DE2128687C3 - Drallstabilisiertes Gerät - Google Patents

Description

Schubkräfte erzeugende Einrichtungen und die Steuerungen für das Paar parallel zur Orallachsc gerichtete Schubkräfte erzeugende Einrichtungen können dann an einer Hauptsteucrcinrichtung angeschlossen sein, die wahlweise eine einzelne oder gemeinsame Betätigung von mehreren oder allen Einrichtungen zur Erzeugung von Schubkräften ermöglicht. Es läßt sich danr eine Vielzahl verschiedener Betriebsarten realisieren, die auch einen aktiven Ausgleich von Präzcs-Mons- und Nutationsbcwcgungen des Gerätes gestatten. Hierfür können insbesondere Ungleichheiten der Sclnibniomentc der Einrichtungen eines Paares ausgenutzt werden. Wenn solche FcinkorrckturcR gleich/eilig mit einer translalorischcn Korrektur in Richtung der Drallachse ausgeführt werden, kann dabei Energie eingespart werden Diese Möglichkeit hl von besonderer Bedeutung, wenn das Gerät einen Satelliten bildet, dessen TrcibstolTvorrat begrenzt ist. \Vc!in solche Fcinkorrckturcn nicht erforderlich sind, kann die Schubdifferenz, die unerwünschteNutationsbewegungen des Gerätes hervorrufen würde, leicht durch die Verwendung üblicher Nulationsdämpfcr in kurzer Zeit gedämpft werden, weil ein solches Ungleichgewicht nur ein sehr geringes Differenzmoment zur Folge hat.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbcispicls näher beschrieben und erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Ansicht eines drallstabilisicrten Gerätes nach der Erfindung,

F i g. 2 eine Draufsicht auf die Endfläche des drallstabilisicrtcn Gerätes nach Fig. 1 und

F i g. 3 eine schematische Darstellung der Steuereinrichtung für die beiden Paare Schubkräfte erzeugende Einrichtungen des Gerätes nach den Fig. I und 2.

Das in der Zeichnung dargestellte Gerät weist einen drallstabilisierten Körper IO auf, beispielsweise ein Raumfahrzeug oder ein Laborinstrument, der mit einer Winkelgeschwindigkeit in Richtung des Pfeiles 12 um eine Drallachse 14 rotiert. Es wird angenommen, daß der Körper 10 seinen Schwerpunkt im Punkt 16 hat und dieser Schwerpunkt sich im Schnittpunkt det Drallachse 14 mit einer Linie 18 befindet, die beispielsweise die Äquatorialebene oder eine andere Bezugsebene angibt. Die Drallachse 14 und die Bczugslinic 18 schneiden sich im rechten Winkel. Der Körper 10 ist mit einer Außenhaut 20 versehen, die eine Zylinderfläche 21 und wenigstens eine End-Hächc 22 bildet, welche die Drallachse 14 schneidet. An der Endfläche 22 sind in oder nahe den äußeren Punkten 23 zwei Schubkräfte erzeugende Düsen 24 und 26 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 Drallachse 14 senkrecht schneidenden Ebene einen Winkel ε bilden. An der Endfläche 22 ist ein zweites Paar Schubkräfte erzeugender Düsen 28 und 30 angebracht, die so ausgerichtet sind, daß die Vektoren F^ und F„_i der von ihnen erzeugten Schubkräfte parallel zur Drallachse 14 gerichtet sind.

Innerhalb des Körpers 10 befindet sich eine Anzahl von Einrichtungen zur Steuerung der Düsen. Eine erste Radialdüscnsteuerung 32 steuert die Düsen 24, eine zweite Radialdüsenstcucrung 34 steuert die Düsen 26, eine erste Axialdüscnstcuerung 36 steuert die Düsen 28, und eine zweite Axialdüsensteuerung 38 steuert die Düsen 30. Alle vier Steuerungen 32, 34, 36 und 38 werden von einer Hauplstcuercinrichtung 40 in der Weise gesteuert, daß bei Bedarf die vier Schubkräfte erzeugenden Düsen 24,26, 28 und 30 einzeln oder in verschiedenen Kombinationen betätigt werden. Die von der Hauptsteuercinrichtung 40 gelieferten Befehle ermöglichen eine vollständige Steuerung der Geschwindigkeit, Position und Lage des drallstabilisierten Gerätes Ιθ.

