DE2332954A1 - Lagenstabilisierungssystem - Google Patents

Description

Die Notwendigkeit zur Schaffung einer Lagensteuerung und -stabilisierung eines Körpers gegenüber einem anderen tritt oftmals auf dem Gebiet der Raumfahrzeugsteuerung auf, insbesondere gegenüber auf einer Bahn umlaufenden Satelliten. Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf dieses Gebiet und findet besonders Anwendung in Verbindung mit Satelliten von der Art, welche nicht kreiselstabiliciert sind, wobei solche Satelliten allgemein als voll stabilisiert bezeichnet werden und eine Achse (Hochachse) aufweisen, die zu dem in Umlauf gesetzten Körper gerichtet ist, während die zweite Achse (Querachse) senkrecht zu der Ebene der Umlaufbahn und die dritte Achse (Längsachse) in der Richtung des Geschwindigkeitsvektors ausgerichtet sind.

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Die Stabilisierung und Steuerung auf einer Bahn umlaufender Fahrzeuge in Gegenwart periodischer und säkularer Drehmomente ist Gegenstand vieler Studien geworden. Allgemeine in dor Umgebung vorliegende Stördrehmomente, welche auf einen in einer Bahn umlauf enden Satellite'n einwirken, umfassen aerodynamische, magnetische und pravitationsgradientenkräfte . Aerodynamische Störungen herrschen bei geringeren Höhen vor, während magnetische und gravitationsmäßige Störungen besonders wichtig in Zwischenhöhenbereichen sind; Fehlausgleichswirkungen durch den Druck der Sonnenstrahlung sind verhältnismäßig wesentlich bei großen Höhen. Infolge des Bahnumlauf weges des Satelliten, welcher oftmals elliptisch ist, tragen diese Kräfte zu periodischen wiederkehrenden Störungen bei. Derartige Störungen sind von säkularen Störungen zu unterscheiden, welche in ortsfesten Koordinaten festliegen.

Nicht kreiselstabilisier'te, voll stabilisierte, auf die Erde festgelegte Satelliten erfordern drei Steuerachsen oder zv/ei Steuerachsen.und ein ergänzendes Mittel zur Verhinderung einer Drehung um die dritte (erdorientierte) Achse ("beispielsweise durch Anwendung eines großen rotierenden Schwungrades). '

Diesem Zweck wurden drei Orientierungsfühler als Kittel der. -.-·' Anzeige von Lagenfehlern verwendet, Beispielsweise ergeben zwei Erdhorizontfühler Fehlersignale um die Längs- und Quer- .-± achse, während ein Sonnenfühler, ein Sternfühler oder ein Stabilisierungskreisel die Abgabe eines Hochachsen-Fehlersignals ermöglichen. Diese Fehlersignäle werden durch eine ent- · sprechende Logiksehaltung verarbeitet, um ein Moment erzeugende Bauelemente zu steuern, wobei die bevorzugte Orientierung des■ auf der Bahn umlaufenden Fahrzeuges aufrechterhalten wird, wenn dieses störenden Drehmomenten ausgesetzt ist. Schwierigkeiten können bei dem Abfühlen des Hochachsenfehlers auftreten. Sonnenfühler können, obgleich sie sehr zuverlässig sind, lediglich verwendet werden, wenn die Sonne nicHt durch die Erde verdeckt wird. Fühler, welche Fehlersignale durch Betrachtung von

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Sternen abfühlen, können erfahrungsgemäß Schwierigkeiten bei Erfassung des "bevorzugten Sternes und bei der Unterscheidung gegenüber hellen Objekten, beispielsweise dem Mond, der Sonne, oder dem Lichtschein von Zubehörteilen des Raumfahrzeuges mit sich bringen. Kreiselanlagen weisen nicht die erforderliche Zuverlässigkeit auf und sind in ihrer Anwendbarkeit in Bezug auf die Genauigkeit der Abfühlung des Hochachsenfehlers beschränkt.

Nach dem Stand der Technik ist ein Reaktionsrad eine typische Momentenquelle. Durch Modulierung der Drehzahl des Realctionsrades wird in ähnlicher Weise das Moment moduliert, wobei Fehlermomente auftreten können. Eine typische Einrichtung liegt in der Anordnung dreier derartiger Reaktionsräder, und zwar ein Rad für jede Achse, wobei jedes Rad über eines von drei Fehlersignalen gesteuert wird. Die Anwendung von Vielfachrädem summiert sich.zu einem verhältnismäßig hohen Gesamtgewicht und ist den oben erwähnten Beschränkungen von Fühlern unterworfen.

Eine andere Entwicklungsrichtung strebt die Anwendung eines einzigen Reaktionsrades mit einem hohen Vorspannungsmonent an, beispielsweise in der Größenordnung von 405.10 cm p sec (500 Fuß-Pfund-Sekunden). In einem solchen System werden" zwei Stabilisierungsachsen (Längsachse und Hochachse) nicht aktiv geregelt. Die Genauigkeit hängt von der Momentabweichung des großen Rades gegenüber kleinen Drehmomentabweichungen ab. Die Querachsenabweichungen werden durch Änderungen in der Raddrehzahl kompensiert» Die Anwendung eines großen Reaktionsrades " erfordert eine Einbuße an Gewicht und eine verhältnismäßig starke Energiequelle.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Lagenstabilisierungssystems, welches die erwähnten Nachteile nach dem Stand der Technik und andere Nachteile nicht aufweist und eine Dreiachsenregelung auf der Grundlage einer lediglich zwei Achsen

umfassenden Orientierungsfühlung ermöglicht, alno ei nc ι, ■Drehmomentrad-Lagenstabilisierungssystems , das verhältnismäßig klein ist, ein geringes Gewicht besitzt und eine hohe Zuverlässigkeit und Genauigkeit aufweist.

