DE2454071C3

DE2454071C3 - Einrichtung zum Verändern der Fluglage eines drallstabilisierten Raumfahrzeuges

Info

Publication number: DE2454071C3
Application number: DE19742454071
Authority: DE
Inventors: Ludwig Livingston N.J. Muhlfelder
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1973-11-16
Filing date: 1974-11-14
Publication date: 1982-03-18
Also published as: FR2251472B1; CA1004205A; GB1483467A; FR2251472A1; DE2454071B2; DE2454071A1; JPS5082799A; JPS5317240B2

Description

Schubkräfte jeweils verschiedener Größe wie bei einigen bekannten Lagesteuerungssystemen, erzeugen sollten. Um eine gewünschte Änderung der Fluglage des Raumfahrzeuges zu erzielen, werden daher die Schubtriebwerke 11 und 12 für ein vorbestimmtes Zeitintervall gleichzeitig ein- und ausgeschaltet. Jedes Triebwerk-Einschaltintervall ist so berechnet, daß sich eine schrittweise Änderung der Fluglage ergibt, bis die gewünschte Gesamtänderung der Fluglage des Raumfahrzeuges erreicht ist

Eine geeignete Logikschaltung dient zur Regelung des Arbeitens von Triebwerk-Regelventilen 18 und 19, die ihrerseits den Zufluß des Treibmittels vom Behälter 15 zu den Schubtriebwerken 11 und 12 regulieren. Die Logikschaltung 14 arbeitet unter Steuerung durch entsprechend zeitgesteuerte Signale von einer herkömmlichen Kommando- und Fernmeßanlage 16 und einem geeigneten Trägheitsfühler oder Inertialsensor 17, wie dem in der von der Firma Adcole Corporation herausgegebenen Arbeit »Digital Solar Aspect Systems«, Copyright 1967, beschriebenen Gerät Adcole Sun Sensor No. 17 644. Der Inertialsensor 17 erzeugt ein Signal, das eine Winkellage des drallS'abilisierten Raumfahrzeuges 10 in bezug auf ein Trägheitsbezugssystem anzeigt Mit Hilfe der Kommando- und Fernmeßanlage 16 kann ein gewünschtes Raumfahrzeugmanöver zum Verändern der Fluglage des Raumfahrzeuges ausgelöst werden, indem ein Wechsel- oder Gegensignalverkehr zwischen dem Raumfahrzeug 10 und einer Bodenstation (nicht gezeigt) hergestellt wird. Die Logikschaltung 14 erzeugt eine Reihe von Impulssignalen, welche die Betriebsperiode der Schubtriebwerke sowie die entsprechenden Einschaltzeiten für die Schubtriebwerke 11 und 12 zur Herstellung einer gewünschten Fluglage des drallstabilisierten Raumfahrzeuges festlegen.

Die auf das Raumfahrzeug 10 einwirkende Gesamtkraft ist im wesentlichen Null, da die Schubkraft F_t durch die gleichgroße und entgegengesetzt gerichtete Schubkraft F₂ aufgehoben wird. Jedoch bewirken, wie erwähnt d^:s Schubkräfte F₁ und F₂, daß am Raumfahrzeug 10 ein reines Kräftepaar angreift. Dieses Kräftepaar erzeugt ein Drehmoment, das die gewünschte Änderung der Fluglage hervorruft Die Größe des diese Änderung der Fluglage des Raumfahrzeuges hervorrufenden Drehmomentes des Kräftepaares ist gleich de/ Größe, d. h. dem Betrag jeder der beiden Kräfte (die in F i g. 1 mit F₁ und F₂ bezeichnet und gleichgroß sowie entgegengesetzt gerichtet sind), multipliziert mit dem Abstand d zwischen ihnen, d. h. F\ χ c/oder F₂ χ d So;:iit ist die einzige Bewegung, die durch diesen das oben erwähnte Kräftepaar bildenden Satz von Kräften hervoi gerufen wird, eine Änderung der Fluglage des Raumfahrzeuges in Uhrzeigerrichtung (bei dem hier beschriebenen Beispiel) infolge des oben erwähnten Drehmomentes ohne Veränderung der Fahrzeuggeschwindigkeit, da die am Raumfahrzeug 10 angreifende Gesamtkraft im wesentlichen Null ist. Das heißt, die Fluglage des drallstabilisierten Raumfahrzeuges wird dadurch verändert, daß die Schubtriebwerke 11 und 12 als Antwort auf eine Reihe oder Folge von in der Logikschaltung 14 erzeugten Impulssignalen ein Kräftepaar erzeugen.

