DE1963533C3 - System zum Steuern der Lage einer künstlichen Erdsatellitenkapsel - Google Patents

Description

Einrichtungen zum Dämpfen von Schwankungen des Gravitationsgradientengliedes.

Um die bei völlig passiven Lagesteuersystemen auftretenden Probleme zu vermeiden, sind die aktiven Lagesteuer- und -Stabilisiersysteme entwickelt worden. Das typische aktive Lagesteuer- und -Stabilisiersystem weist ein massives Schwungrad auf, das in Verbindung mit einer Masse-Ausstoßeinrichtung in Form eines Rückstoßstrahles oder durch die BeVerbindung mit Schwungrad-Entsänigungseinrichtungen verwenden. . . Beim Steuersystem nach der Erfindung sind drei Schwungräder vorgesehen, deren Drehachsen jeweils mit einer der Roll-, Kipp- und Gierachsen des Raumfahrzeuges parallel verlaufen. Die Schwungräder deren Drehachsen in der Flugrichtung des Raumfahrzeuges bzw. in der senkrechten Richtung (die aegen die Erde zielt) liegen, d. h. längs der RoIl-ι j„_ r:„„a_{r£ t};nH .nitpinnnrler durch ein Dreh-

»ätigung einer elektromagnetisch ansprechenden Ein- io _Und der Gierachse, sind miteinander durch ein richtung in Form von mit dem Erdmagnetfeld zu- moment gekoppelt, das im Ansprechen auf die sich sarnmenwirkenden Elektromagneten arbeitet. Die dauernd ändernde Orientierung des Satelliten in der Miisse-Ausstoßeinrichtung oder die elektromagnetische Einrichtung ist in Verbindung mit Schwung

sättigung bekannt ist, erforderlich. Die Schwungsättigung tritt auf, weil das Drehmoment eines Schwungrades sich bei einem gewissen Wert der Radaeschwindigkeit sättigt, d. h., wenn die Ge-

Iromagnetischen Technik kann die Antriebsspeicherimg des Schwungrades herabgesetzt werden, so daß tbs Schwungrad die Lage des Raumfahrzeuges in der erforderlichen Weise steuern kann.

Umlaufbahn entwickelt wird, während das Schwungrad in der verbleibenden Kippachse von dem Bahnrädern wegen einer Erscheinung, die als Schwung- 15 winkel des Satelliten relativ unabhängig ist. Da die

Schwungräder ausschließlich zum Dämpfen der Schwankungen des Gravitationsgradientengliedes verwendet werden, wird das Problem der Schwung-

.X^c-..- -_o.—- _c., _. ..., _._ ... radsättigung vollkommen vermieden. Mit anderen

schsvindigkeit des Rades sie¹) auf eine bestimmte 20 Worten erzeugen Drehmomente, die von dem Grariohe vergrößert, kann eine das Rad antreibende vitationsgradientenglied entwickelt werden, einen Motorwelle nicht beschleunigt werden, so daß das Effekt, der den Drehmomenten in einem aktiven Puhmomcnt, welches das Schwungrad auf den Sa- System bekannter Art ähnlich ist, während die te!üten ausüben kann, auf Null fällt. Durch Anwen- Schwungräder die Schwankungen des Gravitalionstlung der Masse-Ausstoßtechnik und oder der elek- 15 gradientengliedes in einem Ausmaß stabilisieren, wie ■ - - - _cs ;_{n cincm vi}jiiig passiven System nicht erreich

bar ist.

Ein süchtiger Vorteil des Systems nach der Erfindung, der bei bekannten passiven Gravitalions-

We^en des Brennstoffbedarfs zum Beiäticen eines 30 gradienten-Stabilisiersystemen nicht erzielbar ist, ist Rückstoßstrahls haben Satelliten, die einen Masse- die Möglichkeit, das Raumfahrzeug in einem von ,Ausstoß für die Lagesteuerung verwenden, eine der örtlichen Senkrechten abweichenden Winkel ausi.ebensdauer, die auf etwa zwei Jahre beschränkt ist. zurichten. Die Deviation des Satelliten- und Graviriektromagnetische Techniken zur Verhinderung der tationsgradientenzielwinkels wird dadurch erreicht, Schwungradsättigung sind in synchronen Höhen un- 35 daß das Gravitationsgradientenolied kardanisch abpeeignet, weil das Erdmagnetfeld in solchen Höhen gestützt ist, so daß es sich um die Roll- und die schwach und nicht vorausbestimmbar ist. Ein wei- Kippachse relativ zu dem Raumfahrzeug frei bcteier Nachteil, der bei der Verwendung von Schwung- wegen kann. Dadurch kann die Gierachse des Raumrädern in Verbindung mit Rückstoßstrahlen oder fahrzeugen relativ zu der örtlichen Senkrechten verelektromagnetischen Einrichtungen auftritt, ist das 40 schoben sverden, und die Gleichgewichtslage des erhebliche Gewicht, welches die "Schwungräder erfor- Gravitationsgradientengliedes verbleibt längs der örtdern. Die Schwungräder müssen eine ausreichende
Trägheit und somit ein hohes Gewicht haben, um
die primäre Satelliten-Steuervorrichtung zu bilden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei 45

einem System zum Steuern der Lage einer Satelliten- _c _.. , .

kapse¹ die Drehmomente zu dämpfen, die durch Fig. ! ist eine schemalische Darstellung, die. einen

Schwankungen des Gravitationsgradientengliedes auf- synchronen Satelliten in zwei Stellungen und Lagen _treten_ relativ zu einem Raumbezugspunkt statt zu einem

Diese Aufgabe wird bei einem System eingangs 50 Erdbezugspunkt zeigt;

ersvähnter Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, F i g. 2 ist eine schaubildüchc Darstellung, welche

daß die Einrichtung zum Dämpfen von Dreh- die Art und Weise veranschaulicht, in der eine Stange momenten Schwungräder aufweist, die koaxial zu von einem Kardangelenk gemäß der Lrhndung at> den Hauptachsen der Satellitenkapsel angeordnet gestützt ist; .

sind, um Rückstellmomente an der Kapsel in drei 55 Fig. 3 ist eine auseinanderge/ogene Ansicht, ü:<. orthogonalen Richtungen aufzubringen, und daß eine

liehen Senkrechten.