Das erfindungsgemäße Lagenstabilisierungs-und -regelsystem ist auf die Anwendung in einem !Fahrzeug gerichtet, dar.; einen Körper auf einer Umlaufbahn umkreist. Bine Gruppe orthogonaler Bezug^chsen wird auswahlmäfiig so definiert, daß eine "!>uerachse senkrecht zu der Bahnumlaufsebene liegt, eine Hochachte durch den Mittelpunkt des umkreisten Körpers verläuft un3 eine Querachse nominell mit dem Fahrzeug-Geschwindigkeitsvelruor zusammenfällt .

Yon dem Fahrzeug aufgenommene Lagenfühler fühlen V/inicelahweichungen des Fahrzeuges lediglich um die Querachse und die Längsaohse ab» Biese Fehlersignale werden in Kom:nandoän^r:erun~en im Moment längs irgendeiner oder einer Zusammenfassen,'- dt or Bezugsachsen verarbeitet. Eine Momentre/zellogik ist vorhergehen, um das Querachsen-Fehler signal für das Querachsen-Komen.ticor.mando zu verarbeiten und um ferner das Querachsen-Fehlere irreal sowie den Istwert des Querachsen-und Hochachsenmornentoü ::u verarbeiten, um Längsachsen- und Hochachs en-Momentkorr-rnanr: ο signale zu erhalten. Ein längs der Querachse und der Lü.ngsac-i.';e gespeichertes überschüssiges Moment wird intermittierend durch SchubkraftZündungen oder kontinuierlich durch Beaufschlagen von Kagnetspulen. beseitigt. Die Beseitigung des Momentes hinsichtlich der Hochachse ist nicht erforderlich» Die Längsachsen- und Hochachsen-Momente tauschen sich bei jede;.; Viertelbahnumlauf aus, und zwar als Folge der Drehung um den unkreisten Körper. . . - .

Die Erfindung schafft also ein Lagenstabilisierunga- icaa -xe^cl-

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system zur Erzielung einer genauen Regelung und Stabilisierung eines Raumfahrzeuges, welches in einer kreisförmigen o\<=r r.ahezu kreisförmigen Umlaufbahn gegenüber einem Körper, beispielsweise der Erde, umläuft. Ein Reaktionsrad, v.^relches bei einer modulierten Vorspannungsdrehzahl in Betrieb gehalten v/ii-d, ist in einem Kardankreiselsystem ait zwei Freiheitsgraden vorgesehen. Die Drehzahl des Rades und die Kreiselachaen v/erden durch eine elektronisch beaufschlagte Logikschaltung geregelt, und zwar auf der 'Grundlage einer lediglich zv/ei Achsen umfassenden-Lagenfehlerabfühlung, um eine Dreiachsenstabilisierung und eine Regelung beim Vorliegen von Störungen zu schaffen. Säkulare Störungen verursachen ein Wachstum der Kardankreiüelwinkel sowie der Raddrehzahl und werden intermittierend durch Betätigung von kleinen Schubtrieben und Magnetspulen kompensiert,

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnungen ntlher erläutert. Es zeigen:

Pig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsge:r.ä£an Lagenstabilisierungs- und -regelsystems in Form eines allgemein funktioneilen Blockdiagrams,

Fig. 2 eine bei der Anordnung von Fig. 1 anwendbare 1-Ioir.entenquelle in Form einer kardanmäßig gelagerten Reaictioncradanordnung in schematischer Darstellung,

Fig. 3 weitere Einzelheiten der Koment-Regellogikschaltung sowie der "Moment-Entladungs-Logikschaltung von Fig. 1 in schematischer Darstellung,

Fig. 4 ein wahlweises Ausführungsbeispiel einer Hocent-Entladungs-Logikschaltung ähnlich. Fig. 3 in schematischer Darstellung, ·

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel einer !Compensations- Lcgik-

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schaltung zur Verbesserung der Genauigkeit des.erfindungsgeinäßen Lagenstabilisierungssystems in sch.enaticch.er Darstellung, ... - " - -.

Pig. 6 ein Ausführungsbeispiel von Hoch.ach.sen- und. Längsachsen-Logikschältungen von Pig. 3 in schematischer Darstellung,

Pig. 7 die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen la-ens
lisierungssystems in graphischer Darstellung.

Gemäß Pig. 1 dient ein Paar von Pühlern 10 zur Erzeugung ..von Längsachsen- und Querachsen-PehlerSignalen, welche V.'inlrelabweichungen des Fahrzeuges gegenüber ener bevorzugten Orientierung entsprechen, wobei eine Mobentenquelle oder mehrere Komentenquellen 20 längs den Bezugsachsen des Fahrzeuges ausgerichtet sind; eine Momentensteuerlogikschaltung 30 dient zur Zuordnung der Pehlersignale zu unabhängig geregelten Xnüerun-^en in dem Moment längs den Besugsachsen. In- Palle einen die 3rde umkreisenden Raumfahrzeuges, worauf der folgende Teil eier vorliegenden Beschreibung bezogen ist,' können Fehlersignale beispielsweise durch Infrarotfühler, Horisontfühler oder ähnliche Lagenfühlelemente abgefühlt werden» Um ein überschüssiges Moment abzubauen, sind Reaktionselemente 12 und eine Koment-Sntladungs-Logikschaltung 50 vorgesehen.

