DE2128687A1

DE2128687A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Position und der Lage eines spinstabilisierten Gerätes

Info

Publication number: DE2128687A1
Application number: DE19712128687
Authority: DE
Inventors: Murray J Neufeld; Walter M Smotrys
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1970-07-06
Filing date: 1971-06-09
Publication date: 1972-04-20
Also published as: JPS5919880B1; DE2128687B2; DE2128687C3; GB1349907A; FR2100261A5

Description

Anmelderin: Stuttgart, den 7· Juni 1971

Hughes Aircraft Company P 2J4-5 S/kg

Centinela Avenue and

Teale Street

Culver City, Calif., V.St₀A₀

Verfahren und Vorrichtung zur Eegelung der Position und der Lage eines spinstabilisierten Gerätes

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung der Position und der Lage eines spinstabilisierten Gerätes durch Ausüben von Schubkräften auf das Gerät sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens bei einem spinstabilisierten Gerät, das eine die äußeren Grenzen des Gerätes definierende Außenhaut und eine die durch den Schwerpunkt des Gerätes gehende Spinachse schneidende Endfläche aufweist»

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Spinstat)ilisierte Geräte oder Fahrzeuge können für viele Zwecke benutzt werden, und zwar sowohl im Laboratorium als auch im !Feld. Als Laboratoriumsinstruiaent sind diese Geräte bei der Prüfung von Umwelteinflüssen zur Nachbildung von bestimmten Betriebszuständen nützlich, beispielsweise bei der Prüfung der Eigenschaften eines Instrumentariums, der Spinstabilität, der Lagesteuerung und dergleichen· Im Feld, insbesondere im Raum, können solche Fahrzeuge oder Geräte als wissenschaftliche Geräte ^ zum Erfassen und Übermitteln von Informationen über physikalische Bedingungen, als Nachrichtenverbindungen und dergl, eingesetzt werden.

Bei all diesen Anwendungen ist es häufig erforderlich, das Gerät in eine genaue Stellung in bezug auf einen Bezugspunkt, beispielsweise ein Prüfwerkzeug, einen Beobachter oder die Erde, zu bringen, von wesentlicher Bedeutung. Eine in gewisser Weise hierfür geeignete Vorrichtung ist aus der US-Patentschrift Re 26 887 bekannt. Diese Patentschrift behandelt eine Vorrichtung zum Bewegen eines spinstabilisierten Körpers in Richtung auf ^ einen Treffpunkt mit einem Ziel, welche die Zielsuchfähigkeit des Körpers steuert und seine Geschwindigkeit einstellt. Diese bekannte Vorrichtung wird mit Hilfe einer präzessierenden Düse und einer seitlichen Düse angetrieben, welche Düsen zusammenarbeiten. Der Schub der präzessierenden Düse ist längs einer Achse gerichtet, die parallel zur Spinachse des Fahrzeuges verläuft, während die seitliche Düse einen Schub erzeugt, der in einer zur Spinachse senkrechten Ebene durch den Schwerpunkt des Fahrzeuges geht. Wenn das bekannte Fahrzeug beschleunigt

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werden muß, muß die präzessierende Düse kontinuierlich während einer oder mehrerer vollständiger Umdrehungen des Fahrzeuges eingeschaltet sein, um die erzeugten Präzessionsmomente auszugleichen. Infolgedessen kann die Beschleunigung des Fahrzeug zu groß oder zu klein sein, so daß eine nur ungenaue Steuerung möglich ist. Außerdem'ist es nicht möglich, eine wesentliche Steuerung des Tastverhältnisses der prazessierenden Düse zu erreichen«, Da weiterhin die präzessierende und die seitliche Düse gemeinsam "betrieben werden, ist es nur möglich, eine Präzession oder !Translation zusammen mit einer seitlichen Bewegung zu erzielen. Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung der Position und der Lage eines spinstabilisierten Gerätes zu schaffen, das es ermöglicht, das Gerät in einer möglichst genauen Lage zu einem Bezugspunkt zu halten.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß wahlweise auf mindestens eine von zwei diametral zur Spinachse liegende Stellen eines rotierenden Teiles des Gerätes parallel zur Spinachse gerichtete erste Schubkräfte und/oder auf mindestens eine von zwei weiteren diametral zur Spinachse liegende Stellen des rotierenden Teiles auf den Schwerpunkt des Gerätes gerichtete zweite Schubkräfte, die senkrecht zu der durch den Schwerpunkt gehenden Spinachse stehende Ebenen unter einem Y/inkel schneiden, ausgeübt werden.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die zur Durchführung dieses Verfahrens dient, sind ein erstes und ein zweites Paar Schubkräfte erzeugende Einrichtungen