F i g. 2 zeigt ein Blockschaltschema der Logikschaltung 14 mit einer geeigneten Verzögerungsschaltung 20. die an eine geeignete Zündbefehlsschaltung 21 angekoppelt ist. Die Verzögerungsschaltung 20 ist in bekannter Weise ausgfbildet und so eingerichtet, daß sie einen Einschaltzustand, einen Bereitschafts- oder Wartezustand und einen Ausschaltzustand aufweist Im Bereitschaftszustand erzeugt und überträgt die Verzögerungsschaitung 20 bei Empfang eines vom Sonrien-, oder Inertialsensor erzeugten Signals ein Zündbefehlssigna! an die Zündbefehlsschaltung 21. Die Zündbefehlsschaltung 21 ist von bekannter Ausbildung und erzeugt bei Empfang eines Zündbefehlssignals von entweder des Verzögerungsschaitung 20 oder der Kommando- und

tu Fernmeßanlage 16 ein die Betriebsperiode oder -dauer der Schubtriebwerke bestimmendes Signal. Beispielsweise kann die Betriebsperiode oder Einschaltdauer der Schubtriebwerke durch die Impulsbreite des zugeleiteten Zündbefehlssignals bestimmt werden. Das von der

r. Zündbefehlsschaltung 21 erzeugte Signal wird den Triebwerk-Regelventilen 18 und 19 zugeleitet die den Treibmittelzufluß vom Behälter 15 zu den Schubtriebwerken 11 bzw. 12 steuern.

Der Inertialsensor 17 ist mit dem Körper des

jo Raumfahrzeuges 10 verbunden und kreiselt um die Raumfahrzeug-Drallachse 13 mi» der vorgegebenen Winkelgeschwindigkeit des Raumfahrzeuges. Der Inertialsensor oder Sonnenfühler 17 erzeugt jedesmal, wenn er der Sonne ausgesetzt oder mit Sonnenlicht beaufschlagt wird, ein Signal. Durch das vom !nertialsensor erzeugte Signal wird somit die Orientierung des Raumfahrzeuges 10 relativ zu einem Trägheitsbezugssystem festgelegt Das vom Inertialsensor erzeugte Signal wird gleichzeitig an sowohl die Verzögerungsschaitung

in 20 als auch die Kommando- und Fernmeßanlage 16 übertragen. Die Kommando- und Fernmeßanlage 16 ist in bekannter Weise so eingerichtet, daß sie die vom Inertialsensor erzeugten Signale an eine Sende-Empfangs-Bodenstation (nicht gezeigt) überträgt und Signa-

