DE202005015431U1 - Reaction wheel arrangement for micro satellite, has precision ball bearings mounted into housing, rotation axis that carries oscillating weight, where arrangement of axis, weight and magnet disc is statically and dynamically balanced - Google Patents

Reaction wheel arrangement for micro satellite, has precision ball bearings mounted into housing, rotation axis that carries oscillating weight, where arrangement of axis, weight and magnet disc is statically and dynamically balanced Download PDF

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    • B64G1/24Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control
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    • B64G1/283Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control using inertia or gyro effect using reaction wheels

Abstract

The arrangement has a vacuum-fit lubricated precision ball bearings (2, 3) mounted in a cylindrical housing (1) at each end of an imaginary cylindrical axis. A rotation axis (4) carries an oscillating weight (5), which is fixedly connected with a magnet disc (6). The arrangement of the units (4, 5, 6) is statically and dynamically balanced. Reverberation sensors (7) are firmly connected with the housing.

Description

Stand der TechnikState of technology

Kleinstsatelliten, auch als Mikro- oder Picosatelliten bezeichnet, kommen mehr und mehr für Forschungszwecke und als relativ preiswerte Beobachtungs- und Messmittel zum Einsatz. Durch die ständig voranschreitende Miniaturisierung der elektronischen und optoelektronischen Komponenten, können Kleinstsatelliten heute schon Aufgaben wahrnehmen, die noch vor wenigen Jahren nur mit sehr viel größeren Satelliten durchgeführt werden konnten. Die Einsetzbarkeit von Mikrosatelliten hängt häufig davon ab, ob dieser lageorientiert fliegen kann, d.h. der Mikrosatellit sollte über eine Vorrichtung verfügen, die es gestattet, den Satelliten in den drei Freiheitsgraden der Rotation gezielt auszurichten. Damit ist es möglich, die Ausrichtung des Satelliten für bestimmte Aufgaben zu optimieren, zum Beispiel:

  • • die zur Energiegewinnung erforderlichen Sonnenpaneele auf die Sonne auszurichten,
  • • die Ausrichtung der Sende- und Empfangsantennen des Satelliten auf die Bodenstation zu optimieren
  • • oder optoelektronische Sensoren auf das zu untersuchende Objekt auszurichten
Microsatellites, also known as micro- or picosatellites, are increasingly being used for research purposes and as relatively inexpensive means of observation and measurement. Due to the constantly progressing miniaturization of the electronic and optoelectronic components, small satellites can already perform tasks that could only be carried out a few years ago with much larger satellites. The applicability of microsatellites often depends on whether it can fly in a position-oriented manner, ie the microsatellite should have a device that allows the satellite to be targeted in the three degrees of freedom of rotation. This makes it possible to optimize the satellite's alignment for specific tasks, for example:
  • • align the sun panels required for energy production with the sun,
  • • to optimize the alignment of the satellite's transmit and receive antennas to the ground station
  • • or optoelectronic sensors to align the object to be examined

Zur Ausrichtung des Satelliten um seine drei Freiheitsgrade der Rotation gibt es beim derzeitigen Stand der Technik mehrere Möglichkeiten.to Alignment of the satellite with its three degrees of freedom of rotation There are several possibilities in the current state of the art.

Verfahren und Vorrichtungen zur Ausrichtung eines Satelliten durch Abstoßen von Gasen nach dem Prinzip einer Rakete sind für die hier betrachteten Mikrosatelliten auf Grund der extrem geringen Baugröße ungeeignet.method and devices for aligning a satellite by repelling Gases based on the principle of a rocket are for the microsatellite considered here unsuitable due to the extremely small size.

Die Steuerung über künstlich erzeugte Magnetfelder von Nano- oder Picosatelliten ist zu ungenau.The Control over artificially generated magnetic fields of nano- or picosatellites is too inaccurate.

Sehr gebräuchlich sind Reaktionsräder, auch Drallräder genannt. Sie sind gegenüber dem Satellitenkoordinatensystem definiert angeordnet und werden über Kommandos einer Bodenstation bezüglich Drehrichtung, -geschwindigkeit und -beschleunigung für jede Rotationsachse des Satelliten getrennt angesteuert. Beim Anliegen eines Drehmomentes am Reaktionsrad erhält der zu steuernde Satellit ein entgegengesetzt gleichgroßes Drehmoment und versetzt sich damit in eine rotierende Bewegung. Ist der gewünschte Drehwinkel des Satelliten erreicht, wird durch einen entgegengesetzten Drehimpuls des Drallrades die Drehbewegung des Satelliten wieder zum Stillstand gebracht. Das Verfahren ist lange bekannt und wird erfolgreich auf verschiedenen künstlichen Erdsatelliten zur Anwendung gebracht.Very common are reaction wheels, also swirl wheels called. They are opposite The satellite coordinate system is defined and defined by commands a ground station with respect to the direction of rotation, -speed and acceleration for each axis of rotation of the satellite controlled separately. When applying a torque to the reaction wheel receives the satellite to be controlled an opposite equal torque and puts it in a rotating motion. Is the desired angle of rotation of the satellite is achieved by an opposite angular momentum of the spin wheel, the rotational movement of the satellite to a standstill brought. The procedure has long been known and succeeds different artificial Earth satellites used.