Die Komentquelle 20 umfaßt Elemente zur Erzeugung von Momentänderungen längs irgendeiner der dreiwah.lv/eise ausgerichteten orthogonalen Bezugsachsen. Ein oder mehrere Reaktionsräder werden verwendet, um eine Momentquelle längs einer der Ach..::en
zu bilden, welche als Querachse festgelegt ist. Daher stellt eine Ausgangsgröße der Moment-Regellogikschaltung 30 ein Querachsemnomentbetätigersignal dar; eine Ausgangsgröße von der
Momentenquelle 20 entspricht dem Querachsenmoment.

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Es kann gezeigt werden, daß die beiden PohlersignMle der Fühler 1.0 eine Regelung der Momentenquelle längs jeder Achse gemäß den folgenden Beziehungen und Zuordnungen ergeben:

- ^HB - V * ^K6 / ^9dt> und

- ν:: ε.

Hierbei sind ^L_x # IL·. und H kommandierte Momente längs der Längs-, Quer- bzw. Hochachse;

H und H Istwerte der Längs- bzw. Hochachsenmoisente;

H-rv die Querachsen-Moment-Yorspannung;

ö der Querachsen-Lagenfehler;

$ der Längsachsen-Lagenfehler;

Ui_Q die Bahnumlaufgeschwindiglceit;

K^r EU* TL.r KC Kc' und Kg Regelverstärkungswerte;

t und T- geschätzte Moment-Entladungs-Drehmomente.

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Die Momentquelle und die Elemente zur Änderung dieses liomentwertes können auf verschiedene Weise ausgebildet sein, einschließlich Anwendung eines Reaktionsrades längs jeder der verbleibenden zwei Achsen. Daher wären alle drei 2.o:ieat-Regellogik-Ausgänge Motordrehzahl-Regelungen,und alle drei Momentquellen-Ausgänge wären Raddrehzahlen.

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Obgleich drei Grade einer l-iomentenregelung- vor/rese". on .-ein können, indem drei getrennte Reeiktionsv/erte verwß:: ;e;: ¹C.-i^v ei on, ist ein doppelt kardanisch, aufgehängtes Sinzelradcy;.r"o:r. vorzuziehen. Wie gezeigt wird, "ist darnach das gemer;.-;ene I-'.or.orit in der Längs- und Querachse, nämlich H_ und H._-r>, ei;:o Funktion der Kardanrahmenwinkel, wobei die Regellogik:;chaltunf- rriz-■ sprechend ausgebildet wird.

Gemäß dem bevorzugten Homenten-Quellen-Mechanicir.us soi.^t Pig, 2 eine schematische Darstellung einer kardaniso"·= aufgehängten Reaktionsrad-Anordnung, die in der Iviornent.-r^quollc· von Pig. 1 anwendbar ict. In Pig. 2 sind die Bezug^aon.'on :c, j, ζ und die Bezugswinkel 4 »^₁ -<// enthalten, v/elcne ciio Fahrzeugabweichungen von einer vorgegebenen Orientierung α-:ΐ· Bezugachsen anzeigen. Daher'ergeben die Pehlersignale von den Pühlern 10 ein Maß für (/> und Θ. Der Erfindungsgedan":c ei'fordert nicht eine Kenntnis des dritten Abweichungswinkels Y (Hochachsenwinkel).

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel einer Momente-r.cuolle (Pig. 2),kann eine Änderung im Moment um die üuerach::o durch Änderung der Drehzahl des Reaktionsrades erzeugt v/eraer.. Komentenänderungen um die Längs- und Hochachse können durch Manipulierung der Kardanlagerungen erreicht werden. Werrn a-taer die Winkelstellungen der Kardanlagerungen Υ_χ und T₇ gernscr.en werden, so erhält man eine Darstellung der Momentenwerte K

Der Mechanismus von Pig. 2 umfaßt ein Reaktionsrad 21, :ias um die Querachse j drehbar ist, wobei eine Querachsenragelung ermöglicht ist. Das Rad 21 wird durch einen Motor 22 getrieben, dessen Drehzahl A. durch einen Tachometer 23 gerne:.-ser. v/ird. Das Rad 21 ist- in einem Längsachsen-Kar danrahmen 24 gelagert, v/elcher wiederum durch einen Hochachsen-Kardanrahmen 25 gelagert ist.

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Der Iiochaehsen-Kardanrahinen. wird durch eine Karüar.:r.o uor.:-i::I-cit 26 geregelt; in ähnlicher V/eice regelt eine andere :I rdanrahEe Kotoreinheit 27 die Stellung des Längsachs en-Kardarrrar.r.'.onE. Jeder Kardanrahmen umfaßt ferner einen Anzeiger zur /.c_;-\be eines elektrischen Ausgangs signals entsprechend der i;.:.i^vianrahmen-Winkelstellung. Derartige Anseiger sind ail:Y;::;-in als "Auflöser" oder "Codierer" "bekannt. .

Um die Wanderungen der Kardanwinkel von null und α ie rlc-cärehzahl gegenüber der Vorspannung zu "begrenzen, kann eir. I-ior.erite'a Srltladungselement zur Berücksichtigung der iffalctc- der respeicherten säkularen Störungen zugeführt werden, wobei cieses Element eine Momenten-Entladeregelung 50 und den R'-a:r:-ionsmechanismus. 12 von Pig. 1 umfaßt. Der ReaAtioncn;ech'u-,.i::::-.u?. 12 kann ein normales Element sein, beispielsweise ein Yx.lz- oder Heißgas-Schubelement j auch können geeignete Kagnetspulc-n vorgesehen sein, welche mit dem Magnetfeld des gedrehten Jlörpers in V/echse!wirkung stehen.