)5 Ie von dieser empfängt

Die Verzögerungsschaitung 20 ist in bekannter Weise so eingerichtet daß sie ihren Bereitschaftszustand bei Empfang eines Auslöse- oder ersten Signals einnimmt, das von der Bodenstation gesendet und über die Kommando- und Fernmeßanlage 16 an die Verzögerungsschaitung 20 übertragen wird. Vor Empfang dieses A'islösesignals befindet sich die Verzögerungsschaitung 20 im Ausschaltzustand, in dem sie auf vom Inertialsensor erzeugte Signale nicht anspricht oder durch solche 5 Signale nicht eingeschaltet wird. Während die Verzögerungsschaitung 20 sich im Bereitschafijzustanti befindet, dreht sich das drallstabilisierte Raumfahrzeug 10 ständig um seine Drallachse 13, bis der Inertialsensor 17 wieder von den Sonnenstrahlen beaufschlagt wird. Das bei Sonnenlichtbeaufschlagung des Inertialsensors 17 erzeugte Sensorsignal gelangt zu der im Bereitschaftszustand befindlichen Verzögerungsschaitung 20, und nach einem vorbestimmten Verzögerungsintervall erzeugt die Verzögerungsschaitung 20 ein Zündbefehls-

y-> signal, das an die Zündbefehlsschaltung 21 übertragen wird. Die Zündbefehlsschaltung 21 erzeugt bei Empfang von Zündbefehlssignalen von entweder der Verzöperungsschaltung 20 oder der Kommando- und Fernmeßanlage 16 ein Impulssignal, dessen Impulsbreite die

bo Betriebsperiode oder Einschaltzeit der Schubtriebwerke 11 und 12 bestimmt

Die Verzögerung zwischen der Zuleitung eines Sensorsignals an die Verzögerungsschaitung 20 im Bereitschaftszustand und der Erzeugung des Zündbe-

b5 fehlssignals durch die Verzögerungsschaitung 20 ermöglicht es, daß Ci!3 dralistabilisierte Raumfahrzeug 10 eine Winkeldrehung um die Drallachse 13 aus der Lage, in welcher der Inertialsensor 17 vom Sonnenlicht

beaufschlagt wurde, in die gewünschte Lage für die Einschaltung der lagekorrigierenden Schubtriebwerke 11 und 12 vollführt. Und zwar wird die gewünschte oder Sollage für die Einschaltung der Schubtriebwerke 11 und 12 von der Bodenstation bestimmt, nachdem die Sensorsignale empfangen sind und die Winkelgeschwindigkeit des Raumfahrzeuges 10 bekannt ist. Das von der Bodenstation empfangene Sensorsignal zeigt die Orientierung des Raumfahrzeugs 10 relativ zu einem Trägheitsbezugssystem, beispielsweise der 5ionne, an. Somit ist die relative Winkellage des Raumfahrzeuges 10 zu jedem beliebigen späteren Zeitpunkt voraussagbar, wenn man die Winkelgeschwindigkeit des Raumfahrzeuges und den Zeitpunkt des Emplangs des Sensorsignals an der Bodenstation kennt. Wird eine Änderung der Fluglage des Raumfahrzeuges gewünscht, so werden die Schubtriebwerke 11 und 12 zu einem Zeitpunkt gezündet, der so berechnet ist. daß eine

Flnglagpnändprung in Hpr gpumntrhtpn Rir-htiina

erfolgt. Die Größe oder der Betrag der Schubkraft sowie die Einschaltdauer der Schubtriebwerke 11 und 12 bestimmen den Grad der Fluglagenänderung des Raumfahrzeuges. Die Schubtriebwerke 11 und 12 werden impulsweise für eine durch die Anordnung der Zündbefehlsschaltung 21 bestimmte Dauer eingeschaltet, so daß sie feste Schubkräfte Ft bzw. F₂ senkrecht zur Drallachse 13 erzeugen.