Weitere vorteilhafte Merkmale des Systems nach der Erfindung enthalten die Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielsweise erläutert.

Einrichtung vorgesehen ist, die auf die Winkelverschiebung des Gravitationsgradientengliedei gegenüber der örtlichen Senkrechten anspricht und die die Antriebsmotoren der Schwungräder steuert.

Bei diesem System dienen die Schwungräder als« nur als Schwankungsdämpfer. Die durch die Schwungräder erzeugten Drehmomente sind genauer und sprechen schneller an als die der bekannten passiven Systeme.

Das Steuersystem nach der Erfindung ist sowohl bei passiven Gravitationsgradienten-SvsMnen als auch bei Systemen anwendbar, die Schwungrädei in

das Zweiachsen-Kardangelenk für die Stange ir« Verbindung mit Schwungraddämpfern für die Schwankungen zeigt;

Fig. 4 ist ein schematisches elektromechanisches Diagramm, welches die Einrichtung zeigt, die aui der einen Achse des Steuersystems gemäß der Fifir dung angeordnet ist;

Fig. 5 und 6 sind Funktionsblockdiagramme, di den Regelkreis für die Roll- bzw. Kippbewcgun;. eines Satelliten gemäß der Erfindung veransekau liehen;

F i g. 7 ist ein Diagramm, welches die Winkel· beziehuniien zwischen dem Satelliten, dem Gravi

tationsgradicntenglicd und der örtlichen Senkrechten veranschaulicht.

In Fig. I ist ein künstlicher Erdsatellit 11. der nicht drehstabilisiert ist und sich in einer synchronen Höhe von 35 720 km über der Erde auf einer äquatorialen Umlaufbahn befindet, in zwei Stellungen dargestellt, die voneinander um 90 verschoben sind. Die beiden in Fig I dargestellten Stellungen des Satelliten 11 gelten für einen außerhalb der Erde liegenden Bezugspunkt, c'a der Satellit H sich mit der gleichen Drehgeschwindigkeit wie der Planet bewegt, so daß er relativ zur Erde stillzustehen scheint.

Der Satellit 11 weist bei einer typischen Ausführungsform eine Instrumcntenkapsel 12 auf, an der eine Radioantenne starr befestigt ist, die eine reflektierende Antenncnschale 13 und eine Speiseeinrichtung 14 aufweist. An der Speiseeinrichtung 14 ist ein Infrarotsensor IS in einer solchen Lage angeordnet, daß er Signale abzuleiten vermag, welche die Winkellage des Horizonts der Erde relativ zu dem Satelliten 11 anzeigen. Der Infrarotsensor 15 ist mit einem cicxironischen Stromkreis von in der Technik bekannter Art verbunden, um Signale abzuleiten, weiche die Horizontwinkellage relativ zu einer ersten und einer zweiten Ebene anzeigen, welche die RoIl- und die Gicrachse bzw. die Kipp- und die Gierachse des Satelliten 11 enthalten.

In der Zeichnung sind die Roll- und die Kippachse des Satelliten 11 durch die .v- bzw. die y-Koordinatenachse dargestellt, während die Gierachse des Satelliten durch die c-Koordinatenachse dargestellt ist. Für Bczugsztvecke wird die Roll- bzw. x-Achse des Satelliten II als die Ach c der Flugrichtung bezeichnet: die Gier- bzw. ;-Achse des Satelliiten ist gegen die Erde gerichtet und geht durch die Achse des Satelliten hindurch, die quer zur Rollachse verläuft, und die Kipp- bzw. y-Achse ist die Achse, die rechtwinklig sowohl zu der .v-Achse als auch zu der <-Achse verlauft

Um die Orientierung des Satelliten 11 relativ zu einer dritten Ebene, welche die Rollachse ν und die Kippachse y enthält, um die z- bzw. Gierachse zu bestimmen, ist ein Stcrnfolgedetektor 16 vorgesehen. Der Detektor 16 weist ein Fenster auf. das immer in nördlicher Richtung gegen den Polarstern zielt. und er leitet Signale ab. welche die Drehung des Satelliten um die Gierachse c anzeigen. Da der Satellit 11 nicht drehstabilisiert ist. zielt der Detektor 16 immer in eine nördliche Richtung, die rechtwinklig zu der Ebene der Bewegung des Satelliten in einer äquatorialen Umlaufbahn verläuft.