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an der Endfläche des Gerätes derart befestigt, daß die Einrichtungen eines jeden Paares diametral zur Spinachse angeordnet sind und die Einrichtungen des ersten Paares parallel zur Spinachse gerichtete Schubkräfte und die ■ Einrichtungen des zweiten Paares auf den Schwerpunkt des Gerätes gerichtete Schubkräfte, die senkrecht zu der Spinachse stehende Ebenen unter einem Winkel schneiden, erzeugen.

Da bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung das zweite Paar der Schubkräfte erzeugenden Einrichtungen um 180° gegeneinander versetzt in gleichen Entfernungen von der Spinachse angeordnet sind, heben sich die Radialkoraponenten ihrer Schubkräfte auf, wenn beide Einrichtungen gleichzeitig betätigt werden, so daß ein resultierender Schub in der Richtung der Spinachse entsteht, der infolgedessen zusätzlich zu dem Schub der axial gerichteten Einrichtungen zur Erzeugung einer Translationsbewegung dienen kann. Weiterhin ermöglicht die Stellung des zweiten Paares der Schubkräfte erzeugenden Einrichtungen, bei denen es sich gewöhnlich um Düsen handeln wird, eine maximale Ausnutzung der Außenflächen des Gerätes, was

w insbesondere für Raumfahrzeuge wichtig ist, die an ihrer Oberfläche Solarzellen tragen.

Die beiden Düsenpaare können gemeinsam miteinander oder auch getrennt voneinander betrieben werden, so daß jede Kombination für die Lagesteuerung des Gerätes möglich ist. Weiterhin erzeugen zwei Düsen trotz der Sorgfalt bei ihrer Herstellung niemals genau das gleiche Schubmoment. Diese Ungleichheit der Schubmomente wird gemäß

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dem erfindungsgemäßen Verfahren dazu "benutzt, Peinkorrekturen "bei einem Präzessionsmanöver auszuführen. Wenn diese Feinkorrekturen gleichzeitig mit einer translatorischen Korrektur in Richtung der Spinachse ausgeführt werden, kann Energie eingespart werden. Diese Möglichkeit ist von "besonderer Bedeutung, wenn das Gerät einen Satelliten bildet, dessen Treibstoffvorrat begrenzt ist« Wenn solche Feinkorrekturen nicht erforderlich sind, kann die Schubdifferenz, die unerwünschte Nutationsbewegungen des Gerätes hervorruft, leicht durch die Verwendung üblicher Nutationsdämpfer in kurzer Zeit gedampft werden, weil ein solches Ungleichgewicht nur ein sehr geringes Differenzmoment zur Folge hat.