Die Verzögerungszeit zwischen der Zuleitung des Sensorsignals an die Verzögerungsschalturig 20 im Bereitschaftszustand und der Erzeugung des Zündbefehlssignals durch die Verzögerungsschaltung ist veränderlich und kann auf folgende Weise bestimmt werden: Die Verzögerungsschaltung 20 enthält eine geeignete Zählerschaltung (nicht gezeigt), die bei Zuleitung eines Sensorsignals an die Verzögerungsschaltung 20 im Bereitschaftszustand eingeschaltet wird und zu zählen beginnt. Nach der Zuleitung eines Sensorsignals an die Verzögerungsschaltung 20 im Bereitschaftszustand wird ein Zündbefehlssignal von der Bodenstation zum Raumfahrzeug 10 gesendet und über die Kommando- und Fernmeßanlage 16 gleichzeitig an die Verzögerungsschaltung 20 und die Zündsteuerschaltung 21 übertragen. Der an die Verzögerungsschaltung 20 übertragene Teil des von der Bodenstation gesendeten Zündbefehlssignals schaltet die Zählerschaltung ab und stellt sie auf Nullzeit zurück. Bei Aktivierung durch den restlichen Teil des von der Bodenstation gesendeten Zündbefehlssignals erzeugt die Zündbefehlsschaltung 21 ein entsprechendes Impulssignal für die Zündung der Schubtriebwerke 11 und 12.

Die Verzögerungsschaltung 20 bleibt nach wie vor im Bereitschaftszustand und spricht auf die Sensorsignale an. wenn ihre Zählerschaltung auf Nullzeit j:uriickgestellt ist. Die Zeitdauer zwischen der Zuleitung eines Sensorsignals an die Verzögerungsschaltung 20 im Bereitschaftszustand und der Eingabe der von der Bodenstation gesendeten Zündbefehlssignale in die Verzögerungsschaltung 20 wird dort gespeichert und stellt die vorbestimmte Verzögerungszeit der Verzögerungsschaltung 20 dar. Durch jedes anschließend zur Verzögerungsschaltung 20 (nach der Speicherung der vorbestimmten Verzögerungszeit in der Verzögerungsschaltung 20) gelangende Sensorsignale wird der Zähler der Verzögerungsschaltung eingeschaltet, und nach der vorbestimmten Vci/ögcrungszeit erzeugt die Verzögerungsschaltung 20 ein Zündbefehlssignal. das der Zündbefehlsschaltung 21 zugeleitet wird. Die Zündbefehlsschaltung 21 erzeugt, wenn sie durch das Zündbefehlssignal von der Verzögerungsschaltung aktiviert ist. ein entsprechendes Impulssignal für die Zündung der Schubtriebwerke 11 und 12.

Π:ις impiilsweise Arbeiten der Schubtriebwerke 11 und 12 dauert an. bis von der Bodenstation ein Beendigungsimpuls an das Raumfahrzeug 10 gesendet wird. Der Beendigungsimpuls wird der Verzögerungsschaltung 20 über die Kommando- und Fernmeßanlage 6 zugeleitet. Die Verzögertingsschaitung 20 nimmt bei Empfang des von der Bodenstation gesendeten Beendigungsimpulses ihren Ausschaltzustand ein. Wenn sie im Ausschaltzustand ist, spricht die Verzögerungsschaltur? 20, wie bereits erwähnt, auf Sensorsignale nicht an und wird durch solche Signale nicht eingeschaltet.

Das vorstehend beschriebene Lagesteuerungssystem für ein driillstabilisiertes Raumfahrzeug 10 ist also mit am Raumfahrzeug 10 angeordneten Schubtriebwerken Il und 12 ausgerüstet, die gleichgroße und entgegengesetzt gerichtete Kräfte Fi bzw. F₂ erzeugen, die ein Kräftepaar unter Erzeugung eines die Fluglage des Raumfahrzeuges beeinflussenden Drehmomentes bilden, ohne eine die Fahrzeuggeschwindigkeit ändernde Kraft auszuüben. Die Schubkräfte F* und Fj sind senkrecht zur Drallachse 13 des Raumfahrzeuges gerichtet, so daß sie einen zur Drallachse 13 senkrechten Lagesteuerungs-Drehmomentvektor erzeugen. Die resultierende Gesamtkraft, die durch das Arbeiten der Schubtriebwerke 11 und 12 auf das Raumfahrzeug 10 ausgeübt wird, ist im wesentlichen Null, da die Schubkräfte Fi und F₂ dem Betracht nach gleich und entgegengesetzt gerichtet sind. Die Fluglage des drallstabilisierten Raumfahrzeuges 10 wird also ohne Verändern der Fahrzeuggeschwindigkeit verändert, indem mit Hilfe mindestens zweier Schubtriebwerke, die am drallstabilisierten Raumfahrzeug 10 angerdnet sind, ein aus senkrecht zur Drallachse 13 gerichteten Kräften F, und F: bestehendes Kräftepaar erzeugt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch;