Um den Ziehvinkel der Kapsel 12 und der Antenncnschale 13 relativ zu einem Punkt auf der Erde zu steuern, ist an der Kap>el 12 ein Gravitationsgradicntcnglied drehbar angeordnet, das zwei Freiheitsgrade für die Drehung um die .v-Achse bzw. die y-Aehse in Ebenen hat. weiche- die z-Achse enthalten. Das Gravitationsei .!uientenglied besieh! aus einer 45 m langen und 3.632 kg schweren biegsamen So Stange 17. deren eines EnJc uin der Kapsel 12 kardanisch abgestützt ist. so Λ.\β \ie sich um die RoIl- und die Kippachse des Ni'.elliten in Ebenen frei bewegen kann, welche du Gicrachse enthalten. An dem anderen Ende der M.inge 17 ist eine Spitzen- ί-, rrnisse 18 befestigt, die ein Gewicht in der Gtoncnordnunt; von 6.810 kg 1*.;;. Die Stange 17 und die Spitzcnmassc !8. die zusammen das Gra\ H.iiin'^- gradientenglicd bilden, haben eine Trägheit von etwa I (178 mkg see² und eine erste Schwingungsform mit einer Frequenz von 0.062 rad/sec für die genannten Parameter. Das maximale Drehmoment, das von dem beschriebenen Gravitationsgradientenglicd auf die Kapsel 12 ausgeübt werden kann, liegt in der Größenordnung von 13.8 · 10"~^emkg für einen Winkel von 45 zwischen dem Gravitationsgradientenglied und der Senkrechten auf die Erde.

Das aus der Stange 17 und der Spilzenmassc 18 bestehende Gravitationseradientenglied steuert die Lage der Kapsel 12. indem es Drehmomente längs der Roll- und der Kippachse der Kapsel erzeugt. Di« Längsachse des Gravitationsgradientengüedcs. die längs der Länge der Stange 17 verläuft, wird. wie weiter unten erläutert, so gesteuert, daß sie eine stabilisierte Stellung hat, die mit dem örtlichen senkrechten Gravitationsvektor, d. h. einem Gravitationsvektor in Ausrichtung liegt, der sich radial vom Mittelpunkt der Erde zum Ort des Satelliten erstreckt.

Wenn der Satellit 11 durch eine äußere Kraft, wie z. B. durch Solardruck., gestört oder so gesteuert wird, daß die Antenne 13 gegen den Horizont ι ' Erde zielt, so daß die Gierachse der Kapsel 12 nicht mit der örtlichen Senkrechten zusammenfällt, dann wird das Gryvitationsgrndientenglied derart gcstcucn . d;-ß es, wenn es sich im Gleichgewicht befindet, in·, Ansprechen auf eine weiter unten beschriebene Rückkopplungsariordnung mit der örtlichen Senkrechten ausgerichtet wird.

In Fig. 1 sind diese Bedingungen graphisch veranschaulicht, da bei dem auf der rechten Seile de: Frde dargestellten Satelliten die Achse dct Antenne 13 längs det c-Achse der Kapsel 12 verlauft, die m■.'■ der örtlichen Senkrechten zusammenfällt, während bei dem in der F i g. 1 unterhalb der Erde darecste!'-ten Satelliten die c-Achse der Kapsel 12 .-uif d· ■■< Horizont der Erde zielt. Tn beiden Fällen fällt Je Längsachse der Stange 17 mit der örtlichen Sen's rechten zusammen. Der OricntierungswinkelbctV". für die c-Achse der Kapsel 12. so daß sie nicht iv.i: der örtlichen Senkrechten zusammenfällt, kann im Ansprechen auf ein Signal gesteuert werden, welches dem Satelliten beispielsweise durch eine Hochfrequenzverbindur.g zwischen dem Raumfahrt :c und der Erde zugeführt wird.

Die beidcii in Fiel wiedergegebenen um °^Λ verschobenen Orientierungen des Satelliten 11 e: geben sich in einer komplementären Beziehung .;.^ den Bahngeschwindigkeits-Kopplungsdrehmomen;. ·. die auf den Satelliten 11 ausgeübt werden. Die komplementäre Beziehung ist vorhanden, weil eiie .r-Achsc für die Stellung des in Fig. I auf der rechten Seite der Erde dargestellten Satelliten ir. ..ve negative z-Achse für die Stellung des unter der F:Je dargestellten Raumfahrzeuges umgewandelt v.:-..i und umgekehrt die c-Acrme in die x-Achse u-^ewandeh wird. Im Gegensatz dazu bleibt die y-Ae/"<· des Satelliten Jl im Raum feststehend, da sie .;.-zur Flugrichtung veririuft. Wegen der kompi."". " türen Beziehung zwischen den Drehmomemcn der .1-Athse und der :-Achse des Raumfah'.v. .... ■ ist -es erforderlich, eine Rückkopplungssicueno' .- ' »mg MVAohl für die G:erachse als auch fur die K.- ' und die kippneh-e vorzusehen, obwohl das G;va: tationsgradientenciied keine Bewegungsfreiheit ;.:.-;-tiv 711 ckr Gierachse der Kapsel 12 hat

Es sei jetzt auf Fig. 2 und 3 Bezug genommen. achsen-Steuervorrichtung wird das Schwungrad 4:

die in schaubildlicher Ansicht bzw. in auseinander- angetrieben, um die Schwankungen der Stange 17 zi

gezogener Darstellung die mechanischen Einrichtun- dämpfen, die relativ zu der örtlichen Senkrechten ii

gen wiedergeben, die zum Steuern der Stellung der der Ebene auftreten, welche durch die y-Achse un<

Stange 17 und zum Stabilisieren der Lage des Satel- 5 die z-Achse der Kapsel 12 bestimmt ist. Im An

liten dienen, um die Drehmomente zu kompen- sprechen auf Reaktionsdrehmomente, die von den

sieren, die an der Kapsel 12 durch Schwankungen Kardandrehmomenterzeuger 27 erzeugt werden um

des Gravitationsgradientengliedes angreifen. Um die gegen die Trägheit des Gravitationsgradientengliede

Orientierung der Stange 17 mit zwei Freiheitsgraden in der y-z-Ebene wirken, wird die Kapsel 12 relatii

relativ zu der Kapsel 12 zu steuern, enthält die Kap- io zu der örtlichen Senkrechten in der Ebene ange

Sei eine Zweiachsen-Kardaneinrichtung 21. Die trieben, die durch die Kipp- und die Gierachse dci

Kardaneinrichtung 21 weist einen am Körper der Kapsel bestimmt ist.