Gemäß den vorangehenden Erläuterungen wird lediglich, c-ir.e Zweiachsen-Lagenfehler-Abfühlung angev.^rendet. Das Xorr.enten-Entiadesystem beseitigt die Wirkung säkularer Störur.:>-:: um die Längs-, Quer- oder Hochachse." Die Hochachsen-G-enaui^keit des Systems kann ferner gesteigert v/erden, indem die '3rehmoment-Kompensations-Logikschaltung vorgesehen wird, v;5lche die erwartete Störung um die Längs- und Hochachse bii.-.e-; und Korrektursignale an die Kardanregelungen abgibt.

TJm das Stabilisierungssystem nach der Erfindung einzurichten, wurde die vorangehende G-ruppe von Längsachsen- und Hochachsen-Momenten-KommandoregelbeZiehungen für ein kardanisch gelagertes .Reaktionsrädsystem folgendermaßen abgewandelt:

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C. OX li-r

Jede dieser Gleichungen beschreibt den allgemeinen Fall iür das Hochachsen-Kardankorriinandosignal bzw. das Längsachsonlördankomniando signal. Die Variablen und Konstanten ir, uie-.en. Gleichungen sind:

φ,θ die La.T-;enabweichung3v/inkel um die x-und y-Achee; y , Y die Kardanwinkel; ■

I^ die Umlaufgeschwindigkeit; .
H-g das Yorspannungsmoment des Reaktionsrades; TLZ, KX und K? Regelverstärkungsv/erte; 1- ,χ. Störungsdrehiaomente an dem stabilisierten Fahrzeug

um die x-ünd z-Achse;
Z_nxt I₁₁J₂ geschätzte I'iomenten-Entladungsdrehmoraente.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei v/3l-, cherc das Mönienten-Entlade system Schubkraft elemente verv/encet. Bei dieser Ausbildungsform der Erfindung v/erden die .geschätzten Störungsdrehmomente aus dem stabilisierten Fahrzeug von den Kardan-Kommandogleichungen ausgelöscht. . .-■

Gemäß Fig. 3 v/ird das Querachsen-Fehlersignal auf eine Querachsen-Kommandoschaltung gegeben, welche eine Formgeberschaltung 31 umfaßt, die zur Erzeugung eines Ausgangssignals e. gemäß der Gleichung e„ = K Ö + θ dient, wobei X eine Ge- .'. schwindigkeitsverstärkung darstellt, die so gewählt .ist, daß

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die gewünschte Dämpfung er sielt wird. !Diese Ausgangsgröße wird darnach, auf eine Summier schaltung 32 gegeben, deren <\u..p::-vnn;sgröße auf eine Pulsmodulatorschaltung 33 gegeben wird. j;er Puls modulator .33 regelt &Qn Motor des Reaktionsrades 21 der kardanisch gelagerten Reaktionsrad-Anordnung 20.

Das Raddrehzahlsignal wird von dem Tachometer 23 ab^ono und einer Rückkopplungs-Suramierschaltung 34 zugeführt, v/eiche einen zweiten Eingang Jl-o aufweist, der die Radvorrr.-.ari.-.ur.f-ndrehsahl darstellt. Die Ausgangsgröße der Schal tun··- 34. stellt die differntielle Raddrehzahl Zi -J^ dar. Die Ausgangsgröße wird mit einer Querachsen-Verstärkungsschaltung 35 gekoppelt, welche eine linear proportionale Ausgangsgröße entsprechend der differentiellen Raddrehzahl für Werte unterhalb eine3 gewählten Grenzwertes abgibt. Pur 'vierte oberhalb des Grenzwertes v/ird die Ausgangsgröße um eine Verstärkung von wesentlich hchorem Wert als eins multipliziert, um zu verhindern, daß cad i'iaddrehzahl-Differential weiter steigt. Ein solch starrer Vufbau der Raddrehzahländerung wird durch säkulare Störungen hervorgerufen und durch das Moment en-Entladun fts element 50 vr,n Fig.' * kompensiert.

Hinsichtlich der Erzeugung der Hochachsen- und Langsach^en-Kar dan-Kominandosignale werden gemäß Pig. 3 das Längsachcen-Pehlersignal, welches durch einen Längsachsen-Orientierungsfühler erzeugt wird, beispielsweise einen Erdfühler oder derglei chen, sowie die Hochachsen- und Längsachsen-Kardan-V/inkelstellungssignale von der Kardanlager-Anordnung auf eine Hochach3en-Logikschaltung 60 und eine Längsachsen-Logikschaltung 60a gekoppelt.

Ein anderes Signal,-vorwiegend als Momenten-Entladungc-Drehmomentsignal bezeichnet, steht an der Leitung 120 zur Verfügung und wird von einem Momenten-Entladungselement unter Anwendung von Magnetelementen oder einem Drehmoment-Eonpensations-Logikelement oder beiden abgenommen, wie nachfolgend näher erläute ri; wird.

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Diese Schaltungen dienen- zum Aufbau der Kardan-Kommando-Rc/^elgleichungen, wie sie in der vorliegenden Beschreibung erläutert sind. Die Ausgangsgröße dieser Schaltungen regelt die· V;ir.ice 1-einstellungen des Hochachsen- und Längsachsen-Kardanr.'xhv.ens. Die Änderung der Kardanwinkel dient zur Herbeiführung von Reaktionsdrehmomenten auf das Fahrzeug, welches die Reairtionsradanordnung trägt. Die Hochachsen- und Querachsen-rLogikschaltungen sind nachfolgend weiter erläutert.

