein dazu orthogonal angebrachtes Elektrodenpaar (8) auf. Für das Magnetfeld kann ein Elektromagnet als auch ein Permanentmagnetsystem eingesetzt werden. Fließt durch die mit der Flüssigkeit in Verbindung stehenden Elektroden ein Strom I, so führt das Zusammenspiel von Magnetfeld B und Stromfluss I zu der Lorenzkraft F, die die Flüssigkeit (9) beschleunigt.The electromagnetic pump ( 2 ) can be used as a motor of the fluid dynamic actuator. It has a preferably flat channel ( 7 ), a magnetic field generating means and an orthogonal electrode pair ( 8th ) on. For the magnetic field, an electromagnet as well as a permanent magnet system can be used. If a current I flows through the electrodes which are in contact with the fluid, the interaction of magnetic field B and current flow I leads to the Lorenz force F, which causes the fluid ( 9 ) speeds up.

Ein Problem dieser elektromagnetischen Pumpen liegt in dem prinzipiell sehr geringen Innenwiderstand dieser Pumpenart. Für das Medium der Flüssigmetalle beträgt der Innenwiderstand in der Regel nur wenige Milliohm. Dies führt zu Problemen mit der Energieversorgung der elektromagnetischen Pumpen, da der geringe Innenwiderstand zu sehr großen Stromflüssen führt, beziehungsweise es sehr geringer Versorgungsspannungen bedarf. Eine Lösung des Problems der Stromversorgung bietet das Patent DE 10,230,350 . In diesem Patent wird der nötige hohe Strom durch eine thermoelektrische Vorrichtung bereitgestellt, die die Thermalflüsse innerhalb des Satelliten mittels des Seebeck Effektes nutzt. Ein Problem, gerade für kleine Satelliten, sind die nur geringen Thermalströme innerhalb des Satelliten.A problem of these electromagnetic pumps is the inherently very low internal resistance of this type of pump. For the medium of the liquid metals, the internal resistance is usually only a few milliohms. This leads to problems with the power supply of the electromagnetic pumps, since the low internal resistance leads to very large current flows, or it requires very low supply voltages. A solution to the problem of power supply is the patent DE 10,230,350 , In this patent, the necessary high current is provided by a thermoelectric device which utilizes the thermal fluxes within the satellite by means of the Seebeck effect. A problem, especially for small satellites, is the low thermal currents within the satellite.

Ein weiterer Fluiddynamischer Aktuator ist in dem Patent JP 4,055,198 beschrieben. Eine magnetisch beeinflussbare Flüssigkeit, ein Ferrofluid, wird durch zwei Phasenverschobene Magnetfelder beschleunigt. Ein Problem liegt in der relativ geringen Leistungsfähigkeit und dem hohen Systemgewicht, was den Einsatz in kleinen Satelliten erschwert.Another fluid dynamic actuator is in the patent JP 4,055,198 described. A magnetizable fluid, a ferrofluid, is accelerated by two phase-shifted magnetic fields. One problem is the relatively low performance and high system weight, making it difficult to use in small satellites.

Aufgabenstellungtask

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, geeignete Fluiddynamische Aktuatoren für die Lageregelung von Satelliten, insbesondere Kleinsatelliten vorzustellen. Die Verwendung von Fluiddynamischen Aktuatoren bietet im Vergleich zu der Standartlösung der Reaktionsräder folgende Vorteile. Die genannten Aktuatoren weisen eine höhere Resistenz gegenüber Schocks und Erschütterungen auf und arbeiten quasi Verschleißfrei, wodurch sehr hohe Lebensdauern zu erwarten sind. Außerdem ist die elektrische Leistungsaufnahme der Fluiddynamischen Aktuatoren, gerade für kleine Satelliten, meist wesentlich geringer als bei den Reaktionsrädern.Of the Invention is based on the object, suitable fluid dynamic Actuators for attitude control of satellites, in particular To introduce small satellites. The use of fluid dynamic actuators offers compared to the standard solution of the reaction wheels the following advantages. The mentioned actuators have a higher Resistance to shocks and shocks on and work virtually wear-free, resulting in very high Lifetimes are to be expected. In addition, the electric Power consumption of the fluid dynamic actuators, just for small satellites, usually much smaller than the reaction wheels.