ίο Die Betätigung der axiale Schubkräfte erzeugenden Düsen 28 und 30 kann kontinuierlich oder impulsförmig erfolgen, und es kann wahlweise entweder eine der beiden Düsen oder es können beide Düsen zugleich betätigt werden. Diese Düsen 2S und 30

haben von dcrDrallachse 14 einen Radialabstand /. Die axialen Düsen können kontinuierlich oder impulsförmig zur Erzeugung eines einfachen oder eines doppelten Schubes während einer Anzahl von Drallperioden betrieben werden. Eine impulsförmigc In-

ao betricbnahme erfolgt beispielsweise stets in einem bestimmten Sektor 42 oder 44 jeder Drallperiode. Die kontinuierliche Inbetriebnahme ermöglicht eine Translationsbcwegung in Richtung der Drallachsc 14, während ein Impulsbetrieb eine Präzcssionssteucrung des Gerätes ermöglicht.

Bei einem kontinuierlichen Betrieb nur einer axiale Schubkräfte erzeugenden Düse kann die Betriebszeit so gewählt werden, daß sie ein ganzzahliges Vielfaches sowohl der Drallperiode als auch der Nuta-

tionspcriode ist oder auch nicht. Wenn jedoch die Betätigungszeit so gewählt wird, daß sie einer ganzen Anzahl N von Drüllpcriodcn gleich ist, derart, daß N ^ K:(a- 1), wobei K eine ganze Zahi und α das Verhältnis des Trägheitsmomentes um die Drallachse

zum Trägheitsmoment um eine dazu senkrechte Achse ist, wird die restliche Präzession und Nutation der Drallachsc am Ende des Schubintervalls auf ein Minimum reduziert. Solch ein Betrieb ermöglicht eine Steuerung des Tastverhältnisses oder der Arbeits-

zeit einer axiale Schubkräfte erzeugenden Düse. So tst-cs beispielsweise von einer vorhergehenden Betätigung des Gerätes 10 her bekannt, daß eine Nutation in einer bestimmten Weise auftreten wird und daß maximale und minimale Nulationen vorhanden sind. Es ist auch bekannt, daß die Nutation zu gewissen Zeiten den Wert Null haben wird. Der Schub einer Düse wird daher zeitlich so gelegt, daß er gemäß der obigen Gleichung die Nullachse schneidet. Bei einem andauernden Betrieb der beiden axiale Schubkräfte erzeugenden Düsen werden, weil diese Düsen um 180° gegeneinander versetzt jjnd, die^ augenblicklichen Momente T — l· F_ah mit F.< = F,, oder F^., jeder Düse ausgeglichen, wenn die Schubkräfte der beiden axialen Düsen gleich sind. Wenn jedoch, wie es gewöhnlich der Fall ist, die beiden EinzelschUbc eine leicht unterschiedliche Größe haben oder wenn ihre Abstände oder Momentenarme verschieden sind oder ihre Abweichungen von der Parallele zur Drallachse nicht genau gleich sind und auch die Betätigungszeit für die beiden Schubkräfte erzeugenden Düsen willkürlich gewählt sind, ist das augenblickliche Moment, das eine unerwünschte Präzession und Nutation der Drallachse zur Folge hat, auf einen sehr kleinen Differenzwert reduziert.

Diese Tatsache kann wie folgt ausgedrückt werden:

\df\ = \

In diesem Ausdruck ist

—» —» —»

\AF I = ¹F — F

der Betrag des Schubungleicligewichtes zwischen den beiden axiale Schubkräfte erzeugenden Düsen^Dcr Mittelwert des augenblicklichen Moments Λ 7' dcr₍ beiden axiale Schubkräfte erzeugenden Düsen und T einer einzelnen axialen Düse ist nach jeder Drallpcriode Null. Wenn bei diesem Betrieb eine Düse während einer ganzen Anzahl N vollständiger Drallpcriodcn kontinuierlich arbeitet, mil N ~- K/{a - 1), findet am Ende der N Drallperiodcn ein Ausgleich der Präzession und der Nutation statt. Die vorstehende Diskussion bezieht sich auf solche Probleme von Richlungsfchlcrn, die während der Schuberzeugung auftreten und im Fall der Ausrichtung eines Strahles eine Verschlechterung des mit dem Strahl übertragenen Signal zufolge haben. Bei Anwendung zwei axial gerichteter Düsen, die um 180^; versetzt zu beiden Seiten der Drallachsc angeordnet sind, tritt kein augenblickliches Moment auf, wenn die beiden Schübe gleich sind und nicht ein geringes Ungleichgewicht besteht. Selbst bei einem geringen Ungleichgewicht benötigt ein Nutationsdämpfcr sehr viel weniger Zeit zur Stabilisierung, als wenn nur eine einzige Düse benutzt würde.