Kapsel 12 befestigten äußeren Kardanbügel 22 und Bei der besonderen Rollachsen-Steuervorrichtunj

einen inneren Kardanbügel 23 auf, an welchem die gemäß F i g 4 ist angenommen, daß die Rahmer

Stange 17 drehbar angebracht ist. Die Kardanbügel 15 des Kardandrehmomenterzeugers 27 und des Mo

22 und 23 tragen drehbare Wellen 24 bzw. 25, deren tors 44 für den Antrieb der Stange 17 bzw. de:

Längsachsen mit der Kippachse bzw. der Rollachse Schwungrades 41 durch mechanische Verbindungen

der Kapsel 12 zusammenfallen. Die Wellen 24 und die durch die Linien 51 und 52 angedeutet sindT ar

25 werden zu einer Drehung relativ zu den Bügeln dem Körper der Kapsel 12 starr befestigt sind. Ob

22 bzw. 23 von Drehmomenterzeugern 26 bzw. 27 20 wohl der Rahmen des Kardandrehmomenterzeuger!

engetrieben. An einer mittleren Stelle der Welle 25 27 tatsächlich nicht starr an dem Körper der Kapse

Ist das eine Ende der Stange 17 befestigt, um die 12 befestigt ist, ist seine Lage mit Bezug auf di(

beiden Freiheitsgrade für das Gravitationsgradienten- Ebene, welche die Roll- und die Gierachse der Kap

glied relativ zu der Kapsel 12 zu schaffen. sei enthält, unveränderlich, um zu ermöglichen, dai

Um die Drohstellungen der Wellen 24 und 25 zu as die erste Annahme genau gemacht wird.

Überwachen und elektrische Signalanzeigen der Die Ausgangswellen des Kardandrehmoment

Winkellage der Stange 17 relativ zu der Gicrachse erzeugers 27 und des Motors 44 drehen sich um ein*

der Kapsel 12 sowohl in der .τ-z-Ebene als auch in Achse, die mit der Rollachse der Kapsel 12 zusam

der y-z-Ebene zu schaffen, sind praktisch reibungs- mcnfällt, um den Winkel der Stange 17 relativ zi

lose optische Codierer 28 und 29 jeweils auf einer 30 der Gierachse des Raumfahrzeuges in der y-z-Ebeni

der Wellen angeordnet. Um die Wellen 24 und 25 bzw. die Drehbeschleunigung des Schwungrades 41

abzustützen und sie während des Anhebens des Sa- zu steuern. Die Winkelablenkung der Stange 17 voi

telliten von der Erde in ihrer Stellung zu verriegeln. der Gierachse der Kapsel 12 wird von dem dei

Sind Lager- und Kardanverriegelungsgehäuse 31 an Winkel abfühlenden Codierer 29 überwacht, de

den sich gegenüberliegenden Enden jeder Welle an- 35 einen ersten Eingang, welcher mit Bezug auf di<

geordnet. Die Gehäuse 31 für die Welle 25 sind an Rollachse 12 fest ist, und einen zweiten Eingang hat

dem Kardanbügel 23 starr befestigt, während die der auf die Drehung der Welle 25 anspricht. De

Gehäuse 31 für die Welle 24 an dem Kardanbügel Ausgang des den Winkel abfühlenden Codicrcrs 2!

22 befestigt sind. Um eine Kopplung der elektrischen ist ein Winkel q-, der gleich dem Ablenkungswinkel.

Signale zwischen dem Codierer 29 oder dem Kardan- 40 zwischen dem Stangenwinkel und der örtlichen Senk

drehmomenterzeuger 27 und dem in der Kapsel 12 rechten in der y-z-Ebene minus dem Ablenkungs

eingeschlossenen elektrischen Stromkreis zu crmög- winkel Φ der Kapsel 12 von der örtlichen Senk

liehen, sind der Drehmomenterzeuger und der Co- rechten in der y-z-Ebene ist, d. h. q■ = Λ — <j

dierer über zweckentsprechende nicht dargestellte (Fig. 7).

