DE1950332A1

DE1950332A1 - System zur Steuerung der Fluglage eines Raumfahrzeuges

Info

Publication number: DE1950332A1
Application number: DE19691950332
Authority: DE
Inventors: Young Ronald Willaim; Heaton Dr James William
Original assignee: Hawker Siddeley Dynamics Ltd
Current assignee: Hawker Siddeley Dynamics Ltd
Priority date: 1968-10-01
Filing date: 1969-10-01
Publication date: 1970-06-11
Also published as: NL6914824A; BE739696A; FR2023313A1; FR2023313B1

Description

DR. KURT-RUDOLF EIKENBERQ PATENTANWALT

• HANNOVER · SCHACKaTRASSE 1 · TCLEFOM (OSlI) 1140«! · KABEL PATENTION HANNOVER

Hawker Siddeley Dynamics Ltd. 240/442

System zur Steuerung der Pluglage eines Raumfahrzeuges

Die Erfindung betrifft ein System zur Steuerung der Fluglage eines drall-stabilisierten, sich auf einer Umlaufbahn befindlichen Raumfahrzeuges oder Satelliten.

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Es ist bekannt, eine Richtungsstabilität durch einen Drall zu erzeugen, indem der Körper eines Raumfahrzeuges, ein Teil desselben oder ein im Raumfahrzeug angeordnetes Teil in rasche Umdrehung versetzt wird. Das Raumfahrzeug verhält sich dann wie ein Kreisel, so daß ein einwirkendes Steuermoment oder ein Störmoment eine Präzession der Rotationsachse erzeugt.

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit der Steuerung der Richtungsweisung der Rotationsachse eines drallstabilisierten, sich auf einer Umlaufbahn befindlichen Raumfahrzeuges oder Satelliten. Die Erfindung ist sowohl bei Raumfahrzeugen anwendbar;' in denen der stabilisierende Drall durch Rotation des gesamten Raumfahrzeuges oder eines Teiles davon erzeugt wird, als auch bei Raumfahrzeugen, bei denen der Drall durch ein oder mehrere Schwungräder bewirkt wird.

Es ist bekannt, eine Spule oder einen Elektromagneten - allgemein als "Magnetorquer" bezeichnet - mit seiner Achse parallel zur Rotationsachse des Raumfahrzeuges anzuordnen, um durch Reaktion mit dem Erdmagnetfeld in der Position des Raumfahrzeuges ein Steuermoment zu erzeugen. Dieses Verfahren weist jedoch den, Nachteil auf, daß die· Richtung des Steuermomentes durch ^sdie Richtung des örtlichen Erdmagnetfeldes bestimmt ist und daher nicht augenblicklich beeinflußt werden kann. Wenn überhaupt, kann ein Steuer-

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moment in einer spezifischen Richtung nur dadurch erreicht werden, daß man wartet, "bis die Position in der Umlaufbahn des Raumschiffes gerade so verläuft, daß das Erdmagnetfeld die geeignete Richtung zur Erzeugung des gewünschten Steuermomentes aufweist.

Es ist ebenfalls bekannt, die Achse einer Spule oder eines Elektromagneten senkrecht zur Rotationsachse des Raumfahrzeuges anzuordnen und mit Stromimpulsen oder anderen Wellenzügen einzuspeisen, die sich mit der Rotationsrate des Raumfahrzeuges oder einiger Subh.armonisch.er davon wiederholen, um durch Reaktion mit dem örtlichen erdmagnetfeld die Rotationsrate des Raumfahrzeuges zu steuern. Diese Steuerung nutzt die Komponente des örtlichen Erdmagnetfeldes aus, die senkrecht zur Rotationsachse des Raumfahrzeuges verläuft.

Die Erfindung zeigt ein verbessertes System zur Steuerung der Pluglage eines drall-stabilisierten Raumfahrzeuges, das dadurch gekennzeichnet ist, daß eine oder mehrere Spulen oder ein oder mehrere Elektromagneten, deren Erregung gesteuert veränderbar ist, so angeordnet sind, daß ihre Achsen senkrecht zur Rotationsachse verlaufen, und daß die Steuerung der in irgendeine Richtung weisenden Rotationsachse durch Reaktion mit der zur Rotationsachse parallelen Komponente des örtlichen Erdfeldes erfolgt.