Gemäß Fig. 3 kann das System die Momenten-Entladungs-!ig,~e— lung 50 von Fig. 1, einen Querachsen- sowie einen Län^sachcen-Reaktionsmechanismus, veranschaulicht als Querachsen-Schubelemente 12a, und Längsachsen-Schubelemente 12b umfassen. Lediglich eine Entladung hinsichtlich zweier Achsen ist erforderlich, da beim Umlauf das Mome.nt in der Längs- und Hochachse sich bei.jedem Viertelumlauf austauscht. Das längs der Längsachsegespeicherte säkulare Moment ist proportional ciera Eochachsen-Kardanwinkel. Ein überschüssiges Moment wird beseitigt, indem ein Längsachsen-Schubelement in Betrieb gesetzt wird, wenn der Hochachsen-Kardanwinkel einen gewählten Grenzwert überschreitet. Zu diesem Zweck umfaßt das Entladungselemant 50 eine Längsachsen-Grenzwertschaltung 51, welche mit einer Schubelement-Antriebseinheit 53 über eine Taststufe 52 gekoppelt ist.'Wenn die Hochachsen-Kardangröße den Grenzv/ert überschreitet, erzeugt die Schaltung 51 ein Ausgangssignal.

Es wäre ungünstig, die Schubelemente häufig zu betäti-en. Daher treibt ein Zeitgeber 54 die Taststufe 52 so, da-3 über. den Grenzwertausgang lediglich bei gewählten Zeitintervallen für eine vorgegebene Zeit getastet wird. Beispielsweise kann ein Tastintervall 1000 Sekunden betragen, so daß die Grenzwert-Ausgangsgröße an diesem Intervall vorliegen muß, da sonst das Schubelement nicht in Betrieb gesetzt wird.

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In einer ähnlichen Weise wird die differenzielle Raqdrehzahl auf eine Qu.erachsen-Schubelement-Grenzwert.schaltunr: 55 gegeben,, welche ein Ausgangssignal erzeugt, wenn die differedtiollo Rad.cLrehzah.1 einen vorgegebenen Wert überschreitet." Diose Ausgangsgröße wird mit der Querachsen-Schubelejaent-Antriebaeinheit 57 über eine laststufe 56 gekoppelt.

Die Längsachsen-Schubelement-Ausgangsgröße ermöglicht zusatz-? .lieh zur Inbetriebsetzung des Längsachsen—Schubeleirientes 12b über eine vorgegebene Dauer den Antrieb eines Zählers 58 durch einen Zeitgeber 24a, welcher eine Ausgangsgröße t erssug-t (Momenten-Entladungs-Drehmpment um die La.ngnach.se), welche' der Hochachsen-Logikschaltung 60 und der LängsachsenrLogik^chaltung 60a zugeführt wird. Der Zähler '58 wird durch eine ZählerausgangsgrQßen-G-renzwertschaltung."59 zurückgestellt, -wenn die Zählung den erforderlichen Wert erreicht. -

Ein Kagnetreaktionssystem stellt eine wahlweise Ausbildungsform zur Anwendung von Schubelementen in der Hoinenten-Jünt- : ladungsschaltung 50 dar. Eine Ausbildung eines magnetischen Reaktionssystems ergibt sich aus Pig· 4. Ein überschüssiges_: Moment wird durch Magnetspulen entladen, welche mit den Magnetfeld der Erde reagieren. Zu diesem Zweck werden.Längsachsen-, Querachsen- und Hochachsen-Magnetschaltungsspulen 81, 82 bzw. 83 durch eine Regellogikschaltung 84 in Betrieb gesetzt;.

Eingangsgrößen zu der-Regellogikschaltung sind das. differenzielle Querachsen^Momentsignal, eine Punktion der Raddrehzahl und. Hochachsen— sowie Längsachsen-Momentsignale, PunViticnen der Hochachsen- und Längsachsen-Kardanwinke 1. Wie in aeir/?alle einer Schubelement-Entladung wird jedes dieser Signale Grenzwert Schaltungen. '85, 86, 87 zugeführt. Andere Singänce' umfassen Signale B , B , B , welche durch· Magnetometer erzeugt werden, und proportional dem Erdmagnetfeld längs der x-j y-bsv;. 3-Achse sind. Die magnetischen Kommando-Ausgangsgrößen der

Logikschaltung 84 werden entsprechend folgenden Gleichungen erzeugt: ■

^mxc - - ^Km &

fVwx - ^Bx^Hwzl ^^nd

^mj0 " " *1Q L~Z"WX

¹¹¹ZC = - SftcA V" ?yH«J?.

Hierbei bedeuten ^χ»^¹^ und H_W2 die gespeicherten Ro^entenwerte.

Gemäß Pig. 4 werden die magnetischen Schaltungskoamandosignale Multiplikatorschaltungen 88, 89, 90, 91 zugeführt; ebenso die gemessenen Werte B , B , B . Die Ausgangssignale' dieser Multiplikatoren ergeben nach Verarbeitung durch Summierschaltungen 92, 93 Signale entsprechend dem Moraenten-Steuerdrchrnoment um die Längs- und Hochachse. Die Signale werden darnach in der Längsachsen- und Hqchachsenschaltung 60 bzw. 60a von ?ig. 3 verarbeitet.

Vor der Erläuterung des Aufbaues, der Längsachsen- uni Hochachsen-Logikanordnung..sei darauf hingewiesen,, daß die Systemgenauigkeit v;eiter gesteigert werden kann, indeE eine Drehmoment-Kpmpensatiqns-Logikschaltung vorgesehen wird, welche die erwarteten Störungen um die Längs- μηά Hochachse verarbeitet. Zu diesem Zweck ist die Schaltung von Pig. 5 veranschaulicht. ■ . . .