Verbindungen an den elektronischen Stromkreis an- 45 Um die Winkelorientierung der Gierachse de;

geschlossen. Kapsel 12 in der y-z-Ebene selektiv zu steuern, is

Die sich aus den Schwankungen des von der eine Hochfrequenzverbindung zwischen einer Erd

Stange 17 und der Spitzenmasse 18 gebildeten Gra- station (nicht dargestellt) und einem Empfänger an

vitationsgradientengliedes ergebenden Drehmomente Satelliten 11 vorgesehen. Von dem Satelliten

werden durch Schwungräder 41, 42 und 43 gedämpft. 50 empfänger wird ein Signal festgestellt, welches der

Die Schwungräder 41, 42 und 43 sind derart ange- gewünschten Winkel Φ_Γ der Gierachse der Kapsel Ii

ordnet, daß ihre Drehachsen mit der Roll- bzw. relativ zu der örtlichen Senkrechten in der y-z-Ebem

Kipp- und Gierachse der Kapsel 12 zusammenfalten, anzeigt. Das Φ,,-Signal (Fi g. 4) wird von einem Ver

So daß die Schwungräder an den Satelliten rück- stärker 54 in der Phase umgekehrt, um ein Signa

stellende Drehmomente in den drei rechtwinkligen 55 abzuleiten, welches die gewünschte Winkelabwci-

Richtungen der x-, y- und z-Achsen anlegen, um chung ψ_€ zwischen der Gierachse des Satelliten unc

die Schwankungen des Gravitationsgradientengliedes der Achse der Stange 17 in der x-z-Ebene anzeigt

tu dämpfen. Die Schwungräder 41, 42 und 43 wer- Die Ausgangssignale ^₁. und ψ, die von dem Ver-

den getrennt von Motoren 44 bzw. 45 und 46 an- stärker 54 bzw. dem Codierer 29 abgeleitet werden

getrieben, so daß Änderungen der Drehgeschwindig- 60 werden in einem elektronischen Subtraktionsnetz-

kcit der Schwungräder Drehmomente erzeugen, werk 53 verglichen, welches einen Ausgang liefert,

welche die Schwankungen des Gravitationsgradienten- dessen Größe die Abweichung des tatsächlichen

gliedes dämpfen. Winkels und des gewünschten Winkels des Gravi-

Es sei jetzt auf Fig. 4 Bezug genommen, in wel- tationsgradientengliedes in der y-z-Ebene anzeigt,

eher ein schematisches Schaubild für die Rollachsen- 65 Der resultierende (<y_t. — <p)-Ausgang des Subtrak-

Steuervorrichtiing gemäß der Erfindung dargestellt tionsnetzwerks 53 treibt den Elektromotor 44 an, dei

ist, d. h. für das System zum Drehen der Stange 17 seinerseits das Schwungrad 41 antreibt, um Schwan-

Um die Rollachse in der y-z-Ebene. Für die Roll- kungen des Gravitationsgradientengliedcs 17, 18 in

der y-z-Ebene zu dämpfen. Der Motor 44 ist mit ausreichender innerer viskoser Kupplung versehen, um die Dämpfung zu schaffen, die erforderlich ist, um das Gravitationsgradientenglied zu stabilisieren, obwohl das gleiche Ergebnis erforderlichenfalls auch mit einem äußeren Tachometer-Rückkopplungs.netzwerk erzielt werden kann.

Zum Steuern des Kardandrehmomenterzeugers 27 wird die Winkelabweichung Φ der Kapsel 12 von der

neiemsMguai _Ψι »»..₆.. .. ι diesem Zweck spricht

ein Horizontsensor 55 auf den Ausgang der Zelle 15 an, um ein Signal zu liefern, welches die tatsächliche Winkelstellung Φ der Kapsel 12 in der y-z-Ebene relativ zu der örtlichen Senkrechten anzeigt. Der Φ-Ausgang des Detektors 55 wird mit dem Signal <P_L. in einer Subtraktionseinnchtung 56 verglichen, die ein Signal liefert, welches den Wert (Φ, — Φ) anzeigt und als der eine Eingang einem Summierverstärker 57 zugeführt wird. Der andere Eingang zu dem Verstärker 57 zeigt die zeitliche Änderungsgeschwindigkeit (q) der Stange 17 relativ zu der Gierachse der Kapsel 12 in der y-z-Ebene an und wird von einem DifTerenziernetzwerk 58 abgeleitet, welches auf den den Wert φ anzeigenden Ausgang des Winkelabfühlcodicrers 29 anspricht. Der des Verstärkers 57, d. h. ein elektrisches anzeigt, das erforglied spricht auf den Ausgang der Einrichtung 70 derart an, daß die Stange 17 relativ zu der örtlichen Senkrechten um einen Winkel ,1 gedreht wird, um an der Kapsel 12 ein Gravitationsgradientendrehmoment in der y-z-Ebene zu erzeugen, welches durch die physikalische Verschiebung der Stange 17 von der örtlichen Senkrechten um den Winkel ,1 erzeugt wird, wie dies durch einen Kasten 73 angedeutet ist. der das Gravitationsgradientendrehmoment darstellt, ίο Das Gravitationsgradientendrehmoment wird mit dem Ausgang der Einrichtung 70 in einer Einrichtung 74 linear kombiniert, deren Ausgang das Nettodrehmoment darstellt, welches an die Stange 17 angelegt wird.

is Das von dem Kardandrehmomenterzeuger 27 erzeugte Drehmoment beeinflußt die Winkelstellung Φ der Kapsel 12 in der y-c-Ebene mit Bezug auf die örtliche Senkrechte, wie dies durch den Φ-Ausgang des Kastens 72 angedeutet ist. Die Winkelstellung ίο der Kapsel 12 in der y-z-Ebene wird außerdem durch die Drehmomente beeinflußt, die von den Beschleunigungen des die Schwankungen dämpfenden Schwungrades 41 und der Drehung des Satelliten 11 auf Grund der Zwischenkopplung von Drehmomenten abgeleitet werden, die um die Gier- und die Rollachse entwickelt werden. Diese Drehmomente sowie das von dem Drehmomenterzeuger 27 erzeugte Drehmoment sind in Fig. 5 als von einer Einrich

als Eingang zu-

"näheren Erläuterung der Rollachsen-Lagesteu™ichtung S auf das Funktionsblocksteuervorrichtung wiru in Fic. 7 wieder-

fÄ£äh»nä tog giiominen. in S ASSTsXchte durdi eine Linie · ?i?™rhie der Kaosel 12 in der y-z-Ebene durci eini JÄi i iT^^ga.r Gierachse der Kamel von der örtlichen Senkrechten durch de" S Φ dargestellt. Eine beispielsweise durch den wmw. j u ₆ Linie 63 dar-

