DE1456204A1

DE1456204A1 - Einrichtung zur Orientierung von Satelliten

Info

Publication number: DE1456204A1
Application number: DE19651456204
Authority: DE
Inventors: Matteo Donald N
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1964-04-10
Filing date: 1965-04-07
Publication date: 1969-06-12
Also published as: GB1067784A; US3367604A; NL6504581A

Description

Anmelden General Eleotrio Company, Soheneotady, New York, USA Einrichtung zur Orientierung von Satelliten 1456204

Die Erfindung betrifft eine Einriobtung zur Orientierung ron Satelliten, alt welcher eine Orientierung relativ au das Gradienten de· örtlichen Gravitationsfeld· erfolgt.

£· kann analytisch gezeigt werden, daß ein länglicher Körper wie ein langer dünner Stab, der «ich auf einer Umlaufbahn um einen zentralen Körper befindet, eine solche Drehung erfährt, daß •eine Längsachse in Richtung des Gradienten de· ortHohen Gravitationsfeldes liegt. Ua diesen Effekt praktlsoh auszunutzen, wurden gewisse experimentelle Weltraumflugkörper «it ausziehbaren stabförmigen Einrichtungen in For« von elastisohen Bindern au»geriistet, die naoh de» Wegfall von Zwangskräften eine lange und dünne rohrförmig« Fora erhalten, und mit deren Hilfe der Flugkörper orientiert werden kann. Die·· spezielle zusammenfaltbar« Einrichtung ist erforderlioh, weil der Gradient de« Gravitation·*» feld· der Erde ·ο klein 1st, dafl Irgend eine stabförmige Einrichtung (die im folgenden der Kürz« halber al· Stab bezeichnet werden soll, wozu jedoch zu bemerken ist, daß darunter nicht nur massive Stäbe zu verstehen »ind) mehrere Meter lang »ein muß, damit ein ausreichender Effekt erzielt wird. Da ·· bei« gegenwärtigen Stand der Technik nioht möglioh 1st, Objekte mit darartigen Abmessungen in eine Umlaufbahn zu bringen, erhalten die

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elastischen Blinder ·1α· solche AusfUhrungsform, dafi si« sich bslm Wegfall der Zwangskräfte ι» ihr· Längsachse krümmen, so daß ■it tinea langen und dünnen Zylindermantel alt etwa kreisförmigem Quereohnitt bilden. Bei« AbsohuS eind ele zu einer Bolle aufgewiokelt und durch Zwangekräfte zusammengehalten.in des Flugkörper untergebracht, bis dieser in die Umlaufbahn gelangt. In der Umlaufbahn werden sie dann abgewickelt, so dafi sich die rohrfurmige Ausbildung ergibt.

Bs war bisher Üblich, derartige Stäbe aus Btrylliua-Kupfer-Legierung «it etwa 0,05 an (2/1000 Soll) Sicke und einer solchen Breite herzustellen, daß ein Zylinder mit etwa 1 l/h on Durchmesser beim Abrollen gebildet wird, wobei eine etwa den halben Umfang entsprechende Überlappung erfolgt. Eine derartige Ausbildung ist für den Verwendungszweck in mechanischer Hinsicht geeignet» besitzt jedoch einen eigenartigen Macht ix. Ein Kurper in einer Umlaufbahn um die Erde ist einer In*^p en Strahlung von der Sonne, einer Strahlung ron der Erde mit wesentlich geringerer Intensität, sowie einer Strahlung vernaohlässigbarer Intensität von anderen Teilen des Veitraums ausgesetzt. Als Folge ergibt sioh ein Wärmeflufi duroh den Stab mit daraus reeultierenden Temperaturgefällen, die gewisse Ausdehnungseffekte zur Folge haben. Vährend diese Ausdehnung bei kurzen Längen von Stäben aus einem derartigen Material nioht won besonderer Bedeutung ist, ist bei gröieren Längen die resultierende Deformation der Stäbe für die Orientierung des auf einer Umlaufbahn befindlichen Flugkörpers von Bedeutung, well der Gradient des Schwerefeldes eine sehr genaue Besugsgrttee 1st. Bs wurde sohon vorgeschlagen, den Wärmeeinflnfl duroh einen Überzug aus Silber fUr dl· Beryllium-KupferLegierung zu verringern, indem das Absorptionsvermögen der