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Unter der Rotationsachse des Raumfahrzeuges und der Rotationsrate des Raumfahrzeugs ist sowohl die Rotationsachse und Rotationsrate des Raumfahrzeuges als ganzes wie auch (in dem Fall, in dem das gesamte Raumfahrzeug nicht rotiert) von einem Teil desselben oder von einem ! Schwungrad zu verstehen, das zur Erzeugung des stabilisierenden Dralls in Drehung versetzt ist.

■ Wenn der stabilisierende Drall durch Rotation j der Anordnung erzeugt wird, die die Spule oder den Elektro- : magneten trägt, erfolgt die Erregung der Spule oder des ! Elektromagneten durch Stromimpulse oder äquivalente Wellen- ! züge,die sich zyklisch mit der Zykluszeit der Raumfahrzeug-Umdrehung oder einiger Subharmonischer davon wiederholen, ^: so daß die Richtung des Steuermomentes innerhalb einer : Rotationsperiode durch den Takt der Stromimpulse oder

durch die Phase der wiederholten Wellenform in bezug auf j die Drehwinkellage des Raumfahrzeuges gesteuert werden kann.

Die Amplitude des Steuermomentes kann durch Änderung des , Speisestroms gesteuert werden.

Die Erfindung erstreckt sich auch auf den Fall, in dem der stabilisierende Drall ohne Rotation der die Spule oder Spulen bzw. den oder die'.'Elektromagneten tragenden Anordnung erzeugt wird, wobei dann die_x Richtung des Steuermomentes sofort durch Verwendung von zwei Spulen oder "

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Elektromagneten gesteuert werden kann, deren Achsen nicht parallel, sondern im Idealfall senkrecht aufeinander stehen. Die entsprechenden Ströme in diesen beiden Spulen oder Elektromagneten können eingestellt werden, so daß die resultierende Steuerpräzession in einer beliebigen,gewünschten Richtung verläuft.

Das zuletzt genannte Ergebnis kann durch Steuerung der relativen Größen der !Tenn-G-leichströme durch die beiden Spulen erreicht werden, wobei sich eine Vereinfachung der Steuerung ergibt, wenn die magnetischen Momente der Spulen oder Elektromagneten lineare Punktionen der ihnen zugeführten Ströme sind. Alternativ ist es aber auch möglich, die durchschnittlichen magnetischen Momente der Spulen oder Elektromagneten durch Veränderung der Ein-Aus-Stromzyklen der Spulen zu steuern, wobei während der Einschaltperioden beide Spulen mit der gleichen Erregung beaufschlagt sind. Es kann aber auch eine Kombination beider Methoden angewendet werden.

Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung einer einzelnen Spule bzw. eines Elektromagneten, die bzw. der physikalisch in bezug auf die nicht rotierende Raumfahrzeuganordnung rotiert.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Hierin bedeutet:

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Figur 1a eine Ausführungsform der Erfindung

bei einem Raumfahrzeug oder Satelliten, bei der die die Spule oder den Elektromagneten tragende Anordnung rotiert;

Figur 1b Beispiele des Stromverlaufs für die Anordnung gemäß Figur 1 und

Figur 2 die Anwendung der Erfindung bei

einem nicht rotierenden Raumfahrzeug oder Satelliten.

j In Figur 1a rotiert das Raumfahrzeug oder wenigstens I ein Teil desselben, das mit 11 bezeichnet ist, um eine j Rotationsachse 12. Mit der Anordnung 11 rotiert ein Elektro- ^ magnet 13 um die Achse 12. Die magnetische Achse 14 des

Elektromagneten 13 verläuft senkrecht zur Rotationsachse ι Durch Erregung des Elektromagneten 13 mit einem zyklisch ! pulsierenden Strom 15 ( Figur 1b) oder einem Wechselstrom 16, j von dem ein oder mehrere vollständige Zyklen während jeder j Umdrehung der Anordnung 11 und des Magneten 13 um ,die , Rotationsachse 12 auftreten_f so daß auch das elektromagnetische ^! Feld zyklisch schwankt, erfolgt eine Reaktion des magnetischen Momentes des Magneten 13 mit der vertikalen Komponente des

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örtlichen Erdmagnetfeldes 17, so daß ein Steuermoment 18 mit einer spezifischen Richtung zur Einstellung der Richtung der Rotationsachse 12 des Raumfahrzeuges und damit von dessen Fluglage erzeugt wird. Die Richtung des Steuermomentes 18 hängt von der Phasenbeziehung des Erregerstromes 15 bzw. 16 zur Drehwinkellage des Raumfahrzeuges at), während die Größe des Momentes von der Amplitude des Erregerstromes abhängig ist.

