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Nachrichtensatellit
Die Erfindung betrifft einen aktiven lage-
und bahnstabilisierten Nachrichtensatelliten mit mindestens einer mit ihm starr
verbundenen Richtantenne.
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Aktive Nachrichtensatelliten sind in den verschiedensten Konfigurationen
und nach unterschiedlichsten technischen Ausführungsprinzipien bekannt und auch
bereits im Einsatz. Das Hauptproblem bei derartigen Satelliten besteht darin, zur
Erzielung
einer möglichst großen auf der Erde ankommenden Empfangsleistung
vom Nachrichtensatelliten eine stark bündelnde Richtantenne am Satelliten vorzusehen,
die allerdings dann eine sehr genaue Ausrichtung des Satellitenkörpers in Bezug
auf die Erde bzw. ein anderes Referenzsystem, z.8. einen Fixstern Und der meist
elektrisch oder mechanisch schwenkbaren Richtantenne gegenüber dem Satellitenkörper
erfordert.
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Neben den bereits im Einsatz befindlichen tonnenförmigen, spinstabilisierten
Nachrichtensatelliten, die ein fest mit dem Satellitenkörper verbundenes starres
Antennensystem aufweisen, deren Hauptstrahlrichtung z.B. elektronisch gegen die
Drehung des Satellitenkörpers auf die Erde ausgerichtet wird, sind auch bereits
Entwürfe von Nachrichtensatelliten bekannt, die fest im Satellitenkörpereingebaute
parabolische Richtantennen aufweisen und deren Satellitenkörper daher immer mit
ihrer die Antennen tragenden Seite auf die Erde ausgerichtet werden müssen.
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So ist z.B. aus "Aviation Week 3c Space Technology", 2.Januar
'1967,
Seiten 20 und 21 ein Nachrichtensatellit bekannt, in dessen tonnenförmiger,
Satellitenkörper jeweils nahe der Stirnseiten parabolische Richtantennen fest eingebaut
Aind. Der Satellit muß dabei in seiner jeweiligen Umlaufbahn so bahn- und lagestabilisiert
sein,,daß er mit seiner die Hauptstrahlrichtung der parabolischen Richtantennen
aufweisenden Seite immer auf die Erde ausgerichtet ist: Der zwischen diesen beiden
parabolischen Richtantennen liegende Teil der Mantelfläche des Satelliten ist mit
Sonnenzellen
zur Energieversorgung des Satelliten belegt, wobei
dieser die Sonnenzellen und evtl. andere Bauteile des Satelliten aufnehmende Teil
als Zylinderring ausgebildet ist, der um den eigentlichen fest mit den beiden Richtantennen
verbundenen Kern des Satelliten drehbar ist. Dieser drehbare Zylinderring sorgt
für die Spinstabilisierung des Satelliten, wobei der mit den Antennen verbundene
Kern relativ zur Erde stillsteht.
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Eine solche Konfiguration hat den Nachteil, daß nur ein geringer Teil,
nämlich nur die Mantelfläche des Zylinderringes zur Aufnahme von Sonnenzellen zur
Verfügung steht, daß die in dem Zylinderring enthaltenen elektrischen Bnuteile über
Schleifringe mit dem eigentlichen Satellitenkern verbunden werden müssen, daß die
eine Drehung des Zylinderringes um den Kern des Satelliten ermöglichenden Lager
einen Ausgang ins Vakuum besitzen, wodurch die Konstruktion solcher Lager erschwert
und ihre Lebensdauer beträchtlich verringert wird, Für die Unterbringung der parabolischen
Richtantennen stehen im Verhältnis zu den Gesamtabmessungen des Satelliten nur relativ
kleine, nämlich nur die den Stirnseiten benachbarten Teile des Satellitenkörpers
zur Verfügung.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen derartigen Nachrichtensatelliten
zu verbessern, so daß insbesondere der Einbau der Richtantennen freizügiger erfolgen
kann, die zur Verfügung stehende Fläche zur Aufnahme von Sonnenzellen möglichst
groß ist und er keine einen Ausgang zum Vakuum besitzende Lager zur Halterung sich
relativ
zueinander drehender Teile aufweist.