Ein Zeitgeber 3 00 treibt eine Auflösereinheit 101 an, weiche Sinus- und Cosinus-Ausgangssignale erzeugen soll. Diese periodischen Signale werden mit verschiedenen Koeffizienten .in KuI-Jpttltijfjitereii 102, 103^ I04, 105 multipliziert. Die Ploeffizienten werden so gewählt, daß eine Annäherung an Störun-en erzielt wird, welche auf das Pahrzeug sowie um die Hoch- und Längsachse wirken und bei Umlauf frequenz a.uftreten. Dio Ausgangssignale der Multiplikatoren· "!02^ 105 werden auf Surr.r.ierschaltungen 106, 10 7 qeqebev «elehe zusätzliche Eingänge A und A_z0 aufweisen, dxc? Kan^^-jh-te bei den Terarbeitur.^sglei-

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chungen darstellen. Die Ausgänge der Summi'erschaltuncren 106, 1C7 entsprechen den Störungs-Drehraoment-Schätzungen in Einwirkung auf das Pahrzßug und können als Eingangsgrößen für die Hochachsen- und Längsachsen-Logikschaltungen 60, 60a von Pig. ·3 dienen.

Die durch die Momenten-Entladungsschaltugen von Pig. 3, 4 und der Störungs-Drehmoment-Verarbeitungsschaltung von Fig. erzeugten Signale dienen als Eingänge für die Logikschaltungen 60, 60a von Pig. 3. Auch ergibt sich, daß die Längsachsen- und Hochachsen-Kardan-Kommandogleichungen gemäß den vorangehenden Ausführungen allgemeine Ausdrücke darstellen, v/elche irgendeinem der Drehmomentsignale entsprechen, das durch die Schaltungsanordnung von Pig. 4 oder 5 erzeugt wird.

Pig. 6 zeigt Schaltungselemente zur Darstellung der Hochachsen- und Längsachsen-Gleichungen entsprechend den Logikschaltungsblöcken 60, 60a von Pig. 3. Wie bereits in Verbindung mit Pig. 3 erwähnt wurde, umfassen Eingangssignale zu der Hochachsen-Logikschaltung 60 das Längsachsen-Pehlersignal, die Längsachsen- und Hochachsen-Kardanwinkelsignale sov/ie ein Kompensationssignal auf der Leitung 120, wenn Schubkraftglieder zur Rückstellung eines überschüssigen Momentes verwendet werden.

Das'Längsachsen-Lagenfehler-Pühlsignal wird verarbeitet, um ein Signal entsprechend diesem Pehler multipliziert mit einer Konstante Kg zu erzeugen. Dieses Produkt kann erzeugt werden, indem das Längsachsen-Pehlersignal auf den Eingang eines Multiplikators 62 übertragen wird, und zwar eines Verstärkers mit einer Verstärkung von K^ im Pille einer analogen Darstellung oder auf ein Schieberegister im Palle einer digitalen Darstellung. Dieses Signal stellt alsdann die Eingangsgröße zu dem Integral 63 dar.

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Das Längsachsen-Lagenfehlersignal wird auch durch den Multiplikator 64 verarbeitet. Diese vorangehend erläuterten Produkte werden in einer Summierschaltung 65 addiert.

Das Hochachsen-Logiksegment der Kardan-Drehmoment-Kormandο-schaltung verarbeitet auch das Längsachsen-Kardanwinkelsignal, welches als Eingangsgröße für einen Multiplikator 66 dient, der die Umlaufgeschwindigkeit darstellt. Dieses Produkt wird in der Summierschaltung 67 zusammen mit dem Kompensationssignal auf der Leitung 61 und der Summeneingangsgröße zu dem Integrator .116 addiert. Die Ausführungsgrößen der Summierschaltung 65 und des Integrators 116 werden durch eine andere Summierschaltung 68 addiert, um das Hochachsen-Kardan-Kommandosignal zu erzielen, welches die Ausgangsgröße der Hochachsen-Logikschaltung 60 von Fig. 3 darstellt.

Der Rest von Pig. 6 bezieht sich auf die Darstellung der zweiten Gleichung der Kardan-Kommandogleichungen gemäß der vorliegenden Beschreibung und entspricht der Längsachsen-Logikschaltung 60a von Pig. 3. Eingangssignale umfassen das Längsachsen-Lagenfehlersignal, die Längsachsen- und Hochachsen-Kardanwinkelsignale, ein Momenten-Entladungs-Drehmomentsignal auf der Leitung 120 (ebenfalls in Pig. 3 veranschaulicht). Die anderen Eingangsgrößen bestehend aus dem Störungsdrehmoment- und dem Momenten-Rege-1-Drehmomentsignal stehen zur "Verfugung, wenn ein magnetisches Momenten-Entladungselement von Pig. 4 und/oder eine Drehmoment-Kompensations-Logikschaltung von Pig. 5 verwendet wird.

Das Längsachsen-Pehlersignal φ wird in der Summierschaltung 70 zu dem Produkt aus dem Hochachsen-Kardanwinkelsignal und K' zusammengefaßt, welche Größe an dem Ausgang des Multiplikators 71 erscheint. Die Ausgangsgröße der Summierschaltung 70 stellt demgemäß die Ausdrücke φ - K'.T₂ der Längsachsen-Kardankommandogleichung dar. .