Das Problem des sehr geringen Innenwiderstandes der elektromagnetischen Pumpe nach Patent US 2,856,142 wird erfindungsgemäß mit einem Hochfrequenztransformator gelöst. Der Hochfrequenztransformator dient hierbei als geeignete Stromquelle für die elektromagnetische Pumpe des Fluiddynamischen Aktuators. Diese Stromquelle besteht aus einem Frequenzerzeugenden Mittel, mindestens einer Primärwicklung und Sekundärwicklung und mindestens einem MOSFET Gleichrichter. Wobei das Frequenzerzeugende Mittel die Satellitenboardspannung, die in der Regel 5 Volt beziehungsweise 12 Volt Gleichstrom beträgt, zerhackt und diese hochfrequente Wechselspannung in die Primärwicklung speist. Die hochfrequente Wechselspannung erlaubt den Einsatz eines kleinen Tranformatorenkerns, was zu Gewichtseinsparungen führt. Der Transformatorenkern kann vorzugsweise aus einem Ferritring bestehen. Durch das Übersetzungsverhältnis zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung liegt an der Sekundärwicklung eine dem Übersetzungsverhältnis entsprechende Wechselspannung an. Um diese gleichzurichten werden MOSFETs verwendet. Die MOSFETs weisen einen sehr niedrigen Innenwiderstand auf und besitzen keine Schwellspannung wie andere Gleichrichter wie Siliziumdioden. Die MOSFETs können als Synchrongleichrichter betrieben werden. Somit kann erfindungsgemäß eine sehr kleine Gleichspannung bei vergleichsweise hohen Wandlungswirkungsgraden bereitgestellt werden. Die MOSFETs können über ihre Gate Anschlüsse zu beliebigen Zeiten durchgeschaltet werden. Damit lässt sich eine Pulsweitenmodulation realisieren und es ist möglich die Polarität der Gleichspannung an der Sekundärseite umzukehren. Somit kann der effektive Strom für die elektromagnetische Pumpe geregelt werden. Zusätzlich bewirkt eine Phasenverschiebung der Gateansteuerungen von jeweils 180 Grad eine Umkehrung der Stromrichtung und damit auch der Pumprichtung der elektromagnetischen Pumpe. Weiterhin vorstellbar für den Einsatz als Stromquelle sind Schaltnetzteile aller Art, jedoch weisen sie im Gegensatz zu dem Hochfrequenztransformator eine Stromspeicherdrossel auf, die ein wesentlich höheres Volumen und Gewicht mit sich bringt.The problem of the very low internal resistance of the electromagnetic pump according to patent US 2,856,142 is achieved according to the invention with a high-frequency transformer. The high-frequency transformer serves as a suitable power source for the electromagnetic pump of the fluid dynamic actuator. This current source consists of a frequency-generating means, at least one primary winding and secondary winding and at least one MOSFET rectifier. The frequency generating means chop the satellite board voltage, which is typically 5 volts or 12 volts dc, and feeds this high frequency ac voltage into the primary winding. The high frequency AC voltage allows the use of a small transformer core, resulting in weight savings. The transformer core may preferably consist of a ferrite ring. Due to the transmission ratio between the primary winding and the secondary winding is at the secondary winding to the transmission ratio corresponding AC voltage. To rectify this, MOSFETs are used. The MOSFETs have a very low internal resistance and have no threshold voltage like other rectifiers like Si liziumdioden. The MOSFETs can be operated as a synchronous rectifier. Thus, according to the invention, a very small DC voltage can be provided at comparatively high conversion efficiencies. The MOSFETs can be switched through their gate connections at any time. Thus, a pulse width modulation can be realized and it is possible to reverse the polarity of the DC voltage on the secondary side. Thus, the effective current for the electromagnetic pump can be controlled. In addition, a phase shift of the gate actuators of 180 degrees causes a reversal of the current direction and thus also the pumping direction of the electromagnetic pump. Also conceivable for use as a power source are switching power supplies of all kinds, however, they have in contrast to the high-frequency transformer to a current storage inductor, which brings a much higher volume and weight with it.