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Ausgehend von einem aktiven lage- und bähnstabilisierten Nachrichtensatelliten
mit mindestens einer mit ihm starr verbundenen Richtantenne ist diese-Aufgabe gemäß
der Erfindung dadurch gelöst, da-ß alle im Betriebszustand auf die Erde gerichteten
Teile seiner. Mantelfläche von der-oderden Richtantennen und weitere. Teile der
Mantelfläche von der Lage- und Bahnstabilisierung dienenden.Steuertriebwerken durchdrungen
und Richtantennen und ein Teil der Steuertriebwerke im nichtaktiven Zustand des
Satelliten von mindestens zwei entfaltbaren, der Satellitenkonfiguration angepaßten
Sonnenzellenflächen umschlossen sind, die im entfalteten Zustand in außerhalb des
Bereichs der Mantelfläche liegende,-gegenüber dem Satelliten unveränderbare Stellungen
ausklappbar sind.
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Durch-eine derartige Konfiguration eines Nachrichtensatelliten
wird erreicht, daß für den Einbauder-Richtantennen ein im Verhä.ltnis zur Gesamtfläche
des Satelliten großer Teil der Mantelfläehe-zur Verfügung steht, und da diese Fläche
vorzugsweise als eine Ebene ausgebildet ist, die Wahl des für die jeweilige Anwendung_geeignetsten
Antennentyps. sehr freizügig möglich ist. So kann -die.-;Antennenebene z.B. ein
_Dpblstrahlerfeld, .mehrere Parabolantennen, --oder..aber eine Wabenantenns aufnehmen.
Da die den Satellitenkörper umschließenden Sonnenzellenflächen.bei Erreichen der
Umlaufbahn des Satelliten in einem einmaligen Klappvorgang
aus dem
Bereich der Mantelfläche des Satelliten herausgesehwenkt werden, ergibt sich eine
sehr große mit Sonnenzellen belegte Fläche, die darüber hinaus den Vorteil hat,
in mehrere unabhängig voneinander auszurichtende Teilflächen unterteilbar zu sein,
so daß ein Maximum der zur Verfügung stehenden Sonnenzellen in jedem Punkt der Umlaufbahn
des Satelliten von der Sonne gleichzeitig angestrahlt wird. Durch diesen Klappvorgang
wird außerdem der Vorteil erzielt, daß sowohl das Nahfeld der Antennenebene durch
keinerlei Hindernisse gestört ist, als auch die während der Startphase durch die
Sonnenzellenflächen eingeschlossenen Steuertriebwerke bei Erreichen der Umlaufbahn
des Satelliten ungehindert wirksam werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist zur Lagestabilisierung
des Satelliten ein sich vorzugsweise um die zur Antennenebene parallele Symmetrieachse
des Satellitenkörpers drehendes Schwungrad vorgesehen; dessen Drehzahl im oberen
Bereich seiner Nenndrehzahl regelbar ist. Durch ein solches im Inneren des Satellitenkörpers
untergebrachtes Schwungrad, mit dem die Lagestabilisierung des Satelliten durch
den Kreiseleffekt sowie durch Drehimpulsaustausch zwischen Schwungradrotor und dem
Satellitenkörper erfolgt - und zwar durch Beschleunigen und Bremsen des Schwungradrotors
gegen den Satellitenkörper - kann der Rotor mit allen Lagern und dem Antriebsmotor
gekapselt werden. Daher erübrigt sich ein Vakuumlager.
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Nachrichtensatellit so ausgebildet,
daß rotationssymmetrisch zur Symmetrieachse des Satelliten der Apogäumsmotor, das
Schwungrad, die elektronische Ausrüstung und die Treibstofftanks angeordnet sind.