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Oberfläche Beglichst ftring gehalten wird. Diese Maßnah·· ist jedooh nicht ausreichend, weil der übcrsug bei* Aufrollen des Band· Tor des Abvehufl abblättern kann, und veil dadurch der Wäraeflus nur verringert wird und die theraisohe Deformation lediglieh indirekt beeinflusst wird. Der Obersug kann ferner durch auftreffende Heteeride abgetragen werden. Au· dl···« Grund« wäre ein homogenes Material vorsusiehen.

Ein Tereueh «ur Beeeitignng der Schwierigkeiten aufgrund thermischer Deformationen derartiger Stäbe duroh Verringerung dee Värmeelnflueses kann nur begremte Ergebnis·· ermöglichen, da kein YOlIkonen reflektierendes Material bekannt iat. CtemäB der Erfindung wird ein Gütefaktor dee Materials ersielt» bei den nioht nur das Absorptionsvermögen der OberflMoh« sondern aueh sonstige Parasieter des Materials berUoksiobtigt werden. Aufbauend auf dieser erfinderischen Erkenntnis konnte aus einer groBen Anzahl γόη Materialien ait geeigneten steohaniaohen Eigenschaften ein solehes ausgewählt werden, das eine derartige Kombination von Blgensohaften aufweist, dafi ss der bisher üblicherweise Yorwandten Beryllium-Kupfer-Legicrung und auch anderen Legierungen überlegen ist, welohe ohne die der Erfindung sugrunde liegenden Erkenntnisse als gleich gut ge*ign«t ersoheinen würden.

Es 1st Aufgabe der Erfindung, zur Orientierung γόη Weltrauaflugkttrpern dienende Stäbe so auszubilden, daß bei deren Verwendung ■ttgllohst geringe Defomationen aufgrund eines Teaperaturgefalles auftreten.

Anhand der Zeiohnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Ss seigent

Fig. 1 einen von einer Rolle abgewickelten rohrförmigen Stab für die Orientierung γοη Plugkörpern, dessen Foraänderung aufgrund γόη Strahlung von *·** Sonne angedeutet ist; und

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Fig. 2 eintn Qutrsohnltt durch den in Fig. 1 dargestellten Stall.

Der in Flg. 1 dargestellte verlängerbare Stab 10 ist teilwei»e Im Schnitt und In einer gewiesen Länge von einer Rolle 12 abgewickelt dargestellt. Et toll angenommen werden, daß dae Band vorher vollständig auf dieser Holle aufgewickelt und gespeichert war. Durch einen Pfeil gekennzeichnete Strahlung lh füllt Bit einem Auffallwinkel fi auf den Stab 10 auf und wird davon teilweise absorbiert, wodurch eich eine ungleichmäßige Erhitzung und eine unterschiedliche Ausdehnung aufgrund eines Temperaturgefälles ergibt. Die gestrichelte Linie 10* zeigt die Lage des Stabs 10, wenn keine Ausdehnungseffekte vorhanden sind. Die Abweichung des Endes des Stabs 10 von dem Ende des Stabs 10* beträgt Y. Fig. 2 zeigt eine Endansicht oder einen Querschnitt durch den Stab 10.