In der 3 ist der Kern des Hochfrequenztransformators dargestellt. Eine hochfrequente Wechselspannung (16) wird in die Primärwicklung (10) des Transformatorenkernes (11) eingespeist. Der Transformatorenkern (11) kann vorzugsweise aus einem Ferritring bestehen. Das hochfrequente magnetische Wechselfeld induziert in den beiden Sekundärwicklungen (12, 13) dem Übersetzungsverhältnis entsprechende Wechselspannungen. Die beiden Sekundärwicklungen (12, 13) sind hierbei zu einer Mittenpunktanzapfung zusammengeschaltet. Dabei bilden sich zwei um 180 Grad Phasen verschobene Wechselspannungen in den beiden Sekundärwicklungen (12, 13). Die beiden MOSFETs (15, 16) werden als Synchrongleichrichter eingesetzt, so dass jeweils ein MOSFET leitet und ein MOSFET sperrt. Damit steht an dem Ausgang eine Gleichspannung DC zur Verfügung. Durch den Wechsel der beiden Phasenlagen an den Gateanschlüssen (17, 18) der MOSFETs kann die Polarität der Gleichspannung umgekehrt werden, so dass die elektromagnetische Pumpe in beide Pumprichtungen arbeiten kann.In the 3 is the core of the high-frequency transformer shown. A high-frequency alternating voltage ( 16 ) is placed in the primary winding ( 10 ) of the transformer core ( 11 ) fed. The transformer core ( 11 ) may preferably consist of a ferrite ring. The high-frequency alternating magnetic field induces in the two secondary windings ( 12 . 13 ) The AC ratio corresponding AC voltages. The two secondary windings ( 12 . 13 ) are interconnected here to a center point tapping. In this case, two alternating voltages shifted by 180 degrees form in the two secondary windings ( 12 . 13 ). The two MOSFETs ( 15 . 16 ) are used as a synchronous rectifier, so that in each case a MOSFET conducts and a MOSFET blocks. Thus, a DC voltage DC is available at the output. By changing the two phase positions at the gate terminals ( 17 . 18 ) of the MOSFETs, the polarity of the DC voltage can be reversed, so that the electromagnetic pump can work in both pumping directions.

In der 4 ist ein Beispiel für ein komplettes Hochfrequenznetzteil dargestellt. Dabei arbeitet der astabile Multivibrator als hochfrequenzerzeugendes Mittel, in dem die beiden Transistoren (19, 20) abwechselnd die Satellitenbordspannung (21) über zwei Primärwicklungen in den Transformatorenkern (11) einspeisen. Die beiden MOSFETs (14, 15) nutzen die Schaltflanken der Transistoren und arbeiten somit im Gegentakt, so dass an den Anschlüssen U_Sek DC eine Gleichspannung anliegt.In the 4 an example of a complete high-frequency power supply is shown. In this case, the astable multivibrator operates as a high frequency generating means in which the two transistors ( 19 . 20 ) alternately the satellite voltage ( 21 ) via two primary windings in the transformer core ( 11 ) feed. The two MOSFETs ( 14 . 15 ) use the switching edges of the transistors and thus operate in push-pull, so that applied to the terminals U _Sek DC a DC voltage.