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Durch die rotationssymmetrische Anordnung des Apogäumsmotors und des
Schwungrades auf der gemeinsamen Symmetrieachse des Satellitenkörpers wird dabei
der Vorteil erzielt, daß der während der Brennphase des Apogäumsmotors vorhandene
Spin des gesamten Satellitenkörpers bei Erreichen der Umlaufbahn durch Anlaufen
des Schwungrades abgebaut werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Sonnenzellenflächen
beidseitig mit Sonnenzellen bedeckt: Diese Anordnung ist beim Aufklappen der Sonnenzellenflächen
in mehrere Teilflächen besonders vorteilhaft, da dadurch der Anteil der in jedem
Punkt der Umlaufbahn von der Sonne angestrahlten Sonnenzellen besonders groß ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die zur
Lage- und Bahnstabilisierung erforderlichen Steuertriebwerke am Nachrichtensatelliten
so angeordnet, daß ein Triebwerk für Inklinationskorrekturen auf der Symmetrieachse
gegenüber des Apogäumsmotors mit einer diesem entgegengesetzten Schubrichtung, zwei
--Bahnkorrekturtriebwerke in einer zur Symmetrieachse senkrechten und den Massenmittelpunkt
enthaltenden Ebene mit einanander
entgegengesetzt, parallel zur
Antennenebene und radial zur Symmetrieachse wirkender Schubrichtung, zwei Triebwerkspaare
in dieser gleichen Ebene zur Erzeugung eines auf die Symmetrieachse wirkenden Drehmomentes
und zwei weitere Triebwerke zur Erzeugung eines Präzessionsmomentes in der Nähe
der Stirnseite des Satelliten in einer die Symmetrieachse enthaltenden, zur Antennenebene
senkrechten Ebene angeordnet sind.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist
die elektronische Ausrüstung des Satelliten in unmittelbar den Stirnflächen-benachbarten-Funktionsblöcken
zusammengefast. Diese Anordnung der elektronischen Ausrüstung hat den Vorteil, daß
eine aktive Temperaturregelung durch in den Stirnflächen des Satelliten vorgesehene
Klappen möglich ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Satellit-die-'Konfiguration
einer achtkantigen prismatischen Säule auf, wobei die Antennenebene eine zur Symmetrieachse
parallele, durch die nicht zusammenfallenden Ecken zweier benachbarter Mantelfelder
aufgespannte Ebene ist.
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Alles Nähere--der ärfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels eines solchen Nachrichtensatelliten erläutert:'
Im
einzelnen zeigen: Figur 1 den in seiner Umlaufbahn befindlichen Nachrichtensatelliten
in perspektivischer Ansicht, Figur 2 eine vereinfachte Ansicht des eigentlichen
Satellitenkörpers mit seinen an ihm angeordneten Triebwerken, Figur 3 eine vereinfachte
Ansicht des Satellitenkörpers mit den in ihm untergebrachten elektronischen Baugruppen
und Figuren 4a eine vereinfachte Darstellung des Satelliten bis 4d in verschiedenen
Zwischenstellungen beim Aufklappen der Sonnenzellenflächen.
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Der in Figur 1 dargestellte Nachrichtensatellit 1 besteht aus dem
eigentlichen, hier als achtkantige prismatische Säule ausgebildeten Satellitenkörper
2. Eine von nicht zusammenfallenden Ecken zweier benachbarter Mantelflächen dieser
achtkantigen Säule gebildete Ebene 3 ist als Antennenebene ausgebildet, wobei zwei
Parabolantennen 4 und 5 in dieser Ebene 3 fest eingebaut sind. Jeweils vor einer
Stirnseite des Satellitenkörpers befinden-sich zwiel zueinander senkrecht stehende
Sonnenzellenflächen 6. und 7, die mit dem Satelliten so.verbunden sind, daß sie
über
hier nicht näher dargestellte Schwenkarme 8-und 9 in an sich
bekannter Weise durch einen einmaligen Aufklappvorgang entfaltbar und ausrichtbar
sind. An der einen Stirnseite des Satellitenkörpers 2 befindet sich der Apogäumsmotor
10 und zwei symmetrisch zur Symmetrieachse des Satellitenkörpers angeordnete Steuertriebwerke
11 und 12.
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In Figur 2 ist der Satellitenkörper 2 ohne Sonnenzellenflächen vereinfacht
dargestellt, um die-Anordnung der mit ihm verbundenen Steuertriebwerke zu veranschaulichen.