Die Temperatur der Sonne liegt so weit oberhalb der Temperatur eines derartigen Stabs im Veitraum, daß der Wärmefluß in den Stab von der- Sonne elnfaoh als proportional dem Absorptionsvermögen der Oberfläche dee Stabs angenommen werden kann. Dies bedeutet mit anderen Worten, daß ein konstanter Fluß vorliegt, eo daß eine Analogie zu Olelohstrombedingungen in der Elektrizitätslehre vorhanden ist. Unter diesen Bedingungen ist das Temperaturgefälle Über dem Material dem spezifischen thermischen Widerstand des Materials proportional, oder der thermischen Leitfähigkeit des Materials umgekehrt proportional. Das Temperaturgefälle erzeugt jedooh eine differentielle Ausdehnung, die nur in einer Proportion zu dem linearen thermleohen Ausdehnungskoeffizienten des Materials steht. Die von der Erde empfangene Strahlung hat im Vergleich zu der von der Sonne empfangenen Strahlung eine so geringe Intensität, daß sie vernachlässigt werden kann. Die spezielle von dem Stab erreichte

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Temperatur geht nioht direkt in diese Abtobätzung eine· Material· ein, weil durch die Temperaturdifferenzen in de» Stab, welohe durch den thermitohen PIuO durch da· Stück erzeugt werden, die differentielle Autdehnung und die daalt verbundene Verformung bewirkt werden, welche gemäß der Erfindung mögllohst gtring gehalten werden toll.

Dethalb ist et müglloh, einen thermitehen Gütefaktor für die Materialien zur Her·teilung von Stäben für die Orientierung von Satelliten duroh den Gradienten det Sehwerefeldt anzugeben. Sin derartiger Faktor muß dem Verhältnis von thermischer Leitfähigkeit zu den Produkt au· Abtorptionsvermögen und des linearen thermitohen Ausdehnungskoeffizienten proportional eein.

Et hat zunäohst den Antohein, daB damit alle interettierenden Faktoren berUoktlohtigt teien. Diet itt aber nicht der Fall. Die grundsätzliche Funktion det Stabt betteht darin, eint geradlinig ▼erlaufende Einrichtung zu bilden. Vm in der erwähnten Veite verlängerter zu »ein, muß er abgeflaoht werden kennen, ohne daB die Elastizitätsgrenze überschritten wird. Die zuletzt genannte Anforderung erscheint trivial, weil bei hinreichend dünnem Bandmaterial dessen Quersehnittsmodul beliebig verringert werden kann, Vie jedoch nooh gezeigt werden toll, wird daduroh dat Temperaturgefälle in dem Stab erhöht. Et tind daher folgende Überlegungen anzustellen:

Venn die kollimlerte Sonnenenergie auf den rohrförmigen Stab im Veitraum auftrifft, wird die Oberfläche det Stabt, auf welche die Strahlungsenergie auffällt, auf eine höhere Temperatur erhitzt ale diejenigen Oberfläohenbereiohe, die zu dem kalten, tohwarzen Veltraumbereioh weiten. Dieses Temperaturgefälle kann in folgender VeIse ausgedrückt werdent

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kt
wobei

ein ff

/\T « TeeperaturgefMlle über dt« Stab (⁰F) a * solare« Absetzt ionsveraögen k » thermische Leitfähigkeit (BTU/h.Ft.°P) r * Radius de* Stabs (ft) t - Materialdioke (ft) S s solare Strahlungskonstante » 440 BTU/h.ft

0 β Winkel zwischen dea Vektor der Sonneneinstrahlung und der Achse des Stabe.

Aus diesem Ausdruok ist ersichtlich, daß der sohllernete Fall auftritt, wenn der Winkel Sonne/Stab 90° betrögt.