Als weitere mögliche elektromagnetische Pumpe kann eine Induktionspumpe dienen. Solche Pumpen sind bekannt aus Publikationen wie der „ELEKTROMAGNETIC ALKALI METAL PUMP RESEACH PROGRAM” der NASA. Die Induktionspumpe nutzt die elektromagnetische Induktion. Eine derartige Pumpe ist in 5 dargestellt. Die Induktionspumpe weist eine magnetische Struktur (26) auf, in der mindestens drei Leiterstränge (27) eingebracht sind, die mittels der Phasen verschobenen Wechselspannungen ein elektromagnetisches Wanderfeld aufbauen. Ein vorzugsweise flacher Kanal (23), in dem sich die elektrische leitende Flüssigkeit (24) befindet, ist in oder in der Nähe der magnetischen Struktur (26) angebracht, so dass die elektromagnetischen Wanderfelder Wirbelströme in der elektrisch leitenden Flüssigkeit (24) generieren und auf Grund der magnetischen Kopplung die Flüssigkeit beschleunigen. Dabei bestimmen die Frequenz und die Amplitude der elektromagnetischen Pumpe den Pumpdruck und die Geschwindigkeit der Flüssigkeit. Das Umkehren der Wanderfeldrichtung bewirkt ein umkehren der Pumprichtung. Insbesondere für kleine Satelliten sind hohe Wanderfeldfrequenzen wünschenswert um das Pumpengewicht zu reduzieren und einen relativ großen Pumpdruck zu erreichen. Für hohe Frequenzen im Kilohertz Bereich ist eine magnetische Struktur (26) aus Ferrit bestehend vorteilhaft, wegen der Reduktion der Wirbelstromverluste innerhalb der magnetischen Struktur. Zur Erhöhung der Effektivität kann der Kanal (23) mit einem magnetischen Joch (22) oder mit einer weiteren magnetischen Wanderfeldstruktur (26, 27) bedeckt werden. Zusätzlich können in den Kanalwänden mindestens zwei Elektroden (25) eingebracht werden, so dass der Massenstrom beziehungsweise die Geschwindigkeit der Flüssigkeit gemessen werden können. Die sich bewegende Flüssigkeit induziert im Bereich der Elektroden (25) eine dem Magnetfeld und der Strömungsgeschwindigkeit proportionale Spannung, so dass damit die Strömungsgeschwindigkeit gemessen werden kann. Die Strömungsgeschwindigkeit steht im direkten Zusammenhang mit der Größe des gespeicherten Dralls. Weitere Induktionspumpen wie Beispielsweise Ringinduktionspumpen sind in Verbindung mit dem integrierten Massenstromsensor vorstellbar.As another possible electromagnetic pump can serve an induction pump. Such pumps are known from publications such as NASA's "ELECTROMAGNETIC ALKALI METAL PUMP RESEARCH PROGRAM". The induction pump uses electromagnetic induction. Such a pump is in 5 shown. The induction pump has a magnetic structure ( 26 ), in which at least three conductor strands ( 27 ) are introduced, which build an electromagnetic traveling field by means of the alternating voltages shifted by the phases. A preferably flat channel ( 23 ), in which the electrically conductive liquid ( 24 ) is in or near the magnetic structure ( 26 ), so that the electromagnetic traveling fields eddy currents in the electrically conductive liquid ( 24 ) and accelerate the liquid due to the magnetic coupling. The frequency and the amplitude of the electromagnetic pump determine the pumping pressure and the speed of the fluid. Reversing the traveling field direction causes the pumping direction to reverse. Especially for small satellites, high traveling field frequencies are desirable to reduce the pump weight and to achieve a relatively high pumping pressure. For high frequencies in the kilohertz range is a magnetic structure ( 26 ) made of ferrite advantageous because of the reduction of eddy current losses within the magnetic structure. To increase the effectiveness of the channel ( 23 ) with a magnetic yoke ( 22 ) or with another magnetic traveling field structure ( 26 . 27 ). In addition, in the channel walls at least two electrodes ( 25 ) are introduced, so that the mass flow or the velocity of the liquid can be measured. The moving liquid induces in the area of the electrodes ( 25 ) a voltage proportional to the magnetic field and the flow velocity, so that thus the flow velocity can be measured. The flow rate is directly related to the size of the stored spin. Other induction pumps such as ring induction pumps are conceivable in conjunction with the integrated mass flow sensor.

Die Verwendung von elektromagnetischen Pumpen beschränkt den Einsatz der Flüssigkeit auf elektrisch gut leitende Flüssigkeiten, wie Flüssigmetalle, beispielsweise Eutektika aus Natrium und Kalium, Quecksilber, Gallium-Indium-Zinn Legierungen oder Ionische Flüssigkeiten. Ionische Flüssigkeiten weisen allerdings den Nachteil des geringeren Leitwertes und der chemischen Instabilität auf. Die Verwendung von Flüssigmetallen setzt eine Mindesttemperatur, die über dem Schmelzpunkt der Metalle liegt, voraus.The Use of electromagnetic pumps limits the Use of the liquid on electrically highly conductive liquids, such as liquid metals, for example sodium eutectics and potassium, mercury, gallium-indium-tin alloys or ionic Liquids. However, ionic liquids indicate the disadvantage of lower conductance and chemical instability on. The use of liquid metals sets a minimum temperature, which is above the melting point of the metals, ahead.