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Offensichtlich kann darnach der erste Integralausdruck in ähnlicher Weise dargestellt werden, indem die Ausgangsgröße der Summierschaltung 69 durch den Multiplikator 72 verarbeitet wird, wobei diese Größe darnach durch die Summierschaltung zu der Ausgangsgröße des Multiplikators 74 addiert wird. Die Ausgangsgröße der Summierschaltung 73 kann darnach durch einen Integrator 115 integriert werden.

In ähnlicher Weise wird der verbleibende Integralausdruck,in dem Ausmaß der Verwendung von dessen Ausdrucken, ausgetragen, indem der Regelungs-Drehmoment-Ausdruck von dem Komenten-Entladungselement (Fig. 3 oder 4·) und das Störungsdrehmoment von der Drehmoment-Kompensationslogikschaltung (Fig. 5) in einer Summierschaltung 75 addiert werden, deren Ausgangsgröße durch den Multiplikator 76 verarbeitet wird, entsprechend der Größe 1/H-d. Diese Ausgangsgröße dient als Kompensationssignal auf der Leitung 61 und als Eingangssignal zu dem Multiplikator 77. Gemäß Fig. 6 werden auch die verbleibenden Regelunrs- und Störungs-Drehmomentausdrücke durch die Summierschaltung 78 addiert und durch den Multiplikator 79 verarbeitet, dessen Ausgangsgröße zu der Ausgangsgröße des Multiplikators 77 durch die Summierschaltung 110 hinzugefügt wird. Deren Ausgangsgröße kann darnach durch einen Integrator 111 verarbeitet werden, dessen Ausgangsgröße zu der Ausgangsgröße des ersten Integrators 115 durch die Summierschaltung 112 addiert wird, um auf diese Weise den vollständigen Integralausdruck der Längsachsen-Kardan-Kommando-Gleichung darzustellen.

Schließlich werden die Ausgangsgrößen der Summierschaltungen 70, 112 durch die Summierschaltung.113 addiert, um das gewünschte Längsachsen-Kardan-Kommandosignal darzustellen.

Die LeJÄungsfähigkeit des Systems über sechs ümläuie ergibt sieh aus Fig. 7 für einen Satelliten in einer geosychronen Umlaufbahn. Die veranschaulichten Variablen sind der Hochaehsen-

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ORIG«NAL

lagenfehler, der Längsachsen-Kardanwinkel und der Hochachsen-Kardanwinkel. Die Queraehsen-und längsachsen-Iagenfehler sind nicht veranschaulicht, da sie auf sehr geringen Werten-gehalten ■sind (typischerweise < 0,05-, entsprechend den Grenzv/erten des Längsachsen- und Querachsen-Fühlers). Die auf das Raumfahrzeug wirkenden Drehmomente ergeben sich aus Pehlaus/rleichsvorgängen infolge des Sonnenstrahlungsdruckes um das Raumfahrzeug-Massenzentrum. Das säkulare Drehmoment herrscht vor und weist einen Wert von 27.10""^ cm ρ auf. Das Vorspannungsmoment des Reaktionsrades beträgt etwa 95*10 cm ρ sec.

Der Hochachsen-Lagenfehler zeigt eine Periodizität von einem Umlauf (entsprechend einem Tag) mit einer Größe von etwa 0,9°. Die Hochachsen-Kardanwinkel-Ausweichungen zeigen - beginnend vom Wert Null - einen Aufbau und erreichen 3° bei etwa zv/ei Umläufen, bei welchen der Momenten-Entladungagronzwert erreicht wird und das Längsachsen-Schubkraftelement eingeschaltet wird, wobei das Moment über die Längsachse beseitigt und der Hochachsen-Kärdanwinkel auf etwa 0,8° zurückgestellt werden. Folgende Beseitigungen des Momentes ergeben sich durch plötzliche Änderungen in dem Hochachsen-Kardanwinkel. Ein Vergleich der Längsachsen- und Hochachsen-Kardanwinkel zeigt den Momentenaustausch bei jedem Viertelumlauf, wobei die Längsachsen-Kardan-Verläufe die Hochachsen-Kardan-Verläufe infolge der Momentenansammlung über den Viertelumlauf übersteigen.

Das vorliegend beschriebene Stabilisierungs- und Regelungssystem ermöglicht ein verhältnismäßig geringes Gewicht sowie einen mechanisch einfacheren Aufbau als bisher bekannte Systeme, wobei lediglich eine Zweiachsen-Lagenfehler-Inforaation erforderlich ist.

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Claims (8)

Patentansprüche:

1. Lagenstabilisierungs- und Regelsystem für ein in einer Umlaufbahn tun einen Körper verlaufendes Raumfahrzeug, welchem orthogonale Achsen derart zugeordnet sind, daß eine Querachse nominell senkrecht zu der Umlaufbahnebene, eine Hochachse nominell durch den Mittelpunkt des umkreisten Körpers verlaufen und eine Längsachse nominell mit der Achse des Geschv/indi^keits^- vektors zusammenfällt, wobei die Achsen eine Vorzugsstellung gegenüber dem Körper aufweisen, gekennzeichnet durch einen Querachsen-Ausrichtungs-Fühler mit einer Ausgangsgröße entsprechend der Winkelabweichung des Fahrzeugs von einer stabilisierten Stellung um die Querachse, einen Längsachsen-Ausrichtungs-Fühler mit einer Ausgangsgröße entsprechend der tfinkelahweichung des Fahrzeugs gegenüber der stabilisierten Stellung um eine Längsachse, einer längs jeder der Bezugsachsen ausgerichtete Momentenquelle, welche einen Vorspannungswert längs der Querachse aufweist, Elemente zur unabhängigen Änderung des Momentes längs jeder der Bezugsachsen, ein föomenten-Keßelenent in Zuordnung zu der Momentenquelle zur Erzeugung vcn Mcmenten-Ausgangssignalöientsprechend dem augenblicklichen Moment längs der Bezugsachsen, einer Querachsen-Regellogikschaltung mit Eingängen, die mit dem Querachsen-Fühler, dem Ausgang des Momenten-Meßelementes entsprechend dem Querachsen-Moment und einem Ausgang verbunden sind, der mit der Momentenquelle zur variablen Regelung des Querachsenmomentes verbunden ist,und eine Hochachsen- sowie eine Längsachsen-Regellogikschaltung, welche mit dem Längsachsenfühler sowie den Ausgängen der Momenten-Meßelemente zur Darstellung des Hochachsen- und Querachsen-Momentes verbunden sind, wobei diese Logikschaltungen Ausgänge aufweisen, die mit der Momentenquelle verbunden sind, um die Längsachsen- und Hochachsen-Momente variabel zu regeln und auf diese V/eise Reaktionsdrehmomente zu erzeugen, welche im wesentlichen das Fahrzeug auf die bevorzugte stabilisierte Orientierung reorientieren.