SS⁸ t von 'de ⁷öi iS S^eenkrechⁿten 61 um den Winkel Tverschoben ist. Die Wintelverschiefune der Sta'e π von der Gierachse der Kapsel « Π fn der y zEbene ist durch den Winkel φ dar-

. m Tm rfieichBewichtszustand hat der Winkel Λ gestellt. ^T™ Gl«chg^ch^sttn^n ^

zwischen den Linien 61 und b* aen w

⁶⁸Es¹ »Mem das Funktionsblockdiagramm gemäß FiT 5 m dnzelnen betrachtet. Die in der Atnpli- ί α „iplrhJn aber in der Polarität entgegengesetzten Ujde gleichen, aber in der ^^olaniai B.| Differenz-Steuersignale Φ und φ ^werd^^{n an} _{Der Au ng}

? -l⁵WwLsne^werks 56 betätigt eine Ein-

x7 das Differenznetzwerk 58 und den Verstärker umfaßt um die Winkelstellung des von der Stange Ϊ? und der Spitzenmasse 18 gebildeten Gravitationsoradientengliedes zu steuern und dadurch den «la-Iven Sei zwischen der Kapsel 11 und dem Gravkationsgradientenglied in der y-z-Ebene zu andern. Se Begehungen sind durch die Verbindungen

Das Gravitationsgradientenzu der ort liehen Senkrechten wird von dem Winkel .1, welcher die Abweichung des Gravitatioiisgradientengliedt.^ von der örtlichen Senkrechten anzeigt, in dem Codierer 29 abgezogen, der effektiv als Subtraktionseinrichtung arbeitet und die Subtraktionseinrichtung 53 speist. Wie oben bereits erwähnt, vergleicht die Subtraktionseinrichtung 53 die tatsächliche Stellung der Stange 17 in der y-z-Achsc mit ihrer gewünschten Stellung, um den Motor 44 zu betätigen und die Beschleunigung des Schwungrades 41 zu steuern. Der sich ergebende Kreis über die Einrichtungen 75, 5C, 74, 29 und 53, welcher die dynamischen Eigenschaften des Satelliten sowie das von dem Schwungrad 41 entwickelte Drehmoment einschließt, kann als Stangenregelkreis angesehen werden, der bewirkt, daß in der Gleichgewichtsstellung der Wert φ gleich dem Wert φ,, gemacht wird. Daher treibt der Stangenregelkreis das Gravitationsgradientenglied derart an, daß die Stange 17 im wesentlichen mit der örtlichen Senkrechten ausgerichtet wird.

Um die Stellung der Kapsel 12 derart zu steuern daß ihre Winkelorientierung von der örtlichen Senkrechten um den Winkel Φ_ζ entfernt werden kann, is' ein Kapsel regelkreis zwischen der abgefühllen Stellung der Kapsel 12 in der y-z-Ebene (durch der Winkel Φ gemessen) und dem Eingangsbefehls signal Φ, über die Subtraktionseinnchtung 56 zu den Drehmomenterzeuger 27 vorhanden. Da der Kapsel regelkreis ein viel rascheres Ansprechen als de Stangenregelkreis hat, kann es als genau angesehei werden, daß praktisch keine gegenseitige Beeinflus sung zwischen ihnen vorhanden ist und daß der ein Kreis unabhängig von dem anderen Kreis wirkt.

Das Funktionsblockdiagramm für den Kippachser regelkreis ist im wesentlichen das gleiche wie das i Fig. 5 dargestellte Blockdiagramm für den RoI

achsenregelkreis, da die in den beiden Kreiden eingeschlossenen Apparaturen mit Substitution zweckentsprechender Steuervorrichtungen und Sensoren identisch sind. In einem Funktionsblockdiagramm des Kippachsenregelkreises liegen sämtliche Winkel in der x-z-Ebene statt in der y-z-Ebene. Die Sensoren in dem Kippachsenregelkreis bewirken, daß der Winkel Φ im Ansprechen auf den Ausgang des Infrarotdetektors 15 für einen Winkel abgeleitet wird, der von der örtlichen Senkrechten um den Winkel Φ in der *-z-Ebene verschoben ist. In ähnlicher Weise ersetzen die aktiven Elemente in dem Kippachsenregelkreis die Elemente in dem Rollachsenregelkreis, d.h., das Schwungrad 41 ist durch das Schwungrad 42 ersetzt, der Codierer 29 i«-t durch den Winkelabfühlcodierer 28 ersetzt, und der Kardandrehmomenterzeuger 27 ist durch den Kardandrehmomenterzeuger 26 ersetzt.

Es besteht jedoch ein bedeutsamer Unterschied zwischen dem Rollachsen- und dem Kippachsenregelkreis: in dem Kippachsenregelkreis ist kein Bahngeschwindigkeitskopplungsdrehmomenteingang zu der Einrichtung 75 vorhanden. Das NichtVorhandensein eines solchen Bahngeschwindigkeitskopplungsdrehmomentes in dem Kippachsenregelkreis hat seinen Grund darin, daß die Kippachse rechtwinklig zur Bewegungsrichtung des Satelliten verläuft und sich daher nicht mit der Lage des Satelliten im Raum ändert.

