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Nachrichtensatellit Die Erfindung betrifft einen aktiven, mit einem
Richtfunksystem ausgerüsteten Nachrichtensatelliten, dessen Konfiguration die Form
einer Hantel aufweist.
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Infolge der geringen zur Verfügung stehenden Sendeenergie erfordert
der ' Nachrichtenaustausch zwischen einem Satelliten und seiner erdgebundenen
Bodenstation eine möglichst genaue Ausrichtung der Richtfunkantenne auf die jeweils
empfangsbereite Bodenstation. Die Richtfunkantenne eines Nachrichtensatelliten muß
daher ständig auf das Erdzentrum ausgerichtet gehalten werden, Zu diesem Zweck ist
es bekannt, Nachrichtensatelliten als trommel- oder kugelförmige Körper auszubilden
und an ihrem Umfang als Antennen wirkende dipolartige Strahler anzuordnen. Auf ihrer
Umlaufbahn um die Erde sind sie. drallstabilisiert, d. h. sie rotieren um
ihre Längsachse, die dabei senkrecht zur Bahnebene ausgerichtet ist. Bei der Rotation
des Nachrichtensatelliten wird von den auf seinem Umfang angeordneten Strahlern
jeweils nur der Strahler eingeschaltet, der gerade gegen das Erdzentrum weist. Die
Umschaltrichtung ist dabei ehtgegen der Rotation gerichtet. Auf diese Weise wird
eine gegen die Erde gerichtete Strahlungskeule erhalten; jedoch mit einem nur relativ
kleinen Antennengewinn. Die beispielsweise durch Erdsensoren gesteuerte Umschaltung
der Strahler-erfordert zudem einen recht großen elektrischen und/oder mechanischen
Schaltungsaufwand mit der dadurch verbundenen Störaufälligkeit. Ein weiterer iSfachteil
ist darin zu sehen, daß bei einem nicht exakten Arbeiten der Umschalteinrichtung
die D - rallfrequenz als Störmodulation auf dem Nutzsignal erscheint.
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Einen größeren Antennengewinn als dipolartige Strahler weisen Horn-
oder Parabolantennen auf, die aber wegen ihrer scharfen Strahlungsbündelung sehr
genau auf das Erdzentrum auszurichten sind. Eine solche Ausrichtung ist bei drallstahilisierten
Satellitenkörpern nicht oder nur dann durchführbar, wenn die Umlaufbahn des Satelliten
so gewählt ist, daß seine Drallachse ständig auf das Erdzentrum zeigt. Dies ist
aber aus Gründen der-Balinmechanik und der Energieversorgang aus Sonnenzellen nicht
praktizierbar.
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Es sind auch Vorschläge bekanntgeworden, Satelliten auf ihrer Umlaufbahn
unter Ausnutzung des Schwerefeldes der Erde in einer definierten Lage zum Erdzentrum
zu stabilisieren. Für eine solche Lagestabilisierung ist der Satellitenkörper in
zwei durch eine Stange voneinander getrennte Körper aufzuteilen, so daß er die Form
einer Hantel annimmt. Unter dem Einfluß des Erdgravitationsgradientenfeldes stellt
sich die Hantelachse in Richtung zum Erdzentrum ein. Eine an dem unteren Satellitenkörper
befestigte Horn- oder Parabolantenne weist hierbei mit ihrer Hauptstrahlungsrichtung
immer auf das Erdzentrum.
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Durch die geringe Rückstellkraft des Erdgravitationsfeldes neigt diese
Anordnung jedoch zum Pendeln, was durch geeignete Dämpfungsanordnungen am Satelliten
herabgesetzt werden kann.
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Im Gegensatz zu draUstabilisierten Satelliten, deren Stabilisierung
unabhängig von der Höhe der Umlaufbahn wirkt, ist diese Methode durch die mit der
Erdentfernung stark abnehmende Rückstellkraft des Erdgravitationsfeldes jedoch nur
für relativ geringe Satellitenhöhen brauchbar.
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Schließlich ist auch eine sogenannte aktive Lagestabilisierung von
Nachrichtensatelliten mit Hilfe von kleinen Raketentriebwerken möglich, so daß auch
hier Richtantennen verwendbar -sind. Jedoch ist die Lebensdauer eines derartigen
Nachrichtensatelliten durch den nur endlichen Treibst offvorrat zu sehr beschränkt.
Steuertriebwerke werden daher bisher nur zum Einsteuern der Satelliten in ihre jeweilige
gewünschte Umlaufbahn und für-- etwa erforderliche Bahnkorrekturen zur Einhaltung
einer gewünschten Umlaufbahn verwendet.