In Figur 2 rotiert die Anordnung 19 des Raumfahrzeuges nicht, und der Drall zur Stabilisierung wird durch ein Schwungrad 20 erzeugt, das um eine Achse 21 umläuft. Bei dieser Ausführungsform wird das Moment zur Steuerung der Richtung der Rotationsachse mittels zweier Elektromagneten 22 auf der nicht rotierenden Anordnung 19 erzeugt, deren magnetische Achsen 23 senkrecht zur Rotationsachse 21 und ebenso senkrecht in bezug aufeinander verlaufen. Die Richtung des Steuermomentes ist durch Änderung der Größe oder des Ein-Aus-Zyklus des Erregerstromes in einem Magneten in bezug auf den anderen bestimmt.

Die beschriebenen Anordnungen vermeiden die Nachteile der oben erwähnten bekannten Steuersysteme, bei denen das Ausmaß der Steuerung, das in bezug' auf die Richtung des zugeführten Steuermomentes ausgeübt werden kann, sehr stark begrenzt ist. In der Tat ist die Lage^xdes Steuermagnetmomentes und der wirksamen Komponente des Erdmagnetfeldes entgegen-

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gesetzt, so daß anstelle der Reaktion eines zur Rotationsachse parallelen Steuermagnetmomentes gegen eine radiale Erdfeldkomponente (mit unkontrollierter Richtung) ein radiales Steuermagnetmoment (mit kontrollierter Richtung) gegen die axiale Erdfeldkomponente reagiert. Hierdurch wird die Leistungsfähigkeit eines Systems zur Steuerung der Fluglage eines Raumfahrzeuges wesentlich erhöht.

Wie bereits erwähnt, verhält sich ein drallstabilisiertes Raumfahrzeug wie ein Kreisel, so daß das die Lage korrigierende Moment eine Präzession der Rotationsachse verursacht. Mit jeder Präzession geht aber auch eine gewisse Nutation der Rotationsachse einher, so daß der stetigen Präzession der Rotationsachse eine oszillierende Bewegung überlagert wird. Auch dieser Effekt ist bekannt. Wenn die Präzession aufhört, setzt sich die Nutation in allgemeinen fort, so daß die Rotationsachse nicht auf einen Punkt gerichtet bleibt, sondern einen Kreis oder· - was häufiger vorkommt - eine Ellipse beschreibt. Im allgemeinen klingt diese Bewegung aufgrund des mit der Bewegung der Anordnung verbundenen Energieverlustes sehr langsam ab. Die Amplitude der Nutation nimmt zu, wenn das Verhältnis des Dralls zum Querträgheitsmoment abnimmt.

Das Vorhandensein einer Nutation kann die. Richtungsgenauigkeit, die für ein Raumfahrzeugen hohem Maße

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erforderlich ist, beeinträchtigen. Ferner ist die Forderung zur Aufrechterhaltung eines bestimmten minimalen Wertes an Drall ein unerwünschter Zwang.

Durch Steuerung der Dauer eines zugeführten Kontrollmomentes mit konstanter Amplitude kann die bei Entfernung des Momentes verbleibende Nutationsamplitude zu Null gemacht werden. Hierfür ist es erforderlich, daß das ..Moment für eine Zeit zugeführt wird, die gleich einer ganzen Zahl von Nutationsperioden ist.

Bei einer langen Präzessionsperiode ist die Zeit, in der das Steuermoment nicht wirksam ist, als die Zeit bestimmt, in der sowohl die Verschiebung wie auch die Änderungsrate der Nutationsbewegung , die senkrecht zur Ebene der mittleren Präzession ist, gleich Hull ist. Bei den bisher beschriebenen Steuersystemen wird das zugeführte,Steuermoment durch den oder die im Raumfahrzeug angeordneten Elektromagnete erzeugt.