Sobald der thermische Gradient A T bekannt ist, kann die Abweichung des Stabendes aufgrund einer thermischen Deformation durch die Gleichung

ϊ a L In see

beschrieben werden, wobei:

Y a Ausbiegung des Stabendes senkrecht zu der

ungekrUwBten Gestalt (ft) X * Stablttnge (ft)

r * Radius des Stabs (ft)

μ u thermischer Ausdehnungskoeffizient des

Stabmaterials (ZoI1/⁰F) T ■ Temperaturgradient (⁰F)

Aus den obigen Gleichungen ist ersichtlich, daß folgende Möglichkeiten für die Verringerung von/l T und damit der Auslenkung bestehen)

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(a) Verringerung de* Stabradius (r),

(b) Erhöhung der Materialdioke (t) de· Stabs,

(ο) Erhöhung der Leitfähigkeit (k) des Stabmaterlals, und (d) Erniedrigung des solaren Absorptionsvermögens (a) der Staboberfläohe.

Bei eine» vorgegebenen Stabmaterial ist aber das Verhältnis t/r duroh die zulässige Spannungsbeanspruohung beim Verflachen des Stabs begrenzt. Die zugeführte Spannungsbeanspruohung beia Aufrollen zu einer Speicherrolle beträgtj

f κ ausgeübte Spannung (pel) S m Elastizitätsmodul (psi).

Deshalb ist die Vergrößerung von t und die Erniedrigung von r (erwünscht um die Ausbiegung möglichst gering zu halten) duroh den Elastizitätsmodul und die zulässige Spannung zum Verflaohen des Materials begrenzt. Die Aufgabe, die thermische Auslenkung möglidi gering zu halten, kann deshalb duroh Auswahl eines Stabmaterials mit folgenden Eigenschaften erfolgen:

a) Ein großes Verhältnis von zulässiger Spannung zu E,

b) eine hohe thermische Leitfähigkeit,

o) ein niedriges solares Absorptionsvermögen. Deshalb 1st der thermische Empfindliohkeitsfaktor

IHM*

wobei F-y die zulässige Spannung ist, ein Maß für die thermische Verbiegungseapfindliohkeit zu prüfender Stabmaterialien. Ein Material, welches den niedrigsten Faktor dieser Art hat, besitzt deshalb optimale Eigenschaften im Hinblick auf thermische

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Auslenkungen. Dieser Empfindlichkeit*faktor 1st «in resiproker Gütefaktor, was also bedeutet, daß er sur Krtlelung bester Ergebnisse möglichst klein «ein tollt·.

Der thermisch* Empflndliohkeitsfaktor umfasst nicht die Dichte de· Material·. Venn die Ma·se pro Einheitslänge de· Stabs •in entscheidender Faktor bei deren Wirksamkeit wäre (va· bei aussohliefllieher Abhängigkeit Ton den Stäben allein für die Orientierung der Fall wäre)» sollte die Dichte des ausgewählten Materials in irgend eine« gültigen Gütefaktor auftreten* In der Praxis kennen jedoch die Massen an den fernen Enden der Stäbe vorgesehen werden, um irgend eine« Mangel an Masse in den Stäben selbst abzuhelfen, weshalb die Dichte kein bestimmender Faktor ist* Ferner hat das Material, dessen Verwendung hler vorgeschlagen wird, eine größere Dichte als die bekannte Berylliu«-KupferLegierung (0,380 amerikanische Pfund pro KublksoU gegenüber 0,297 Pfund pro Kubikzoll), so daß Irgend ein OütemaO, das die Dichte enthält, a fortiori die Überlegenheit des wünschenswerteren Materials anzeigen würde.

Bei der Untersuchung von sahlreiohen Legierungen, deren vorteilhafte Verwertbarkeit für derartige Stäbe nach den obigen Aus· führungen bcstiawt werden kann, wurde eine lsi Handel erhältliche Legierung emlttelt, welche der übllohen Beryllium-Kupfer-Legierung überlegen let, indem »ie einen thermischen Empflndliohkeltafaktor hat, der etwa 1/6 desjenigen der Beryllium-Kupfer-Legierung beträgt. Diese Legierung ist von der Handy and Harmon Corporation of New York, New York unter dem Handelenamen Coneil 995 erhältlich. Eine andere im Handel erhältliche Legierung mit vergleichbaren