Einrichtung zum Verändern der Fluglage eines drallstabilisierten Raumfahrzeuges ohne Beeinflussung der Fahrzeuggeschwindigkeit mit einer mit dem Raumfahrzeug verbundenen Inertialsensoranordnung zum Wahrnehmen eines Trägheitsbezugspunktes und Erzeugen eines entsprechenden Signals, mit einer mit der Inertialsensoranordnung gekoppelten Steueranordnung, die in Abhängigkeit von dem Signal der Inertialsensoranordnung Steuersignale für die Fluglagensteuerung des Raumfahrzeuges erzeugt, und mit einer Motoranlage mit zwei am Raumfahrzeug montierten Rückstoßaggregaten, die unter Steuerung durch die Steuersignale dem Raumfahrzeug gleichzeitig gleich große, entgegengesetzt gerichtete Schubkräfte erteilen, welche parallel gegeneinander versetzt sind und als Kräftepaar ein die Fluglage des Raumfahrzeuges änderndes Drehmoment entsprechend einem Vektor senkrecht zur Drallachse erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß die Schubkräfte (F;, Fz) der beiden Rückstoßaggregate (11, 12) in einer zur Drallachse (13) parallelen Ebene liegen und senkrecht zur Drallachse (13) gerichtet sind.

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Bei einer aus der Zeitschrift »IEEE Transactions on aerospace and electronic systems«, März 1972, Seiten 236 bis 245 bekannten Einrichtung dieser Art werden die beiden Schubkräfte impulsweise in einer die Drallachse enthaltenden Ebene Ui.d in zur Drallachse parallelen Richtungen erzeugt Die Einrichtung wird in Abhängigkeit von einem von der Erde gesendeten HF-Signal gesteuert, das von einem Antennensystem mit einem großen Parabolreflektor empfangen wird, der koaxial zur Drallachse angeordnet ist. Aufgrund der Anordnung der Rückstoßaggregate der bekannten Einrichtung relativ zur Drallachse ergibt sich das Problem, daß sich die Rückstoßaggregate und der erwähnte Parabolreflektor konstruktiv gegenseitig stören.

Aus der US-PS 31 69 729 ist ein System zum Verändern der Fluglage eines Raumfahrzeuges bekannt, bei dem zwei entgegengesetzt wirkende Rückstoßaggregate für eine gewisse Zeitdauer gleichzeitig in Betrieb gesetzt werden. Da die Aggregate koaxial angeordnet sind, haben sie zunächst keinen Effekt. Für die gewünschte Lageänderung werden sie jedoch zu unterschiedlichen Zeitpunkten ein- oder ausgeschaltet, womit in der Regel eine Geschwindigkeitsänderung verbunden ist. Solche Geschwindigkeitsänderungen sind unerwünscht.

Aus der US-PS 35 32 297 ist ferner ein Steuersystem für ein Raumfahrzeug bekannt, bei dem zwei paarweise in Abhängigkeit von einer Inertialbezugsgröße betriebene Schubaggregate gegeneinander versetzte, entgegengesetzt gleiche Schubkräfte und somit ein Drehmoment erzeugen. Mit einem Steuerventil wird je nach der gewünschten Drehrichtung entweder das eine oder das andere von zwei Aggregatpaaren eingeschaltet. Hierbei erfolgt aber lediglich eine Änderung der Drehgeschwindigkeit um eine zur Ebene der Schubaggregate senkrechte Achse. Auch bei einem aus der US-PS

30 72 363 bekannten Drallstabilisierungssystem dienen zwei Schubaggregate lediglich zur Einstellung einer gewünschten Kreiselbewegung, da ihr Drehmomentvektor in der Drallachse liegt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Justierung der Lage des rotierenden Fahrzeugs unter Berücksichtigung der Winkelstellung ohne Änderung der Geschwindigkeit anzugeben, die eine größere konstruktive Freizügigkeit hinsichtlich der Anordnung der Rückstoßaggregate ermöglicht als bisher.