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Hier setzt nun die Erfindung ein, deren Auf,- gabe -es ist, einen
NachrichtensateRiten mit mindestens einer als Horn- oder Parabolantenne ausgebildeten
Richtfunkantenne zu schaffen, der ohne Treibstoff verbrauchende Raketentriebwerke
auch in großen Höhen einer Umlaufbahn um die Erde in seiner Lage so stabilisiert
werden kann, daß die Richtfunkantenne des Satelliten immer auf das Erdzentrum ausgerichtet
ist.
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Ausgehend von einem Nachrichtensatelliten in der Konfigurätion einer
Hantel, mit'&iner als Horn- oder 'Parabolantenne ausgebildeten Richtfunkantenne,
die
während des erdgebundenen Umlaufs des Satelliten auf das Erdzentrum
ausgerichtet ist, ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß mindestens einer der durch
eine Hantelstange miteinander verbundenen Hantelkörper drehbar mit senkrecht zur
Längsachse der Hantel angeordneter Drehachse an der Hantelstange gelagert ist, die
an dem dem Erdzentrum zugewandten Ende die Richtfunkantenne trägt.
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Durch die Wirkung der Erdgravitation wird der hantelförmige Satellit
in bezug auf seine Längsachse festgelegt, so daß von den sechs Freiheitsgraden,
die der Satellit aufweist, ihm nur noch vier verbleiben.
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Ein solcher hantelförmiger Satellit kann infolge der schwachen Rückstellkraft
des Erdgravitationsfeldes Pendelbewegungen ausführen, die noch vier verbleibende
Freiheitsgrade aufweisen. Wird nun ein Körper der Hantel drehbar ausgebildet, so
kann die ganze Anordnung bezüglich dieser Drehachse drallstabilisiert werden. Wird
diese Drehachse senkrecht zuf Hantellängsachse angeordnet, so sind zwei weitere
Freiheitgrade des Satelliten festgelegt, und er kann nur noch innerhalb einer Ebene
hin- und herpendeln.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Körper
über einen mit der Hantelstange fest verbundenen Bügel drehbar gelagert.
Bringt man an diesem Bügel eine Richtfunkantenne in an sich bekannter Weise schwenkbar
an, so kann
diese über die die Lage des Nachrichtensatelliten dauernd überwachenden
Erdsensoren gesteuert und entgegen der Pendelbewegung des Satelliten geschwenkt
werden. Durch eine solche Drallstabilisierung wird 4 die Pendelbewegung eines
schwerkraft# stabilisierten Satelliten auf zwei Freiheitsgrade beschränkt, und die
damit leichter zu beherrschende Lagbänderung des Satelliten wird durch Nachführen
der Antenne entgegen dieser Bewegung kompensiert, so daß die Richtfunkantenne mit
ihrer Hauptstrahlungsrichtung auf das Erdzentrum ausgerichtet bleibt.
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Wird der zweite an der Hantelstangt befindliche. Körper ebenfalls
drehbar gelagert und seine Rotationsachse senkrecht zur Längsachse der Hantel und
senkrecht zur Rötationsachse des ersten Körpers gewählt, so ist der Nachrichtensatellit
in seiner Lage zur Erde festgelegt; er besitzt keinen Freiheitsgrad mehr, da durch
den zweiten rotierenden Körper auch die letzten beiden ihm noch verbliebenen Freiheitsgrade
festgelegt sind. Die Richtfunkantenne wird bei einer solchen Anordnung fest mit
der Hantelstange bzw. einem der Bügel verbunden und ist mit ihrer Hauptstrahlungsrichung
dauernd auf das Erdzentrum ausgerichtet, da die Lage des Satelliten bezüglich der
Erde nach dem Erreichen seiner vorbestimmten Umlaufbahn festgelegt ist, Damit die
Rotation der Körper nicht durch Reibungsverluste an den Achslagerungen abgebremst
wird, ist.vorzugsweise eine magnetische Achslagerung. vorgesehen.
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Die Erfindung wird an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele
erläutert. Es zeigt Fig. la eine Ausführung des Nachrichtensatelliten mit
nur einem drehbar gelagerten Körper, Fig. lb die Seitenansicht der Ausführung nach
Fig. la und F i g. 2 eine Ausführung des Nachrichtensatelliten, bei welchem
beide Körper drehbar gelagert sind, Der in Fig. 1 dargestellte Nachrichtensatellit
weist einen drallstabilisierten Körper A und einen mit diesem über eine Hantelstange
1 verbundenen Körper B auf. Der Körper A ist drehbar uni die Y-Achse
in einem Bügel 2 gelagert, wobei die Achse des drehbaren Körpers A im Lagerbügel
2 an Lagern 3 und 4 magnetisch aufgehängt ist. An der einen Seite des Bügels
2 ist schwenkbar ein Hohlraumresonator 5 angebracht, der in einen Hornstrahler
6 ausläuft. Der Hohlraumresonator 5 wird beispielsweise über einen
Ankopplungsleiter 7, der durch die Hohlachse verläuft, von einem Sender
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im Inneren des rotierenden Körpers A angeregt und strahlt die Energie
durch den Hornstrahler 6 in einem parallel zur Z-Achse verlaufenden Richtstrahl
ab.