Eine weitere Möglichkeit für den Einsatz Fluiddynamische Aktuatoren bieten Ionen-Reibungspumpen beziehungsweise Feldemissionspumpen (6–8). Dabei werden elektrisch nicht leitende Flüssigkeiten wie beispielsweise Öle oder Kerosine zur Drallspeicherung genutzt. Derartige Pumpen nutzen die Feldemission von Elektronen unter hohen elektrischen Spannungen. Eine hohe Spannung im kilovolt Bereich lässt an stark gekrümmten Körpern Elektronen emittieren. Auf Grund der gleichartigen Ladung werden die Elektroden von der Emissionsquelle weg beschleunigt und führen auf Grund von Reibprozessen zu einer Mitnahme der Flüssigkeit, so dass eine Bewegung der Flüssigkeit folgt. Durch eine geeignete Anordnung der Feldemissionsquellen und der Ladungsrückführungselektroden können die Strömungsrichtungen auch umgekehrt werden. Der Einsatz von Schneidenartigen Emissionsquellen steigert die Leistungsfähigkeit der Emissionsquelle. Eine weitere Anordnung ist mit mehreren Nadelspitzen oder einem dünnen Emissionsdraht vorstellbar.Another possibility for use fluid dynamic actuators offer ion friction pumps or field emission pumps ( 6 - 8th ). These are electrically non-conductive liquids such as oils or kerosene ne used for spin storage. Such pumps use the field emission of electrons under high electrical voltages. A high voltage in the kilovolt range emits electrons on strongly curved bodies. Due to the similar charge, the electrodes are accelerated away from the emission source and, due to friction processes, lead to entrainment of the liquid, so that a movement of the liquid follows. By a suitable arrangement of the field emission sources and the charge return electrodes, the flow directions can also be reversed. The use of cutting edge emission sources increases the efficiency of the emission source. Another arrangement is conceivable with multiple needle tips or a thin emission wire.

Eine derartige Pumpe ist in 6 dargestellt. Die Hochspannung (28) führt an der Nadelspitze (32) zu einer Feldemission von Elektroden. Die Elektronen werden von der Spitze (32) weg hin zu dem Kollektorring (33), der mit der Masse (29) verbunden ist, beschleunigt. Die Bewegung der Elektronen führt durch Reibungs- und Ionisationsprozessen zu einer Mitnahme der Flüssigkeit (35), so dass hiermit eine Pumpwirkung erzielt wird. Die Pumpleistung steht im Zusammenhang mit der Emissionsleistung und damit mit der Höhe der anliegenden Spannung HV. Eine weitere Steigerung der Emissionsleistung kann durch den Einsatz von mehren Spitzen als auch durch den Einsatz einer Messerschneide (37) erzielt werden. Eine derartige Konstruktion ist in 7 beschrieben. Hierbei befindet sich die Flüssigkeit (35) in einem beispielsweise flachen Kanal (36), in dem eine Hochspannungsquelle (28) an einer Messerschneide (37) angeschlossen ist. Die beiden Kollektorelektroden (38) sind mit der Masse (29) verbunden. Die Hochspannung führt zu einer Feldemission an der Messerschneide (37), wobei die Elektronen wie beschrieben zu den Kollektorelektroden (38) hin beschleunigt werden und einen Pumpdruck auf die Flüssigkeit (35) erzeugen.Such a pump is in 6 shown. The high voltage ( 28 ) leads to the needle tip ( 32 ) to a field emission of electrodes. The electrons are removed from the tip ( 32 ) away to the collector ring ( 33 ), with the mass ( 29 ) is accelerated. The movement of the electrons leads by friction and ionization processes to entrainment of the liquid ( 35 ), so that hereby a pumping action is achieved. The pumping power is related to the emission power and thus to the level of the applied voltage HV. A further increase in the emission power can be achieved by the use of multiple tips as well as by the use of a knife edge ( 37 ) be achieved. Such a construction is in 7 described. Here is the liquid ( 35 ) in a flat channel, for example ( 36 ), in which a high voltage source ( 28 ) on a knife edge ( 37 ) connected. The two collector electrodes ( 38 ) are with the mass ( 29 ) connected. The high voltage leads to a field emission at the knife edge ( 37 with the electrons as described to the collector electrodes ( 38 ) and a pumping pressure on the liquid ( 35 ) produce.