Die Erfindung ermöglicht weiterhin eine genaue Steuerung des Tastverhältnisses der Düsenbetätigung. Es ist bekannt, daß ein Sreiselkorper auch ITutatior.sbeTreg'jrL.gen ausfuhrt, "wenn er zu Präzessionsbewegungen veranlaßt wird· Die Hutationscharakteristik ist eine Funktion der Bewegung; der Spinachse und des Winkelmoments des rotierenden Körpers. Für jeden Kreiselkörper mit einen bestimmtenkörperlichen Aufbau und bestimmten Trägheitsmomenten tritt die Nutation in einer regelmäßigen Weise mit Maximum- und Minimumstellen auf, zwischen denen regelmäßig ein Nullpunkt der Nutation durchlaufen wird. Infolgedessen kann durch eine Steuerung einer axialen Düse in der V/eise, daß sie einen Schub immer dann erzeugt, wenn die Nutation den Nullpunkt durchläuft, die Nutation auf ein Minimum reduziert werden, selbst wenn die gewünschte Lageänderung des Körpers nicht vollkommen,

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sondern nur annähernd erreicht worden ist. Zu einen späteren Zeitpunkt, wenn eine v/eitere Korrektur erforderlich ist, kann dann diese vorhergehende Über- oder Unterkorrektur kompensiert werden.

V/eitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die der Beschreibung W und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden. Es zeigen

Big. 1 eine scheiaatische Ansicht eines spinstabilisierten Gerätes mit einer Vorrichtung nach der Erfindung,

Pig. 2 eine Draufsicht auf die Endfläche des spin-'■ stabilisierten Gerätes nach Fig. 1 und

k Pig. 3 eine schematische Darstellung der Steuereinrichtung für die beiden Paare Schubkräfte erzeugende Einrichtungen des Gerätes nach den Fig. 1 und 2.

Das in der Zeichnung dargestellte Gerat v/eist einen spin atabilisierten Körper 10 auf, beispielsweise ein Raumfahrzeug oder ein Laborinstrument, der mit einer Winkelgeschwindigkeit in Richtung des Pfeiles 12 um eine Spin^ achse 14 rotiert. Es wird angenommen, daß der Körper

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seinen Schwerpunkt im Punkt 16 hat und dieser Schwerpunkt sich im Schnittpunkt der Spinachse 14 mit einer Linie 18/befindet, die beispielsweise die Äquatorialebene oder eine andere Bezugsebene angibt. Die Spinachse 14 und die Bezugslinie 18 schneiden sich im rechten Winkel. Der Körper 10 ist mit einer Außenhaut 20 versehen, die eine Zylinderfläche 21 und wenigstens eine Endfläche 22 bildet, welche die Spinachse 14 schneideto An der Endfläche 22 sind in oder nahe den äußeren Punkten 23 zwei Schubkräfte erzeugende Einrichtungen 24 und 26, beispielsweise Düsen, mit radialen Vektorkomponenten angebracht, die so ausgebildet sind, daß sie Schubkräfte erzeugen, deren "Vektoren F^ und F^ auf den Schwerpunkt gerichtet sind und mit einer die Spinachse 14 senkrecht schneidenden Ebene einen Winkel > bilden. An der Endfläche 22 ist ein zweites Paar Schubkräfte erzeugender Einrichtungen 28 und 30 angebracht, die so ausgerichtet sind, daß die Vektoren F^ und 3?_&ο der von ihnen erzeugten Schubkräfte parallel zur Spinachse 14 gerichtet sind.

Innerhalb des Körpers 10 befindet sich eine Anzahl von Einrichtungen zur Steuerung der Düsen. Eine erste Radialdüsensteuerung 32 steuert die Schubkräfte erzeugende Einrichtung 24, eine zweite Radialdüsensteuerung 34 steuert die Arbeitsweise der Schubkräfte erzeugenden Einrichtung 26, eine erste Axialdüsensteuerung 36 steuert die Betätigung der Schubkräfte erzeugenden Einrichtung 28 und eine zweite Axialdüsensteuerung 38 steuert die Betätigung der Schubkräfte erzeugenden Einrichtung 30. Alle vier Steuerungen 32, 34, 36 und 38 v/erden von einer Haupt steuereinrichtung 40 in der Weise gesteuert, daß bei Bedarf die vier

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Schubkräfte erzeugenden Einrichtungen 24, 26, 28 und 30 einzeln oder in verschiedenen Kombinationen betätigt werden. Die von der Hauptsteuereinrichtung 40 gelieferten Befehle ermöglichen eine vollständige Steuerung der Ge-, schwindigkeit, Position und Lage des spinstabilisierten Gerätes 10.