Es sei jetzt auf F i g. 6 Bezug genommen, in welcher das dynamische Verhalten auf die Drehung der Kapsel 12 um die Gier- bzw. z-Achse in der x-v-Ebene betrachtet wird. Es ist gewöhnlich nicht erwünscht, die Kapsel 12 um die Gierachse des Satelliten zu drehen, und daher wird der Gierachsenbefehl vor dem Start so voreingestellt, ciaß er gleich Null ist, d. h., Vr — 0. Das φ,-Signal wird in einer Subtraktionseinrichtung 76 mit einer Anzeige der tatsächlichen Drehung w des Satelliten um die Gierachse verglichen, was von dem Polarstern-Detektor 16 überwacht wird. Der Differenzausgang der Subtraktionseinrichtung 76 wird als Eingang dem Motor 45 zugeführt, welcher die Beschleunigung des Gierachsen-Schwungrades 43 steuert. Das resultierende Drehmoment, das von dem Schwungrad 43 an der Kapsel 12 abgeleitet wird, wird von dem Gierachsen-Bahngeschwindigkeitskopplungsdrehmoment physikalisch abgezogen. Es ist dabei daran zu erinnern, daß das Gierachsen-Bahngeschwindigkeitskopplungsdrehmoment das Komplement des Rollachsen-Bahngeschwindigkeitskopplungsdrehmoments der Kapsel 12 ist.

Die Beziehung zwischen den Drehmomenten, die von dem Schwungrad 43 entwickelt werden, und dem Gierachsen - Bahngeschwindigkeitskopplungsdrehmoment ist in Fig. 6 durch eine Subtraktionseinrichtung 77 in einem Kasten 78 wiedergegeben, welcher die Dynamik des Satelliten darstellt. Im Ansprechen auf das entgegenwirkende Gierachsen-Bahngeschwindigkeitskopplungsdrehmoment und das durch die Beschleunigungen des Schwungrades 43 erzeugte Drehmoment wird die Satellitenkapsel 12 in der .v-j'-Ebene gedreht, um den Winkel ψ auf Null zu halten.

Die Prinzipien der Erfindung sind nicht notwendigerweise nur auf synchrone Satelliten anwendbar, sondern de können ebenso auf in geringer Höhe umlaufende Satelliten angewendet werden, obwohl die wichtigste Anwendung der Erfindung diejenige mit Bezug auf in großer Höhe umlaufende Satelliten ist. Ferner kann das Gravitationsgradientenglied, das

»o von der Stange 17 und der Spitzenmasse 18 gebildet ist, durch irgendeine zweckentsprechende Masse ersetzt werden, die um den Hauptkörper des Satelliten schwenkbar ist, solange das Trägheitsmoment der schwenkbaren Masse in der Längsrichtung längs der

as örtlichen Senkrechten um das Zehn- oder Mehrfache größer als das Querachsenträgheitsmoment ist. So können die Stange 17 und die Spitzenmasse 18 durch eine Kernbrennstoffquelle ersetzt werden, welche zweckmäßig von einer Instrumenten- oder Menschen nutzlast entfernt angeordnet ist. die sich in di ■ Kapsel 12 befinden können. Gemäß einer weiteren Abwandlung brauchen die Schwungräder 41, 42, 43 mit ihren Drehachsen nicht mit der Roll-, Kipp und Gierachse der Kardanausführungen ausgerichtet

zu sein, sondern die Drehachsen der Schwungräder brauchen· lediglich in einer Ebene zu liegen, die mit der Roll-, Kipp- und Gierachse zusammenfüllt. Als weitere Abwandlung braucht der Hauptkörper des Satelliten nicht symmetrisch zu sein, d. h., dieHaupt-

trägheitsachsen des Satelliten können aus verschiedenen Trägheitsgrößen zusammengesetzt sein, und die Schwenkachse des Gravitationsgradientengliedcs braucht nicht mit dem Massenmittelpunkt des Hauptkörpers des Satelliten zusammenzufallen. Bei einem

♦5 unsymmetrischen Trägheitskörper kann das Gravitationsglied so gesteuert werden, daß seine Längsachse von der örtlichen Senkrechten verschoben wird, um ein Drehmoment zu erzeugen, welches das Graviiationsgradientendrehmoment kompensiert,

das sich aus den Trägheitseigenschaften des Hauptkörpers des Satelliten ergibt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche: Signals mit einem anderen Signal aufweist, welches die gewünschte Winkelverschiebung der Kapsel von der örtlichen Senkrechten anzeigt.