Durch das entgegen gesetzte zusammenschalten von zwei dieser Pumpen können beide Pumprichtungen bedient werden.By the opposite interconnecting of two of these pumps can both pumping directions are operated.

Eine weitere Lösung ist in der 8 dargestellt. Hierbei ist die Emissionsquelle (41) ein dünner Draht, der an der Hochspannungsquelle (28) angeschlossen ist. Die Emittierten Elektroden streben zu den Kollektorelektroden (39 oder 40) und nehmen dabei die Flüssigkeit (35) mit. Die Strömungsrichtung kann beeinflusst werden, indem jeweils ein Kollektorpaar (39 oder 40) mit der Masse verbunden wird. Somit kann über die Wahl der Masseverbindung die Richtung der Strömung gesteuert werden. Durch die Höhe der anliegenden Spannung kann die Geschwindigkeit der Flüssigkeit beeinflusst werden. Mit den Ionen Reibungspumpen können weitere Fluide für den Einsatz in Fluiddynamischen Aktuatoren verwendet werden.Another solution is in the 8th shown. Here, the emission source ( 41 ) a thin wire attached to the high voltage source ( 28 ) connected. The emitted electrodes aspire to the collector electrodes ( 39 or 40 ) and take the liquid ( 35 ) With. The flow direction can be influenced by in each case one collector pair ( 39 or 40 ) is connected to the ground. Thus, the direction of the flow can be controlled via the choice of the ground connection. The amount of voltage applied can influence the speed of the liquid. With the ion friction pumps, other fluids can be used for use in fluid dynamic actuators.

Eine weitere Ausgestaltungsvariante des Fluidkanalsystems ist in 9–11 dargestellt. Hierbei werden die drei, aus dem Patent US 2,856,142 bekannten, orthogonal zueinander angebrachten und meist ringförmigen Strömungskanäle zu einem Strömungskanalkörper zusammengefasst. Dieser Mantelkörper kann vorteilhaft kugelförmig sein. In diesem Kugelmantel (42) befindet sich die Flüssigkeit (50). Die Pumpen beziehungsweise Kraftquellen sind vorzugsweise an der Kugeloberfläche angebracht. Vorteilhafter Weise sind die drei Pumpen orthogonal zueinander angeordnet (9). Eine jede dieser Pumpen ist in der Lage eine regelbare Kraft jeweils in die Roll-, Nick- und Gierachse einzubringen, so dass sich in der Kugel eine resultierende Fluidströmung, abhängig von den Einzelkraftkomponenten der Pumpe ausbildet. Ein kugelförmiger Aktuator ist in der 9 abgebildet. Dabei sind die drei Pumpen an der Kugeloberfläche angebracht. Hierbei besteht das Fluid beispielsweise aus einem elektrisch gut leitenden Material, so dass der Einsatz von elektromagnetischen Pumpen vorstellbar ist. Andere Pumpen und Fluide sind für den Einsatz vorstellbar. Diese Pumpen können derart aufgebaut sein, dass ein Magnet (44) an der Kugeloberfläche angebracht ist, dass ein Magnetpol zum Kugelzentrum zeigt. Ein Elektrodenpaar (47) ist an der Kugeloberfläche (42) durchgängig angebracht, so dass eine elektrische Verbindung zwischen den Elektroden (47) und dem Fluid (50) besteht. Fließt über die Elektroden ein Strom I, so führt das Magnetfeld B zusammen mit dem Strom I zu einer Lorenzkraft F, die das Fluid beschleunigt. Die drei Pumpen können mit einer übergeordneten Steuer- und Regelbox (43) verbunden sein, so dass eine bestimmte Kraft von jeder der drei Pumpen generiert wird. Damit lässt sich eine beliebige Strömungsrichtung in der Kugel aufbauen, so dass diese eine Kugel genügt, um die Lageregelung aller drei Raumachsen zu gewährleisten. Weiterhin wäre das Einbringen eines Hohlkörpers zwischen dem Mantelkörper und dem Fluid vorstellbar um das Gewicht zu reduzieren und die Reynoldszahl zu senken. Außerdem, wäre es vorstellbar, ein Massivkörper zwischen dem Fluid und dem Mantelkörper einzubringen, welcher den Drall speichert. Zudem sind integrierte Geschwindigkeitssensoren für die Messungen der Flüssigkeitsströmung vorstellbar.Another variant of the fluid channel system is in 9 - 11 shown. Here are the three, from the patent US 2,856,142 known, orthogonal to each other and attached generally annular flow channels combined to form a flow channel body. This jacket body may advantageously be spherical. In this ball coat ( 42 ) is the liquid ( 50 ). The pumps or power sources are preferably attached to the ball surface. Advantageously, the three pumps are orthogonal to each other ( 9 ). Each of these pumps is capable of introducing a controllable force into each of the roll, pitch and yaw axes, so that a resultant fluid flow is formed in the ball depending on the individual force components of the pump. A spherical actuator is in the 9 displayed. The three pumps are attached to the ball surface. In this case, the fluid consists, for example, of an electrically highly conductive material, so that the use of electromagnetic pumps is conceivable. Other pumps and fluids are conceivable for use. These pumps may be constructed such that a magnet ( 44 ) is attached to the surface of the sphere so that a magnetic pole faces the center of the sphere. A pair of electrodes ( 47 ) is on the spherical surface ( 42 ), so that an electrical connection between the electrodes ( 47 ) and the fluid ( 50 ) consists. If a current I flows through the electrodes, the magnetic field B together with the current I leads to a Lorentz force F which accelerates the fluid. The three pumps can be connected to a higher-level control box ( 43 ) so that a certain force is generated by each of the three pumps. This allows any flow direction in the ball build, so that this is sufficient for a ball to ensure the position control of all three spatial axes. Furthermore, the introduction of a hollow body between the sheath body and the fluid would be conceivable to reduce the weight and reduce the Reynolds number. In addition, it would be conceivable to introduce a solid body between the fluid and the shell body, which stores the twist. In addition, integrated speed sensors are conceivable for the measurements of the liquid flow.