Es kann aber auch die Amplitude einer bereits vorhandenen Nutation durch Zuführung eines geeigneten Momentimpulses auf Null reduziert werden. Beispielsweise kann eine Nutationsbewegung, die auf einem Moment mit der Amplitude A beruht, das während einer halben Periode der Nutation zugeführt wird, durch Zuführung eines zweiten

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Momentes mit der Amplitude A zu Hull gemacht werden, sofern die Zuführung eine halte Kutationsperiode dauert und mit der richtigen Phasenbeziehung zur 2Tutations"bewegung erfolgt.

Wiederum wird das korrigierende Moment durch einen Strom oder Ströme erzeugt ', mit denen die im Raumfahrzeug angeordneten Steuer-Elektromagneten für die Fluglage gespeist werden.

-Patentansprüche-

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Claims

Patentansprüche :

1J System zur Steuerung der Fluglage eines drallstabilisierten,sich auf einer Umlaufbahn "befindlichen Raumfahrzeuges oder Satelliten, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Spulen oder ein oder mehrere Elektromagneten, deren Erregung gesteuert veränderbar ist, so angeordnet sind, daß ihre Achsen senkrecht zur Rotationsachse verlaufen, und daß die Steuerung der in irgendeine Richtung weisenden Rotationsachse durch Reaktion mit der zur Rotationsachse parallelen Komponente des örtlichen Erdfeldes erfolgt.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule oder der Elektromagnet um.'die Rotationsachse des Raumfahrzeuges rotiert, daß die Erregung der Spule . oder des Elektromagneten durch Stromimpulse oder äquivalente Wellenzüge erfolgt, die sich zyklisch mit der Umdrehungszeit der Spule oder des Elektromagneten oder Subharmonischer davon

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wiederholen, und daß die Richtung des zugeführten Steuermomenteß durch den Takt- oder die Phase der erregenden Impulse oder Wellenzüge in bezug auf die Drehwinkellage des Raumfahrzeuges bestimmt ist.
3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Steuermomentes durch Änderung der Amplitude des Erregerstromes für die Spule oder den Elektromagneten steuerbar ist.
4. System nach Anspruch 2 oder 3> dadurch gekennzeichnet, daß der stabilisierende Drall durch Rotation der die Spule oder den Elektromagneten tragenden.-Vorrichtung erzeugt wird, und daß die Impulse oder die Wellenzüge des Erregerstomres eine zyklische Wiederholungszeit aufweisen, die entsprechend der Drehzahl bestimmt ist.
5. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei nicht rotierende Spulen oder Elektromagnete so angeordnet sind, daß ihre magnetischen Achsen aufeinander und auf der Rotationsachse des Raumfahrzeuges senkrecht stehen, und daß die Richtung des Steuermomentes für die Pluglage durch relative Änderung der entsprechenden Erregerströme bestimmt ist. . .
6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Größe der Erregerströme veränderbar ist, und daß die magnetischen Momente der Spulen oder Elektromagnete

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line are Punktionen der ihnen zugeführten Erregerströme s ind.
7· System nach Anspruch 5> dadurch gekennzelohnet, daß "beide Spulen oder Elektromagne^e mit dem gleichen Erregerstrompegel beaufschlagt sind, und die relative Änderung durch .änderung der Ein/Aus-Zeiten der Ströme herstellbar ist.
8. System nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß aur Unterdrückung der Nutation das Steuermoment für eine Zeit wirksam ist, die gleich einer ganzen Zahl von Mutationsperioden ist.
9. System nach Anspruch 8, dadurch r-Qlzennzeichxiet, daß bei einer langen Präzessionsperiode das Steuermoment in der.Ze.it unwirksam gemacht ist, in der sowohl die Verschiebung wie auch die Änderungsrate der Nutationsbewegung, die senkrecht zur Ebene der mittleren Präzession ist, gleich Null ist.
10. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7> dadurch gekennzeichnet, daß eine auftretende Futationsbewegung durch Anwendung eines entsprechenden Momentimpulses mittels der Spule oder Spulen, bzw,.-■...,&e.s oder der Elektromagneten für. die"Steuerung _;d_er .Pluglage unwirksam gemacht ist,

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