Mangel am Stand der TechnikLack of State of the art

Betrachten wir einen Mikrosatelliten, würfelförmig, mit einer Kantenlänge von 10 cm und einer Masse von etwa 1 kg, so sind extrem geringe Drehmomente des Drallrades erforderlich, um eine gezielte Rotation um eine Satellitenachse anzusteuern. Um den Mikrosatelliten um eine seiner Rotationsachsen auf eine gewünschte Winkelgeschwindigkeit von 1°/Sekunde zu bringen, bzw. seine Winkelgeschwindigkeit um diesen Betrag zu verändern, bedarf es eines Drehmomentes von etwa 3·10–6 Nm. Eine weitere Besonderheit besteht darin, dass das Drallrad mit Ansteuer- und Ausleseelektronik ein maximales Volumen von 20 cm3 bei einer maximalen Gesamtmasse von 50 g und einem maximalen Leistungsbedarf von 0.2 W nicht überschreiten sollte. Die wenigen handelsüblichen Motoren, die bezüglich Baugröße, Leistung und Lebensdauer im Suchfeld liegen, sind nicht geeignet, eine relativ große Schwungmasse aufzunehmen und dann den extremen Belastungen beim Start der Trägerrakete des Satelliten standzuhalten. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, dass die Elektronik zur Umsetzung des bei Drallrädern üblichen Boden-Steuerkommandos für das Drehmoment, bezüglich Volumen, Masse und Energiebedarf nach dem bekannten Stand der Technik nicht realisierbar ist.If we consider a microsatellite, cube-shaped, with an edge length of 10 cm and a mass of about 1 kg, extremely small torques of the momentum wheel are required to initiate a targeted rotation about a satellite axis. To bring the microsatellite to a desired angular velocity of 1 ° / second by one of its axes of rotation, or to change its angular velocity by this amount, it requires a torque of about 3 · 10 -6 Nm. Another special feature is that the spin wheel with control and readout electronics should not exceed a maximum volume of 20 cm 3 with a maximum total mass of 50 g and a maximum power requirement of 0.2 W. The few commercially available motors that are in the search field in terms of size, performance and life, are not suitable to take a relatively large flywheel and then withstand the extreme loads at the launch of the launcher of the satellite. Another difficulty is that the electronics for the implementation of customary with swirl wheels ground control command for the torque, in terms of volume, mass and energy consumption according to the known prior art is not feasible.

Vorschlag zur Behebung des Mangels am Stand der Techniksuggestion to remedy the deficiency in the prior art

Zum Aufbau eines Mikrodrallrades sind wegen der erforderlichen hohen Lebensdauer und Zuverlässigkeit nur elektronisch kommutierte Antriebe für das Drallrad geeignet. Um den Anforderungen bezüglich Vibrations- und Stoßbelastungen zu genügen, wird unter Beibehaltung des Kommutierungsprinzipes eines elektronisch kommutierten Motors, der Magnetrotor und die Schwungmasse zu einer Einheit integriert. Diese Einheit aus Magnetrotor und Schwungmasse ist auf einer Drehachse statisch und dynamisch ausgewuchtet angeordnet. Die beiden Enden der Achse dieses Rotors laufen in ausgewählten und vakuumfest geschmierten Kugellagern. Der Stator des Drallrades enthält die Antriebsspulen des Drallrades und die Hallelemente zur Detektierung der Drehfeldlage.To the Structure of a Mikrodrallrades are because of the required high Lifetime and reliability only electronically commutated drives suitable for the spin wheel. Around regarding the requirements Vibration and shock loads to suffice, is maintained while maintaining the Kommutierungsprinzipes one electronically Commutated motor, the magnet rotor and the flywheel to a unit integrated. This unit of magnet rotor and flywheel is on a rotational axis arranged statically and dynamically balanced. The two ends of the axis of this rotor run in selected and vacuum-sealed ball bearings. The stator of the spin wheel contains the drive coils the swirl wheel and the Hall elements for detecting the rotating field position.

Ausführungsbeispiel 1Embodiment 1

Ein Ausführungsbeispiel ist in 1 dargestellt. In ein zylindrisches Gehäuse (1) sind an den jeweiligen Enden der gedachten Zylinderachse die vakuumtauglich geschmierten Präzisionskugellager (2) und (3) montiert. Die Drehachse (4) trägt die Schwungmasse (5), die mit der Magnetscheibe (6) starr verbunden ist. Die Anordnung aus den Elementen (4) (5) und (6) ist statisch und dynamisch ausgewuchtet. Die Hallsensoren (7) sind mit dem Gehäuse (1) fest verbunden.An embodiment is in 1 shown. In a cylindrical housing ( 1 ) are at the respective ends of the imaginary cylinder axis, the vacuum-lubricated precision ball bearings ( 2 ) and ( 3 ) assembled. The axis of rotation ( 4 ) carries the flywheel ( 5 ), with the magnetic disc ( 6 ) is rigidly connected. The arrangement of the elements ( 4 ) ( 5 ) and ( 6 ) is statically and dynamically balanced. The Hall sensors ( 7 ) are with the housing ( 1 ) firmly connected.