Für alle Beispiele ist der Einsatz von Temperatursensoren die die Fluid Temperaturen messen und überwachen vorstellbar.For all examples is the use of temperature sensors which are the fluid Measure and monitor temperatures imaginable.

Zusammenfassung:Summary:

Fluiddynamische Aktuatoren können für die Lageregelung von Satelliten eingesetzt werden. Dabei wird eine Drehimpuls speichernde Flüssigkeit mittels einer Pumpe auf einer geschlossenen Bahn derart beeinflusst, dass das Beschleunigen der Drehimpuls speichernden Flüssigkeit zu einem Reaktionsmoment auf den Satelliten führt, so dass damit eine gezielte Lageänderung des Satelliten möglich wird. Als geeignete Kombination von Pumpe und Drehimpuls speichernde Flüssigkeit eignen sich besonders, ein elektrisch leitendes Fluid kombiniert mit einer elektromagnetischen Pumpe beziehungsweise ein nicht leitendes Fluid kombiniert mit einer Ionenreibungspumpe. Die geschlossene Bahn der Drehimpuls speichernden Flüssigkeit kann vorteilhaft ringförmig gestaltet sein oder durch einen hohlkugelartigen Körper gebildet werden, welcher eine beliebige Kugelströmung innerhalb aller Rotationsebenen zulässt.Fluid dynamic actuators can be used for position control of satellites. In this case, an angular momentum storing liquid with Affected by a pump on a closed path such that the acceleration of the angular momentum storing liquid leads to a reaction torque on the satellite, so that a targeted change in position of the satellite is possible. As a suitable combination of pump and angular momentum storing liquid are particularly suitable, an electrically conductive fluid combined with an electromagnetic pump or a non-conductive fluid combined with an ion friction pump. The closed path of the angular momentum-storing liquid can advantageously be of annular design or be formed by a hollow-sphere-like body which allows any ball flow within all planes of rotation.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US Pat. No. 2,856,142 [0002, 0008, 0017]
- DE 10230350 [0005]
- JP 4055198 [0006]

Claims

Fluid dynamic actuator for attitude control of spacecraft, wherein the angular momentum storing liquid is at least electrically conductive and magnetically influenced and the angular momentum storing liquid can be influenced by at least one electromagnetic pump on a closed path, characterized in that the electromagnetic pump is electrically connected to a power supply unit wherein the power supply unit has at least one rectifier element, at least one transformer and at least one frequency-generating means and are electrically connected to one another such that an electrical voltage of the spacecraft is transformed into a DC operating voltage adapted to the electromagnetic pump.