Die Betätigung der axiale Schubkräfte erzeugenden Einrichtungen 28 und 30 kann kontinuierlich oder impuls-. förmig erfolgen und es kann wahlweise entweder eine der beiden Einrichtungen oder es können beide Einrichtungen zugleich betätigt werden. Diese Einrichtungen 28 und 30 haben von der Spinachse 14 einen Radialabstand Io Die axialen Einrichtungen können kontinuierlich oder impulsförmig zur Erzeugung eines einfachen oder eines doppelten Schubes während einer Anzahl von Spinperioden betrieben werden. Eine impulsförmige Inbetriebnahme erfolgt beispielsweise stets in einem bestimmten Sektor 42 oder 44 jeder Spinperiode. Die kontinuierliche Inbetriebnahme ermöglicht eine Translationsbewegung in Richtung der Spinachse 14, während ein Impulsbetrieb eine Präzessionssteuerung des Gerätes ermöglichte

Bei einem kontinuierlichen Betrieb nur einer axiale Schubkräfte erzeugenden Einrichtung kann die Betriebszeit so gewählt werden, daß sie ein ganzzahliges Vielfaches sowohl der Spinperiode als auch der Nutationsperiode ist oder auch nicht. Wenn jedoch die Betätigungszeit so gewählt wird, daß sie einer ganzen Anzahl Ή von Spinperioden gleich ist, derart, daß Ή = K/(>-1), wobei K eine ganze Zahl und er das Verhältnis des Trägheitsmomentes um die

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Spinach.se zum Trägheitsmoment um eine dazu senkrechte Achse ist, wird die restliche Präzession und Nutation der Spinachse am Ende des Schubintervalles auf ein Minimum reduzierte Solch ein Betrieb ermöglicht eine Steuerung des Tastverhältnisses oder der Arbeitszeit einer axiale Schubkräfte erzeugenden Einrichtung« So ist es beispielsweise von einer vorhergehenden Betätigung des Gerätes 10 her bekannt, daß eine Nutation in einer bestimmten Weise auftreten wird und daß ma: '.male und minimale Nutationen vorhanden sind» Es ist auch bekannt, daß die Nutation zu gewissen Zeiten den Wert Hull haben wird» Der Schub einer Düse wird daher zeitlich so gelegt, daß er gemäß der obigen Gleichung die ITullachse schneidet.

Bei einem andauernden Betrieb der beiden axiale Schubkräfte erzeugenden Einrichtungen werden, v/eil diese Einrichtungen um 180° gegeneinander versetzt sind, die augenblicklichen Momente OT = ϊ χ P_a^, mit !FT = ¥~^ oder S¹ P jeder Einrichtung ausgeglichen, wenn die Schubkräfte der beiden axialen Einrichtungen gleich sind» Wenn jedoch, wie es gewöhnlich der Fall ist, die beiden Einzelschübe eine leicht unterschiedliche Größe haben oder wenn ihre Abstände oder Momentenarme verschieden sind oder ihre Abweichungen von der Parallele zur Spinachse nicht genau gleich sind und auch die Betätigungszeit für die beiden Schubkräfte erzeugenden Einrichtungen willkürlich gewählt sind, ist das augenblickliche Moment, das eine unerwünschte Präzession und Nutation der Spinachse zur Folge hat, auf einen sehr kleinen Differenzwert reduziert.