Ausführungsbeispiel 2Embodiment 2

Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt 2. In ein zylindrisches Gehäuse (1) sind an den jeweiligen Enden der gedachten Zylinderachse die vakuumtauglich geschmierten Präzisionskugellager (2) und (3) montiert. Die Schwungmasse (4) ist an den Stirnseiten mit Lagerzapfen für die Präzisionskugellager (2) und (3) versehen, wodurch die Fertigung einer hochgenauen Passung an einer Welle und der kleinen und dennoch hochgenauen Bohrung der Schwungmasse gemäß Ausführungsbeispiel 1 entfällt. Die Magnetscheibe (5) wird über einen Absatz der Schwungmasse zentriert und ist mit der Schwungmasse fest verbunden. Die Anordnung aus den Elementen (4) und (5) ist statisch und dynamisch ausgewuchtet. Die Hallsensoren (6) sind mit dem Gehäuse (1) fest verbunden.Another embodiment shows 2 , In a cylindrical housing ( 1 ) are at the respective ends of the imaginary cylinder axis, the vacuum-lubricated precision ball bearings ( 2 ) and ( 3 ) assembled. The flywheel ( 4 ) is at the end faces with bearing pin for the precision ball bearings ( 2 ) and ( 3 ), whereby the production of a highly accurate fit on a shaft and the small yet highly accurate bore of the flywheel according to Embodiment 1 is eliminated. The magnetic disc ( 5 ) is centered over a shoulder of the flywheel and is firmly connected to the flywheel. The arrangement of the elements ( 4 ) and ( 5 ) is statically and dynamically balanced. The Hall sensors ( 6 ) are connected to the housing ( 1 ) firmly connected.

Claims (4)

Anordnung eines Reaktionsrades für Mikrosatelliten, unter Verwendung eines Schwungrades, einer Magnetscheibe, einer Antriebsspulenanordnung und einer elektronisch kommutierende Ansteuereinheit, dadurch gekennzeichnet, dass: Magnetscheibe und Schwungrad eine fest miteinander verbundene Einheit bilden,Arrangement of a reaction wheel for microsatellites, using a flywheel, a magnetic disk, a drive coil arrangement and an electronically commutating drive unit, characterized in that: magnetic disk and flywheel form a unit permanently connected to one another, Anordnung eines Reaktionsrades für Mikrosatelliten, unter Verwendung eines Schwungrades, einer Magnetscheibe, einer Antriebsspulenanordnung und einer elektronisch kommutierende Ansteuereinheit, dadurch gekennzeichnet, dass: gemäß Anspruch 1 die Einheit Magnetscheibe und Schwungmasse auf einer Drehachse angeordnet ist.Arrangement of a reaction wheel for microsatellites, using a flywheel, a magnetic disk, a drive coil assembly and an electronically commutating drive unit, characterized that: according to claim 1 the unit magnetic disc and flywheel on a rotation axis is arranged. Anordnung eines Reaktionsrades für Mikrosatelliten, unter Verwendung eines Schwungrades, einer Magnetscheibe, einer Antriebsspulenanordnung und einer elektronisch kommutierende Ansteuereinheit, dadurch gekennzeichnet, dass: gemäß Anspruch 1 die Einheit Magnetscheibe und Schwungmasse auf der Drehachse statisch und dynamisch ausgewuchtet ist.Arrangement of a reaction wheel for microsatellites, using a flywheel, a magnetic disk, a drive coil assembly and an electronically commutating drive unit, characterized that: according to claim 1 the unit magnetic disk and flywheel on the axis of rotation static and dynamically balanced. Anordnung eines Reaktionsrades für Mikrosatelliten, unter Verwendung eines Schwungrades, einer Magnetscheibe, einer Antriebsspulenanordnung und einer elektronisch kommutierende Ansteuereinheit, dadurch gekennzeichnet, dass: gemäß Anspruch 1 die Einheit Magnetscheibe und Schwungmasse dadurch gebildet wird, dass die die Magnetscheibe bildenden magnetischen Dipole in die als Schwungmasse ausbildete Trägermasse unmittelbar eingebettet sind.Arrangement of a reaction wheel for microsatellites, using a flywheel, a magnetic disk, a drive coil assembly and an electronically commutating drive unit, characterized that: according to claim 1 the unit magnetic disk and flywheel is formed by the magnetic dipoles forming the magnetic disk are inserted in the carrier mass formed as a flywheel are embedded immediately.
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