Die Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs gelöst

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines drallstabilisierten Raumfahrzeugs mit der Einrichtung zur Lagesteuerung; und

Fig.2 das Blockschaltschema einer Logikschaltung zum Steuern der Zeit und Dauer der Schubtriebwerke.

F i g. 1 zeigt in schematischer Darstellung ein drallstabiüsiertes Raumfahrzeug 10 mit einem Lagesteuerungssystem, das die Geschwindigkeit des Raumfahrzeuges nicht beeinflußt An der Außenseite des Raumfahrzeuges 10 sind in gleicher Ebene mindestens zwei geeignete Rückstoß- oder Schubtriebwerke 11 und

12 angeordnet, die bei Inbetriebsetzung gleichgroße, entgegengesetzt gerichtete Schubkräfte F, und F₂ von fester Größe erzeugen, die senkrecht zur Drallachse 13 angreifen. Die Schubkräfte Fi und F> erzeugen ein Kräftepaar, das bewirkt, daß eine Verdrehungskraft oder ein Drehmoment dargestellt durch den Vektor 7",, am Raumfahrzeug 10 rechtwinklig zu dessen Spinachse

13 angreift Zwar kann eine ein Drehmoment erzeugende Schubkraft eine unerwünschte Änderung der Geschwindigkeit des Raumfahrzeuges hervorrufen; da jedoch die Schubkräfte F₁ und F₂ gleichgroß und entgegengesetzt gerichtet sind, ist die resultierende Netto- oder Gesamtschubkraft die am Raumfahrzeug 10 angreift, im wesentlichen Nv.il Es werden also sämtliche Kräfte, die eine unerwünschte Änderung der Fahrzeuggeschwindigkeit bewirken, aufgehoben oder beseitigt Obwohl im vorliegenden Ausführungsbeispiel das Raumfahrzeug 10 mit nur zwei solchen Schubtriebwerken 11 und 12 ausgerüstet ist, kann man stattdessen ohne weiteres auch eine Anordnung von vier Schubtriebwerken für die Dämpfung der Nutation verwenden, wie in der Arbeit »Two-Pulse Attitude Control of An Assymetric Spinning Satellite« von P. C. Wheeler, veröffentlicht vom American Institute of Aeronautics and Astronautics, August 1963, beschrieben.

Die Schubtriebwerke 11 und 12 kreiseln um die Drallachse 13, da das Raumfahrzeug 10 drallstabilisiert ist. Um eine gewünschte Fluglage des Raumfahrzeuges herzustellen, müssen die Schubtriebwerke 11 und 12 gezündet oder eingeschaltet werden, wenn das Raumfahrzeug sich um die Drallachse 13 gedreht hat, um die Winkellage zur Herstellung einer gewünschten Fluglage des Raumfahrzeuges zu korrigieren. Das heißt, die Zeigerichtung eines längs der Drallachse 13 ausgerichteten Einheitsvektors kann in einer gewünschten Weise verändert werden, vorausgesetzt, daß die Schubtriebwerke 11 und 12 zu einem genauen Zeitpunkt, der einer bestimmten Winkellage der Schubtriebwerke 11 und 12 entspricht, eingeschaltet werden.

Es wurde festgestellt, daß für einen maximalen Betriebswirkungsgrad die Schubtriebwerke U und 12 ieweils nur eine Schubkraft fester Größe, statt