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Im einfachsten Fall ist die Satellitenanordnung durch die Wirkung
des Erdgravitationsgradienten so ausgerichtet, daß die Längsachse der Hantelstange
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mit der durch den Erdmittelpunkt gehenden Z-Achse zusammenfällt, wobei der
Satellit so in seine Bahn eingesteuert wird, daß der Körper A der Erde am
nächsten ist und damit der Hornstrahler 6 mit seiner Hauptstrahlungsrichtung.
auf das Erdzentrum aus-Clerichtet ist. Infolge der geringen Richtkraft des Erdgravitationsgradientenfeldes
sind Pendelungen des Satelliten während seines Umlaufs um die Erde nicht zu vermeiden.
Sie werden beispielsweise durch Einflüsse der Sonnen- und Mondgravitation, durch
Schwankungen des Erdgravitationsfeldes, durch den während eines Satellitenumlaufs
sich ändernden Lichtdruck, durch Met - eoreinschläge und ähnliches hervorgerufen,
wobei zu beachten ist, daß die Schwingungsdauer dieser Pendelungen wegen des geringen
Richteffektes relativ lang ist. Infolge der Drallstabilisierung der gesamten Satellitenanordnung
durch den rotierenden Körper A kann diese jedoch nur Pendel- oder Nickbewegungen
in der XZ-Ebene ausführen. Führt die Anordnung nun eine solche in F ig. lb dargestellte
Pendel- oder Nickdrehung um den Winkel a aus, so bleibt der Richtstrahl in Richtung
zum Erdzentrum ausgerichtet, wenn die mit dem Hohlraumresonator 5 am Bügel
2 schwenkbar angebrachte Hornstrahlerantenne um den gleichen Winkel ot aber entgegen
der Pendeldrehung nach-Ceführt wird. Diese Nachführung der Hornstrahlerantenne
6 kann z. B. durch hier nicht dargestellte Erdsensoren automatisch gesteuert
werden. Diese Möc,lichkeit der Nachführung der Hornstrahlerantenne, so daß diese
immer mit ihrer Hauptstrah# lungsrichtung auf den Erdmittelpunkt hinweist, hat außerdem
den Vorteil, daß der Richtstrahl der Antenne auch dann noch exakt auf das Erdzentrum
ausgerichtet ist, wenn das Eidgravitationsgradientenfeld z. B. wegen einer zu großen
Erdentfernung des Satelliten bereits zu schwach ist, um die Satellitenanordnung
immer wieder auf die Z.#Achse einpendeln zu lassen. Dabei muß lediglich die Abweichgeschwindigkeit,
mit der die Pendelbewegung erfolgt, so gering sein, daß die Zeitkonstante groß genug
ist, um den Hohlraumresonator 5 mit seinem Hornstrahler 6 ständig
in Richtung zum Erdzentrum nachstellen zu können. Die Anordnung hat also den Vorteil,
daß die Ausrichtung der Antenne auf das Erdzentrum weitgehend unabhängig von der
Flughöhe des Satelliten ist und die Antenne eine Schwenkbewegung nur in einer Ebene
ausführen muß.
Der zweite Körper B kann z. B. Instrumente enthalten,
Solarzellen tragen oder als Solarspiegel ausgebildet werden. Es besteht jedoch auch
die Mög-
lichkeit, ihn wie den Körper A auszubilden und ebenfalls eine
Rotation ausführen zu lassen. Die Rotationsachse des Körpers B ist dabei, wie in
F i g. 2 gezeigt, 'senkrecht zur Rotationsachse des Körpers A und senkrecht
zur Längsachse, der Hantelstange zu legen, womit die gesamte Anordnung
zu-
sätzlich zur Y-Achse auch noch bezüglich der X-Achse stabilisiert ist.
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Damit hat der hantelförmige*Satellit - wird von Bahnabweichungen
durch äußere Einflüsse abgesehen - keinen Freiheitsgrad mehr, und seine Lage
zum Erdzentrum ist nach dem Erreichen der vorbestimmten Umlaufbahn festgelegt. Die
Richtfunkantenne ist in diesem Fall fest mit dem Satelliten verbunden und dauernd
auf das Erdzentrum ausgerichtet, so daß sich eine durch Erdsensoren gesteuerte Nachführung
der Richtantenne erübrigt.