Auf der den Apogäumsmotor 10 enthaltenden Stirnseite des Satellitenkörpers 2 sind
die Steuertriebwerke 11 und 12 in einer die Symmetrieachse enthaltenden zur Antennenebene
senkrechten Ebene angeordnet. Auf oder unterhalb der gegenüberliegenden Stirnseite
ist in der Symmetrieachse ein Steuertriebwerk 13 angeordnet, das eine dem Apogäumsmotor
entgegengesetzte Schubrichtung aufweist und für Inklinationskorrekturen des Nachrichtensatelliten
vorgesehen ist. Zwei weitere Steuertriebwerke 14 und 15 sind in einer zur Symmetrieachse
senkrechten und den Massenmittelpunkt enthaltenden Ebene mit einander entgegengesetzt,
parallel zur Antennenebene und radial zur Symmetrieachse wirkender Schubrichtung
am Satellitenkörper 2 angeordnet.
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Zusammen mit diesen Steuertriebwerken 14 und 15 sind zwei Triebwerkspaare
16,17 und 18,19 am Satelliten angeordnet, die ein um die Symmetrieachse wirkendes
Drehmoment erzeugen, wobei das von dem Triebwerkspaar 16 und 17 erzeugte
Drehmoment dem von dem
Triebwerkspaar 18 und 19 erzeugten Drehmoment
entgegengerichtet , ist.
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Auf der Symmetrieachse des Satellitenkörpers 2 ist außerdem ein der
Lagestabilisierung des Satelliten dienendes Schwungrad 20 angeordnet. Symmetrisch
zur Symmetrieachse sind um den Apogäumsmotor 10 im Inneren des Satelliten Treibstofftanks
21 untergebracht, die den für den Betrieb der Steuertriebwerke nötigen Treibstoff
enthalten. Jeweils zwei symmetrisch zur Symmetrieachse liegende Tanks 21 sind dabei
miteinander über Treibstoffleitungen verbunden, so daß der für die Steuertriebwerke
benötigte Treibstoff gleichmäßig aus jeweils einem Tankpaar - also immer symmetrisch
zum Massenmittelpunkt entnommen wird.
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An dem in Figur 3 ebenfalls vereinfacht dargestellten Satellitenkörper
2 ist die Anordnung der elektronischen Hauteile in Funktionsblöcken 22 und 23 gezeigt.
Die Funktionsblöcke 23 sind dabei unterhalb der von dem Apogäumsmotor 10 durchbrochenen
Stirnseite des Satellitenkörpers 2 angeordnet. Ein Funktionsblock 22, der in der
Symmetrieachse einen Durchbruch für das Steuertriebwerk 13 aufweist, ist unterhalb
der anderen Stirnseite des Satellitenkörpers 2 angeordnet.
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Der Nachrichtensatellit 1 wird nach Trennung von seiner Trägerrakete
während der Brenndauer des Apogäumsmotors 10 in seine endgültige Umlaufbahn gebracht.
Nach Erreichen dieser Umlaufbahn und
Abbau des Satellitenspins,
z.B. durch Inbetriebnahme des Schwungrads 20 oder anderer Mittel, werden die die
Außenhaut der Mantelfläche des Satellitenkörpers 2 bildenden Sonnenzellenflächen
aus der in Figur 4a dargestellten Konfiguration in die in Figur 1 dargestellte Konfiguration
mit senkrecht zueinander ausgerichteten Sonnenzellenflächen 6 und 7 übergeführt.
Die in Figur 4b sich noch im Bereich der Mantelfläche befindenden Sonnenzellenflächen
6 und 7 werden mit Hilfe der Schwenkarme 8 und 9 über eine in Figur 4e dargestellte
Konfiguration in die in Figur 4d dargestellte Konfiguration des Nachrichtensatelliten
übergeführt, in der die Sonrienzellenfläche 7 senkrecht zur Sonnenzellenfläche 6
ausgerichtet ist, beide Sonnenzellenflächen 6 und 7 sich außerhalb des Bereiches
der Mantelfläche des Satellitenkörpers 2 befinden und die Sonnenzellenfläche 7 teilweise
über die Düse des ausgebrannten Apogäumsmotörs 10 geschwenkt ist, während die Sonnenzellenfläche
6 außerhalb der Symmetrieachse liegt, so daß das Triebwerk 13 ungehindert arbeiten
kann. Die Schwenkarme 8 und 9 und die zwischen den einzelnen Mantelflächenteilen
der Sonnenzellenflächen 6 und 7 vorgesehenen Gelenke sind in bekannter Weise z.8.