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- 10 Diese Tatsache kann wie folgt ausgedrückt werden:

In diesem Ausdruck ist

der Betrag des-Schubungleichgewichtes zwischen den "beiden axiale Schubkräfte erzeugenden Einrichtungen. Der- Mittelwert des augenblicklichen Moments <fÜLT der

^ beiden axiale Schubkräfte erzeugenden Einrichtungen und ΊΓ einer einzelnen axialen Einrichtung ist nach jeder Spinperiode ITuIl _ο Wenn bei diesem Betrieb eine Düse während einer ganzen Anzahl H vollständiger Spinperioden kontinuierlich arbeitet, mit IT = K/(c-i), findet am Ende der Ή Spinperioden ein Ausgleich der Präzession und der nutation statt* Die vorstehende Diskussion bezieht sich auf solche Probleme von Hich» tiüigsfehlern, die während der Schuberzeugung auftreten xuiä im !Fall der Ausrichtung eines Strahles eine VersOJaIeoliterung des mit den Strahl übertragenen Signales zizi? !folge haben₀ Bei Anv/endurig swei axial gerichteter Düsen- die um 180'*' versetzt zu beiden Seiten der Spin-

w · Eclise angeordnet sind« tritt kein augenblickliches Mozueiit auf, wenn die beiden Schübe gleich sind tmä nicht ein geringes Ungleichgswiclit besteht* Selbst bei einem geringen Ungleichgewicht benötigt ein ITutationsdämpfer sehr viel weniger- Seit zvir Stabilisierung als vtfemi nur eine einzige Düse benutzt würde.

Bei Impulsbetrieb mit einer einzigen axial gerichteten Düse wird eine Präzession der Spinachse erzeugt_s wenn die Taktung des Betriebssektors 4-2 oder 44 zur Spinperiode

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anhand eines äußeren Bezugspunktes synchronisiert ist, beispielsweise mittels eines Lichtimpulses oder des Impulses eines Sonnensensors„

Der Impulsbetrieb beider axialer Schübe kann als Peinkorrektur bei einem Präzessionsmanöver benutzt v/erden. Eine solche Korrektur ist sinnvoll, wenn die Schubdifferenz Jf^ von vorhergehenden Manövern her bekannt ist.

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Die Lage-Feinkorrektur kann zugleich mit einer Korrektur der Translationsstellung erfolgen, was von besonderer Bedeutung ist, wenn das Gerät ein Satellit ist und es gilt, Treibstoff zu sparen.

Beim Betrieb der radiale Schubkräfte erzeugenden Einrichtungen erzeugt ein kontinuierlicher Betrieb einer einzelnen Düse nur eine Translationsbewegung in Richtung ' der Spinachse, weil sich die Radialkomponenten, die auf das Gerät in Richtung der Linie 18 seitlich einwirken, aufheben. Ein Impulsbetrieb einer einzelnen Düse führt zu einer Translationsbewegung in Richtung der Spinachse und auf eine Geschwindigkeitszunahme in der Querebene, die die Linie 18 enthält. Wenn eine oder beide der radialen Düsen kontinuierlich über eine Anzahl von Spinperioden betrieben werden, heben sich die senkrecht zur Spinachse gerichteten Schubkomponenten auf und es sind nur die Translations- oder Axialkomponenten der Schubkräfte wirksam« Demnach ermöglichen die schräggestellten, radiale Schubkräfte erzeugenden Einrichtungen eine zusätzliche Steuerung der Translationsbewegung, wenn auch mit einer verminderten Wirksamkeit.

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Obwohl die Erfindung anhand einer speziellen Ausführungsform "beschrieben worden ist, versteht es sich,, daß gegenüber dieser Ausführungsform Abweichungen möglich sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