1. System zum Steuern der Lage einer künstlichen Erdsatellitenkapsel, die ein mit ihr gekuppeltes Gravitationsgradientenglied aufweist, mit einer Einrichtung zum Halten des Gravitationsgradientengliedes relativ zu der Kapsel mit zwei Freiheitsgraden, einer Antriebseinrichtung, welche die Halteeinrichtung derart antreibt, daß das Gravitationsgradientenglied gegen die örtliche Senkrechte bewegt wird, und mit einer Einrichtung zum Dämpfen von Drehmomenten, die an der Kapsel auf Grund von Schwankungen des Gravitationsgradientengliedcs -auftreten, d a durch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Dämpfen von Drehmomenten Schwungräder (41, 42, 43) aufweist, die koaxial zu den Hauptachsen der Satellitenkapsel angeordnet sind, um Rückstellmomcme an der Kapsel in drei orthogonalen Richtungen aufzubringen, und daß eine Einrichtung (29, 53) vorgesehen ist, die »uf die Winkelverschicbung des Gravitationsgradientengläedes gegenüber der örtlichen Senkrechten anspricht und die die Antriebsmotoren (44, 45, 46) der Schwungräder steuert.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (29), welche auf die Winkelverschiebung des Gravitationsgradientengliedes (17, 18) von der örtlichen Senkrechten anspricht, auch auf die Winkelabweichung der Kapsel (12) von der örtlichen Senkrechten reagiert und die Anzeigen dieser Abweichungen kombiniert, um ein erstes Signal abzuleiten, welches die Winkeherschiebung des Gravitationsgradientengliedes relativ zu der Kapsel anzeigt.

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennieichnet, daß es eine Einrichtung (29) aufweist, die das erste Signal mit einem zweiten Signal vergleicht, welches die gewünschte Winkelvei Schiebung des Gravitationsgradientenglicdes (17, 18) von der Achse der Kapsel (12) anzeigt.

4. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung für die Schwungräder auf die Winkelabweichung der Kapsel (12) von der örtlichen Senkrechten anspricht.

5. System nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung für die Schwungräder auf die zeitliche Änderungsgeschwindigkeit der Winkelbcwcgung des Gra\itationsgradientengliedes relativ zu der Kapsel anspricht.

6. System nac'i Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antricnseinricbuing für die Schwungräder Teile zum Ableiten eines eisten Signals, welches die Winkelnhwcichiing der Kapsel von der örtlichen Senkrechten Mi/eigi, und Teile zum Vergleichen des ersten Signals mit einem zweiten Signal aufweist, welche¹- die gewünschte Winkelverschiebi:"a ckr Kapsel von der örtlichen Senkrechten nnzeig!.

7. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung für dv Schwungräder Teile 7um Vergleichen des ei Men ίο Die Erfindung bezieht sich auf ein System zum Steuern der Lage einer künstlichen Erdsatellitenkapsel. die ein mit ihr gekuppeltes Gravitationsgradientenglied aufweist, mit einer Einrichtung zum Halten des Gravilationsgiadicntengüedes relativ zu der Kapsel mit zwei Freiheitsgraden, einer Antriebseinrichtung, weiche die Halteeinrichtung derart antreibt, daß das Gra\itationsgradicntenglied gegen die örtliche Senkrechte bewegt wird, und mit einer Einrichtung zum Dämpfen von Drehmomenten, die an der Kapsel auf Grund von Schwankungen des Gravitationsgradicntengliedes auftreten.

Systeme zum Steuern und Stabilisieren der Lage von künstlichen Erdsatelliten sind erstens als passive Systeme bekannt, in denen lediglich Graviiationsgradientengliedcr vorgesehen sind, die mit dem Satelliten verbunden sind, und zweitens als aktive Systeme, die Rückstoßstrahien in Verbindung mit Trägheitsgüedern verwenden, welche gewöhnlich die Fc)HTi von Schwungrädern haben.

Die passiven, aber zuverlässigen Lagesteuersysteme mit Gravitationsgradientengliedern werden häufig als mangelhaft angesehen, weil sie nur zwei bis fünf Grade der Zielgenauigkeit in dm größeren Höhen der Umlaufbahn ergeben, die für ein synchrones Arbeiten des Satelliten erforderlich ist. Völlig passhe Lagesteuersysteme leiden ferner insofern an einem schlechten Einschwingverhalten, als eine merkliche Zeitdauer erforderlich ist. um den Satelliten nach dem Auftreten einer Störung, beispielsweise auf Grund von Solardruck, zu stabilisieren. Wegen der relativen Ungenauigkeit und des schlechten Einschwing\erhaltene, wie sie den völlig passiven Lagesteuersystemen eigen sind, ist die Verwendung von Raumfahrzeugen mit solchen Steuervorrichtungen im Nachrichtenverkehr auf Nachfolgeradioquellen beschränkt, wobei die Satellitenantenne eine große Bündclbreite und somit eine relativ geringe Verstärkung hat. Ein weiterer Nachteil der völlig passiven Systeme ist die Unfähigkeit, die Lage des Raumfahrzeuges relativ zu dem Gravitalionsgradientenglied tu ändern, so daß die Zielrichtung einer Antenne des Satelliten unabhängig von der Lage des Raumfahrzeuges gesteuert werden muß.

In den USA-Patentschriften 3 168 263 und 3 268 183 sind passive Systeme beschrieben, die eine Dämpfung mittels eines \iskosen Mediums oder mittels Reibung \erwenden, um die Schwankungen des Gnnildlioiisgradientenstabcs zu beseitigen. Bei der Ausführung gemäß der USA.-Patentschrift 3 168 263 wird eine Mehrzahl > on Gravilationsgradienlenstäbcn verwendet, die an dem Satelliten befestigt sind und von den ;i /.vei Stube als Dämpfungscinricb'un^en wirken, die jedoch ungeeignet sind, um eine ausi eichende Ziel- oder Ricliuvnaumkeit zu

f'5 erreichen. In eier USV-Palau: chrifi 3 W)8 2(>3 ist die Veiwenduny. u'.n Schwungriidc-in als PriniärstaMÜMerungstechnik ixschrie'si 1.. jedoch bciinoei sie!) dort kein Hinwc^ ^n! die Wi Wi..;iduni: solch¹ i