Bei Impulsbclfieb mit einer einzigen axial gerichteten Düse wird eine Präzession der Drallachsc erzeugt, wenn die Taktung des Betriebssektors 42 oder 44 zur Drallpcriode an Hand eines äußeren Bezugspunktes synchronisiert ist, beispielsweise mittels eines

Lichtimpulses oder des Impulses eines Sonnensensors. Der Impulsbetrieb beider axialer Schübe kann als Feinkorrektur bei einem Präzessionsmanöver benutzt

werden. F.inc solche Korrektur ist sinnvoll, wenn die SclnibdüTerenz i)l'„ von vorhergehenden Manövern her bekannt ist. Die I.agc-Fcinkorrcktur kann zugleich mit einer Korrektur der Translationsstellung erfolgen, was von besonderer Bedeutung ist, wenn to das Gerät ein Satellit ist und es gilt, Treibstoff zu sparen.

Beim Betrieb der radiale Schubkräfte erzeugenden Düsen cr/cugl ein kontinuierlicher Betrieb einer einzelnen Düse nur eine Translationsbcwcgung in Rich-

tung der Drallachsc, weil sich die Radialkomponenten, die auf das Gerät in Richtung der Linie 18 seitlich einwirken, aufheben. Ein Impulsbetrieb einer einzelnen Düse führt zu einer Translationsbcwcgung in Richtung der Drallachsc und auf eine Geschvvin-

digkcits/unahmc in der Qucrcbcnc, die die Linie 18 enthält. Wenn eine oder beide der radialen Düsen kontinuierlich über eine Anzahl von Drallperiodcn betrieben werden, heben sich die senkrecht zur Drallachsc gerichteten Schubkomponenten auf, und es

as sind nur die Translations- oder Axialkomponcntcn der Schubkräfte wirksam. Demnach ermöglichen die schräggcMelltcn, radiale Schubkräfte erzeugenden Düsen eine zusätzliche Steuerung der Translationsbcwcgung, wenn auch mit einer verminderten Wirk- samkcit.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

ι 2 Solche drallslabilisicricn Gerate sind aus der bri- Patentansprüche· tischen Patentschrift 1 025 740 und der IJSA.-Patent- schrift Rc 26 887 bekannt. Diese Gerate weisen zwei

1. Drallstabilisiert«» Gerät mit einer Einrieb- Düsen auf. die nahe dem Umfang des Gerätes und hing zur Erzeugung von Schubkräften, die auf ₅ längs des Umfangs um 90 aneinander versetzt den Schwerpunkt des Gerätes gerichtet sind, ge- angeordnet sind. Die cmc Düse erzeugt eine parallel kennzeichnet durch eine solche Anord- zur Drallachse gerichtete Kraft, wahrend die andere nung der Einrichtung (24), daß die Schubkräfte eine radial zur Drehachse gerichtete Kraft erzeugt, eine senkrecht zur Draliachse (14) stehende die in der durch den Schwerpunkt des Gerätes gchcn-Ebene (18) unter einem Winkel (r) schneiden, der « den. zur Draliachse senkrecht stehenden Ebene liegt, größer als 0° und kleiner als 90 ist Beide Düsen werden von einem gemeinsamen Ventil

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekenn- gesteuert, so daß sie stets beide gleichzeitig m Betrieb zeichnet, daß ein Paar auf den Schwerpunkt (16) sind und mit unter dem gleichen Druck stehenden gerichtete Schubkräfte erzeugende Einrichtungen Gasen gespeist. Dieses bekannte System ermöglicht ^24 und 26) vorhanden ist, die diametral zur 15 eine nur unvollkommene Steuerung der Lage und Drallachse (14) angeordnet sind, und daß eine der Bewegungsrichtung des Gerätes. Insbesondere ist Steuerung (32.34) vorhanden ist, die wahlweise es schwierig, dem Gerät einen Schub gewünschter eine einzelne oder gemeinsame Betätigung dieser Grüße in Richtung der Drallachse zu erteilen, weil Einrichtungen (24 und 26) ermöglicht. es dazu erforderlich ist, die Düsen während Zeit

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge- ao spannen arbeiten zu lassen, die ganze Vielfache der kennzeichnet, daß außerdem ein Paar parallel zur Rotationsperioden des Gerätes sind, damit keine quer Drallachse (14) gerichtete Schubkräfte erzeugende zur Drallachse gerichteten, resultierenden Kräfte entEinrichtungen (28 und 3·) vorhanden ist, die dia- stehen, die eine unerwünschte seitliche Verlagerung metral zur Drallachse (14) angeordnet sind, und desGe.ätes hervorrufen. Weiterhin sind seitliche Vcrdaß eine Steuerung (36, 38) vorhanden ist, die »5 lagerungen mit Hilfe der radial gerichteten Düse stets wahlweise eine einzelne oder gemeinsame Betäti- mit der Einleitung von Präzessionsbewegungen vergung dieser Einrichtungen (28 und 3§) ermög- knüpft, weil die axial gerichteten Kräfte auf das Gerät licht. ein Kippmoment ausüben, wenn sie nicht während