als Torsionsfedern ausgebildet, so daß sie z.8. nach Absprengen eines hier nicht
gezeigten Spannbandes, welches den Satelliten in der in Figur 4a dargestellten Konfiguration
während des Startes bis zum Erreichen der Umlaufbahn hält, die Sonnenzellenflächen
selbsttätig entfalten und ausrichten, Der Ausklapp- und Schwenkvorgang der Sonnenzellenfläche
6 und 7 wird dabei in
bekannter Weise nach Absprengen des Spännbandes
durch rein mechanische Energiespeicher vorgenommen.
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Da der Nachrichtensatellit nach Trennung von seiner Trägerrakete während
der Brennzeit des Apogäumsmotors 10 einen Spin zur leichteren Einsteuerung des Satelliten
in seine endgültige Umlaufbahn und zum Ausgleich evtl. um seine Symmetrieachse vorhandener
Bauungenauigkeiten ausführt, muß dieser Spin des Satelliten in seiner Umlaufbahn
abgebaut werden, damit die Antennenebene 3 dauernd zur Erde ausgerichtet ist. Der
Abbau dieses Spins wird dabei vorteilhafterweise dadurch erreicht, daS-das der Bahnstabilisierung
des Satelliten dienende Schwungrad 20 durch Erteilen eines Drehmoments anläuft,
wobei das dabei auf den Satellitenkörper 2 wirkende Reaktionsdrehmoment dem Spin
des Satellitenkörpers 2 entgegenwirkt.
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Das Schwungrad 20 weist gegenüber der Umdrehungszahl-von spinstabilisierten
Satelliten eine weit höhere Drehzahl auf, so daß der von-diesem aufgebrachte Drehimpuls
etwa ebensogroß ist- wie bei einem mit kleinerer Drehzahl rotierenden spinstabilisierten
Satelliten, wodurch das Gewicht_des Schwungrads 20 entsprechend niedrig gehalten
werden kann. Die Drehzahl des Schwungrades 20 ist im oberen Bereich seiner Nenndrehzahl
regelbar, so daß einerseits-die.die Lagestabilisierung beeinflussenden äußeren Störmomente
um die Schwungradachse über die Drehzahl des Schwungrades ausgeglichen werden können,
andererseits die Achse und damit
der Satellit durch den Kreiseleffekt
stabilisiert wird. Die Steuertriebwerke 11 und 12 sind zur Erteilung eines Präzessionsmomentes
bei laufendem Schwungrad 20 auf den Satellitenkörper 2 vorgesehen, wodurch die allmähliche
Auswanderung der Drehachse des Schwungrades 20 aus der Bahnnormalen durch Präzessionsmanöver
von Zeit zu Zeit korrigiert werden kann.
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Die Steuertriebwerkspaare 16,17 und 18,19 dienen zur Erteilung eines
Spin- oder Despin-Momentes auf den Satellitenkörper 2. Die Triebwerke 14 und 15
dienen der Korrektur der Bahngeschwindigkeit, also der Bahnstabilisierung, ebenso
das Triebwerk 13, welches die Bahn bezüglich Inklination zu korrigieren erlaubt.
Durch diese Triebwerke ist eine genaue Lagestabilisierung des Satelliten zu erzielen,
die zur exakten Ausrichtung der Antennenebene 3 auf die Erde notwendig ist.
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Durch den einmaligen Ausklappvorgang der Sonnenzellenflächen 6 und
7 werden die Antennenebene 3 und die mit dem Satellitenkörper 2 verbundenen Steuertriebwerke
von diesen nicht mehr behindert, soldaß sowohl das Nahfeld der Antennenebene 3 als
auch die Wirkungsbereiche der Steuertriebwerke völlig ungestört sind.