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2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querachsen-Regellogikschaltung sowie die Hochachsen- und Längs achsen-Regellogikschaltung Elemente zur Erzeugung von Momenten Kommandosignalen gemäß folgenden Gleichungen umfassen:

* ^HB - ^K5 ^{θ + K
1}W ^{a H}B <* -^0/(¹W ^{+ K}i <"\ζ ^{+ H}B

^^omHiandierten Momente längs der Quer- "bzw.

Hochachse,

H , H die gemessenen längs- bzw. Hochachsen-Momente, Η,, die Querachsenvorspannung,

(χι die Umlaufgeschwindigkeit,

Κ.., K«» ^KAf ^K5» Kg Regelverstärkungswerte bedeuten.

3. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Reaktionselemente zur Erzeugung eines Regeldrehmomentes an dem Fahrzeug und ein Momenten-Entladunes-Logikelement, welches mit den Reaktionselementen der Querachsen-Regellogikochaltung und dem Hochachsen- sowie Regellogikelement verbunden ist, um dac Reaktionselement in Abhängigkeit von bestimmten gespeicherten Momenten-Bedingungen zu betätigen.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die äquivalenten Ausdrücke von H._._ und H,_r__ ferner die Aus-

WJi-C WZC λ

drücke ₊/r_mx dt ₊/l_todt bzw. +/ (_CffiZ+K; χ _mx)dt +/(X^+K^ dt, umfassen, ^wobeix undt die Momenten-Entladungs-Drehmomente und Tj sowie T, die geschätzten Störungsdrehmomente darstellen.

5. Anordnung nach einen der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Momentenquelle folgende Bauelemente umfaßt: ein Reaktionsrad, Hochachsen- und Längsachsen-Kardanelemente in Kopplung mit dem Reaktionsrad, um diesem zwei Freiheitsgrade zu ermöglichen, Antriebselemente in Kopplung mit dem Reaktionsrad sur Betätigung des Rades bei gewählten Winicel-

3 c . \/ η π <■· ->

233295A

geachwindigkeiten und Hochachsen- sowie Längsachsen-Kardan-Antriebselemente in Kopplung mit den Kardanelementen zur auswahlmäßigen Einstellung jedes Kardanelementes, wobei das Momenten-Meßelement folgende Bauelemente umfaßt: Ein Fühlelement zur Erzeugung eines Signals entsprechend der Raddrehzahl und Anzeigeelemente in Kopplung mit den Kardanelementen zur Erzeugung von Signalen entsprechend der Lage jedes der Kardanelemente.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochachsen- und Längsachsen-Regelschaltüng Elemente zur Erzeugung des Hochachsen- und Längsachsen-Kardan-Kommandosignals gemäß folgenden Gleichungen umfaßt:

_Y - κ; φ ₊/(Kj φ - wY) dt +

ze B

wobei φ den Längsachsen-Abweichungswinkel, Y sowie γ die Abweichungen der Kardanelemente gegenüber einer vorgegebenen Stellung, Ui die Umlaufgeschwindigkeit des Fahrzeugs um den Körper,H-T₄ das Vorspannungsmoment des Reaktionsradius und V sowie V die Momenten-Regeldrehmomente an dem Fahrzeug darstellen, welche durch die Reaktionselemente erzeugt v/erden.

7· Anordnung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Drehmoment-Kompensations-Logikschaltung in Kopplung zu der Hochachsen- und Längsachsen-Regellogikschaltung zur Erzeugung von Signalen entsprechend den geschätzten Drehmomenten an dera Fahrzeug infolge anderweitig nicht gemessener Störungen.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochachsen- und Längsachsen-Steuerlogikschaltungen weitere Elemente zur Erzeugung von Hochachsen- und Längsachsen-Kardan-Kommandosignalen gemäß folgenden Gleichungen umfaßt:

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9· Anordnung nach einem der Ansprüche 3-8, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionselement Querachsen-Schubkraftelemente und Längsachsen-Schubkraftelemente umfaßt und daß die Momenten-Entladungs-Iogikanordnung folgende Elemente umfaßt :

Eine erste Grenzwertschaltung in Kopplung mit der Querachsen-Drehmoment-Kommandoschaltung, welche auf die differentielle Raddrehzahl anspricht, sowie eine zweite Grenzwertschaltung in Kopplung mit der Kardan-Kommandoschaltung, welche auf ein Hochachsen-Kardan-Stellungssignal anspricht, wobei die Schubkraftelemente bei bestimmten Werten des Hochachsen-Kardan-Stellungssignals zu betätigen sind.

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