4. Gerät nach den Ansprüchen 2 und 3, da- einer vollständigen Rotation des Gerätes wirken,
durch gekennzeichnet, daß die Steuerungen (32 30 Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe und 34) für das Paar auf den Schwerpunkt (16) zugrunde," ein drallstabilisiertes Gerät zu schaffen, gerichtete Schubkräfte erzeugende Einrichtungen dessen Lage und Geschwindigkeit nach Betrag und (24 und 26) und die Steuerungen (36 und 38) für Richtung sehr fein geregelt werden kann.

das Paar parallel zur Drallachse (14) gerichtete DieseAufgabe wird nach der Erfindung durch eine

Schubkräfte erzeugende Einrichtungen (28 und 39) 35 solche Anordnung der Einrichtung zur Erzeugung

an einer Hauptsteuereinrichtung (49) angeschlos- von Schubkräften gelöst, daß die Schubkräfte eine

sen sind, die wahlweise eine einzelne oder ge- senkrecht zur Drallachse stehende Ebene unter einem

meinsame Betätigung von mehreren oder allen Winkel schneiden, der größer als 0" und kleiner als

Einrichtungen zur Erzeugung von Schubkräften 90^c ist.

ermöglicht. 40 Diese Anordnung der Einrichtung zur Erzeugung

5. Gerät nach einem der vorhergehenden An- von Schubkräften hat den Vorteil, daß bei ihrem sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es eine die Betrieb auf das drallstabilisierte Gerät keinerlei Kippäußeren Grenzen des Gerätes (It) definierende momente ausgeübt werden, die eine Einleitung von Außenhaut und eine die durch den Schwerpunkt Präzessions- oder Nutationsbewegungen verursachen (16) des Gerätes gehende Draliachse (14) schnei- 45 könnten. Wt.. 'hin besteht hierdurch die Möglichdende Endfläche (22) aufweist und die Schub- keit, die Ei ■ >< «Jungen zur Erzeugung von Schubkräfte erzeugenden Einrichtungen (24, 26, 28, 30) kräften sn :-.;■"·--_t des Gerätes anzuordnen, an denen an der Endfläche (22) des Gerätes befestigt sind. sie nicht s?(ir-"t iitirch die Anordnung von mehreren,

6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekenn- auf den Un.i .ig des Gerätes verteilten Düsen ist es zeichnet, daß die Außenhaut einen Zylinder (21) 50 auch möglich, die Einrichtungen zur Erzeugung von bildet, dessen Achse mit der Dralhchse (14) zu- Schubkräften so zu betreiben, daß die Schubkräfte sammenfällt, die Endfläche (22) mit dem Zylinder eine nur in die gewünschte Bewegungsrichtung fal-(21) verbunden ist und mindestens zwei Verbin- lende Komponente haben. So sieht eine bevorzugte dungssteilen vorhanden sind, die einen maximalen Ausführungsform der Erfindung vor, daß ein Paar Abstand vom Schwerpunkt (16) haben, und daß 55 auf den Schwerpunkt gerichtete Schubkräfte erzeudie Einrichtungen (24 und 26) zur Erzeugung von gende Einrichtungen vorhanden ist, die diametral zur auf den Schwerpunkt (16) gerichteten Schub- Drallachse angeordnet sind, und daß eine Steuerung kräften an diesen Verbindungsstellen befestigt vorhanden ist, die wahlweise eine einzelne oder gesind, meinsame Betätigung dieser Einrichtungen ermög-

60 licht.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann

außerdem ein Paar parallel zur Drallachse gerichtete

Schubkräfte erzeugende Einrichtungen vorhanden sein, die diametral zur Drallachse angeordnet sind,

Die Erfindung bezieht sich auf ein drallstabilisiertes 65 und es kann eine Steuerung vorhanden sein, die Gerät mit einer Einrichtung zur Erzeugung von wahlweise eine einzelne oder gemeinsame Betätigung Schubkräften, die auf den Schwerpunkt des Gerätes auch dieser Einrichtungen ermöglicht. Die Steuegerichtet sind. rungen für das Paar auf den Schwerpunkt gerichtete