Fluid dynamic actuator according to claim 1, characterized in that the transformer is a high or Medium frequency transformer is and a ferrite ring, at least a primary and at least one secondary winding having.

Fluid dynamic actuator after at least one previous Claim, characterized in that the rectifier element is controllable and at least one low-resistance electronic switch, in particular at least one MOSFET.

Fluid dynamic actuator according to at least one preceding claim, characterized in that the high- or medium-frequency transformer, at least one primary winding ( 10 ) and at least two secondary windings ( 12 . 13 ) and the two secondary windings ( 12 . 13 ) have a center circuit and each with at least one MOSFET ( 14 . 15 ) are connected together to form a controllable synchronous rectifier.

Fluid dynamic actuator according to at least one preceding claim, characterized in that the angular momentum storing liquid in an annular channel ( 2 ), wherein the channel cross-sectional area through which flows through is rectangular, round or oval.

Fluid dynamic actuator according to at least one preceding claim, characterized in that the angular momentum storing liquid ( 50 ) in a hollow spherical body ( 42 ) is included.

Fluid dynamic sensor for the detection of changes in position, characterized in that a hollow spherical structure ( 42 ) an at least conductive liquid ( 50 ), wherein at least one magnetic field generating means ( 44 ) in conjunction with a system of electrodes ( 47 ) due to the electromagnetic induction enables detecting the change in position of at least one spatial axis.

Fluid dynamic sensor according to claim 7, characterized in that a hollow spherical structure ( 42 ) an at least conductive liquid ( 50 ), in which three magnetic field-generating means, in particular orthogonal to the hollow-sphere surface, are ( 44 ) in conjunction with a system of electrodes ( 47 ), so that due to the electromagnetic induction, any change in position within all main axes of rotation can be detected.

Fluid dynamic actuator for attitude control of spacecraft, wherein the angular momentum storing liquid is at least electrically conductive and magnetically influenced and the angular momentum storing liquid can be influenced by an electromagnetic pump on a closed path, characterized in that the electromagnetic pump comprises an induction pump, consisting of a field-leading Structure ( 26 ), in particular a ferritic structure, into which at least three traveling-field generating strands ( 27 ) are introduced and a flow channel ( 23 ), in particular of an electrically non-conductive material.

Fluid dynamic actuator according to claim 9, characterized in that within the field leading structure ( 26 ), the flow channel walls ( 23 ) piercing at least two electrodes in communication with the electrically conductive angular momentum storing fluid ( 25 ) are introduced.

Fluid dynamic actuator or sensor after at least a preceding claim, characterized in that the at least electrically conductive angular momentum storing liquid from a liquid metal or a liquid metal alloy, in particular from mercury, from a sodium-potassium eutectic or a Gallium-indium-tin eutectic consists.

Fluid dynamic actuator for position control of spacecraft, characterized in that the angular momentum storing liquid consisting of a dielectric, enclosed by a suitable flow channel and moved by means of an ion friction pump on a closed path becomes.

Fluid dynamic actuator according to claim 12, characterized in that the liquid leading closed structure has an annular channel shape and the flow channel cross section is rectangular, round or oval.

Fluid dynamic actuator according to claim 12, characterized characterized in that liquid-carrying closed Structure has a hollow spherical shape.

Fluid dynamic actuator according to claim 12, characterized characterized in that the angular momentum storing liquid from a dielectric, in particular from kerosene or silicone oil consists.

Fluid dynamic actuator according to claim 12, characterized characterized in that the internal or electron source is pointed, like a divide or consists of at least one wire.

Fluid dynamic actuator according to claim 12, characterized in that the ion friction pump has at least one collector electrode.

Fluid dynamic actuator after at least one previous claim, characterized in that the actuator at least one control unit, position sensors, control loops and Calculator expelling elements are superior.

Fluid dynamic actuator after at least one previous claim, characterized in that the Drehimpulsspeichernde Liquid in conjunction with a thermal control system is.