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Claims

Patentansprüche

(1./Verfahren zur Regelung der Position und der Lage eines spinstabilisierten Gerätes durch Ausüben von Schubkräften auf das Gerät, dadurch gekennzeichnet, daß wahlweise auf mindestens eine von zwei diametral zur Spinachse liegende Stellen eines rotierenden Teiles des Gerätes parallel zur Spinachse gerichtete erste Schubkräfte und/oder auf mindestens eine von zwei weiteren diametral zur Spinachse liegende Stellen des rotierenden Teiles auf den Schwerpunkt des Gerätes gerichtete zweite Schubkräfte, die senkrecht zu der durch den Schwerpunkt gehenden Spinachse stehende Ebenen unter einem Winkel schneiden, ausgeübt v/erden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der ersten beiden Schubkräfte kontinuierlich während einer Zeitspanne ausgeübt wird, die einer ganzen Anzahl IT von Spinperioden gleich ist, so daß IT = Κ/(σ-Ό, wobei K eine ganze Zahl und <y das Verhältnis des Trägheitsmomentes um die Spinachse zum Trägheitsmoment zu einer dazu senkrecht verlaufenden Achse ist, um die restliche Präzession und Nutation am Ende der Zeitspanne der Schubkraftausübung auf ein Minimum zu reduzieren,

5· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden ersten Schubkräfte kontinuierlich ausgeübt werden, um dem Gerät eine Translationsbewegung in Richtung der Spinachse zu erteilen und

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. die Präzession des Gerätes auf ein Liinimum zu bringen, wenn der Betrag, die Richtung und/oder die Abstände der Schubkräfte von der Spinachse ungleich sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der ersten beiden Schubkräfte pulsartig ausgeübt wird, um dem Gerät eine Präzessionsbewegung zu erteilen.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden ersten Schubkräfte gleichzeitig pulsartig ausgeübt werden, um dem Gerät, wenn der Betrag, die Richtung und/oder die Abstände der Schubkräfte von der Spinachse ungleich sind, eine Feinpräzession und eine Translationsbewegung in Richtung der Spinachse zu erteilen.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Schubkräfte kontinuierlich oder impulsartig ausgeübt werden, um dem Gerät eine Translationsbewegung in Richtung der Spinachse zu erteilen«

7· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine der zweiten beiden Schubkräfte kontinuierlich oder impulsartig ausgeübt wird, um dem Gerät eine Translationsbewegung senkrecht zur und/oder in Richtung der Spinachse zu erteilen.

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8· Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche bei einem spinstabilisierten Gerät, das eine die äußeren Grenzen des Gerätes definierende Außenhaut und eine die durch den Schwerpunkt des Gerätes gehende Spinachse schneidende Endfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes und ein zweites Paar Schubkräfte erzeugender Einrichtungen (28 und 30 bzw. 24 und 26) an der Endfläche (22) derart befestigt sind, daß die Einrichtungen eines jeden Paares diametral zur Spinachse (14) angeordnet sind und die Einrichtungen (28 und 30) des ersten Paares parallel zur Spinachse (14) gerichtete Schubkräfte und die Einrichtungen (24 und 26) des zweiten Paares auf den Schwerpunkt (16) des Gerätes (1O) gerichtete Schubkräfte, die senkrecht zu der Spinachse (14) stehende Ebenen (18) unter einem Winkel (ε) schneiden, erzeugen.

9« Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenhaut einen Zylinder (21) bildet, dessen Achse mit der Spinachse (14) zusammenfällt, die Endfläche (22) mit dem Zylinder (2i) verbunden ist und mindestens zwei Verbindungsstellen vorhanden sind, die einen maximalen Abstand vom Schwerpunkt (16) haben, und daß die Einrichtungen (24 und 26) des zweiten Paares an diesen Verbindungsstellen befestigt sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9» dadurch gekennzeichnet, daß Steuerungen (36, 38» 32, 34) für jedes Paar der Schubkräfte erzeugenden Einrichtungen (28 und 30 bzw. 26 und 24) vorhanden sind, die mit den

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die Schubkräfte erzeugenden Einrichtungen gekoppelt sind und eine einzelne oder gemeinsame Betätigung dieser Einrichtungen ermöglichen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß mit den Steuerungen (32, 34-, 36, 38) eine Haupteteuereinriolitunc (4-0) gekoppelt ist, welche den. Steuerungen die zur Ausführung der verschiedenen Operationen erforderlichen Signale zuführt»

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