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mechanischen Eigenschaften, die i« folgenden als X bezeichnet wird, wurde ebenfalls geprüft. In der folgenden Tabelle sind die Gewichtszusammensetzungen dieser Legierungen aufgeführt, wHbfcend •ihre thermischen Empfindlichkeitsfaktoren mit denjenigen von Beryl Hunt-Kupfer verglichen werden, Consil 995 besteht in der Hauptsache aus Silber und hat deshalb eine sehr gut reflektierende Oberfläche. In terrestrischer Umgebung muß diese SilberoberflXohe gegen Schwefelverbindungen geschützt werden, was ohne weiteres mit Hilfe von KunststoffüberzUgen oder anderen bekannten Schutzmaßnahmen erreicht werden kann. Venn diese erfolgt, beträgt das Absorptionsvermögen für solare Strahlung etwa 0,09. Dieser Wert liegt etwas höber als 0,07, welcher Wert gewöhnlich allein für sichtbare Strahlung verwandt wird, weil ein großer Teil der solaren Strahlung außerhalb des sichtbaren Bereichs liegt. Eine Härtung des extraweichen Materials wird durch Erhitzung in einer oxydierenden Atmosphäre auf etwa 125O⁰F bewirkt. Dies ist vergleichbar mit einer Ausseheidungshttrtung durch Erhitzung auf eine etwas niedrigere Temperatur, welche bei Beryllium-Kupfer Verwendung findei.FUr den Interessierenden Verwendungszweck ist es wünschenswert, daß das verwandte Material keine ausgesprochene Befestigungshärtung aufweist, da Verarbeitung und Deformation zur Erzeugung einer unkontrollierten Härtung fuhren können.

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	- 10 -	Ghe«isohe Zusamensetsung (Qewiohtsprosent)	Cousil 995	13xlO⁶	X	Be-Cu (Beryloo 25)
	Tab·!!·	Meohanisohe Eigenschaften	99,5 Ag 0,3 Mg 0,2 Nl		72,0 Ag 28,0 Cu	B· 1,3 - 2,05 Co 0,18-0,30 Cu Beet
Material		(Pfund pro Quadratzoll)	SohlieQliohe 65,000 bit Spannung 70,000 Streck- 50,000 ■pannung		70,000 53,000 bis 58,000	185,000 bis 210,000 100,000
	Elaatizi- ttttaaodul	12,6xlO⁶	19xlO⁶

oht

Thermische Eigensohaf-

ten

k BTP

η . ft .~P

(in/in)

Thermischer Bepfindliohkeitefaktor

0,380

0,09

155

0,365

0,21%

200

lOxlO'⁶ lOxlO"*⁶

0,297 0,418

75 9,9x10

1,51x10

f.

2,45x10

10,6x10

Et ist ereiohtlich, daß die zuerst aufgeführte Legierung einen Empfindliohkeitefaktor hat (oder einen reziproken Gütefaktor), der iiberrasohend kleiner als derjenige anderer Materialien ist, die für den beabsichtigten Zweck zunäohet gleichwertig erscheinen.

Patentansprüche

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Claims

- Xl - ?. April 1965 Β/ΑΧ Hein· Akt·ι 1*05 Patentansprüche 1456204

1. Einrichtung zur Orientierung «Ines Satelliten in deia Gradienten •Ines Gravitationsfelds, welohe einen verlängerbaren rohrförmigen, elaetieohen Stab aufweist, dadurch gekennzeichnet ,daß dieser Stab aus einer Legierung ■it einen theraisohen Enpfindlichkeitsfaktor (der in der Beschreibung definierten Art) von weniger als 1,6 χ 10 besteht*

2. Stabftfraige Einrlobtung naoh Anspruoh 1, daduroh gekennzeichnet ,dafi si· aus einer Legierung alt einer nominalen Zusajuiensetsung von 99,5 Teilen Silber, 0,3 feilen Magnesit» and 0,2 Teilen Nickel besteht.

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