DE2642061A1

DE2642061A1 - Lageregelungs- und bahnaenderungsverfahren fuer einen dreiachsenstabilisierbaren satelliten, insbesondere fuer einen geostationaeren satelliten und einrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2642061A1
Application number: DE19762642061
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dipl Phys Goeschel
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1976-09-18
Filing date: 1976-09-18
Publication date: 1978-03-23
Also published as: GB1591902A; FR2365154B1; FR2365154A1; DE2642061C2; US4288051A

Description

Lage re go lungs- und Balmände rungs verfahre n i'iir einen dreiachseiistabilisierbaren Satelliten, insbesondure i'ür einen {joostationären oatolliten und Einrichturiü' zur Dui'ciiiüiii'unü· des Verl'aiirens

Die Eri'induni; betrifft ein Laß-ercßelunü's- und Balmünderun^sveri'alxren Tür einen dreiaclisenstabilisierbaren Satelliten, insbesondere i'ür einen qc ο stationären Satelliten, mit Antriebssystemen und mindestens einem drallradgestützton La^eiOgcluncssystein sowie eine Eini'iclitunc· zur Durchrührung des Verfahrens.

Zur Erzielung einer möglichst hohen Nutzlast werden insbesondere geostationäre Satelliten mit einer Trägerrakete im allgemeinen zunächst in eine elliptische Transferbalin eingebracht mit einem Axjogäum, dessen Höhe bei goostationären Satelliten in etwa der späteren Umlaufhöhe entspricht und einem niedrigen Perigäum von einigen 100 km Höhe. Nach einer beliebigen Anzahl von Umläufen in dieser Transf erbalin wird dex· Satellit im Apogäum

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der Transferbahn mittels als Apogäumsmotor bezeichneten Antriebssystem auf eine erdsynolirone Umlaufbahn angehoben. Heben dem Apogäumsmotor wird ein Bahnkorrektursystem verwendet, welches dazu dient, die Tür eine gute Synchronisierung notwendige Umlau!'geschwindigkeit auf cm/sec genau einzustellen. Die Antriebssysteme übernehmen die Einsteuerung des Satelliten in die gewünschte Position und die Beibehaltung dieser Position über die Lebensdauer des Satelliten gegen die durch Sonnen- und Mondanziehung sowie durch Solardruck bewirkten Bahnstörungen.

Ebenso kann aber auch durch diese Einrichtungen das Einsteuern von Tür andere Missionen bestimmte Satelliten in beliebige nicht geostationäre Flugbahnen vorgenommen werden.

Bisher wurden Tür Satelliten der genannten Art für die beiden grundsätzlich verschiedenen Manöver£)hasen Transferbahn und Umlaufbahn, beispielsweise geostationäre Bahn, unterschiedliche Antriebs- und Lageregelungsverfahren verwendet.

Die Notwendigkeit, während der beiden Manüverphasen unterschiedliche Lageregelungsverfahren zu benutzen, ergibt sich daraus, daß als Apogäumsmotor ein Feststofitriebwerk verwendet wird. Der Schub von Feststofftriebwerken iet jedoch relativ hoch, was zur Folge hat, daß während der Bahnänderungsphase und im übrigen auch während später notwendig werdender Bahnkorrekturen die passive Kreiselstabilisierung durch ein Drallrad alleine zu schwach ist, um die hohen Momente, die beim Betrieb von Feststofftriebwerken entstehen, aufnehmen zu können. Nach der derzeit üblichen Technik wird deshalb in der Transferphase Spinstabilisierung angewendet. Ist der Satellit von langgestreckter Bauart, was den Platzverhältnissen in der Raketennase am besten entspricht, so wird der Spin im allgemeinen um die Achse des kleinsten Ilauptträgheitsmomentes angebracht. Diese Drehung ist jedoch instabil, so daß die infolge Störungen unvermeidlichen Nutationen durch eine aktive Nuta-

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tionsdämpfung ständig abgebaut werden müssen. Feststofftriebwerke werden auch eingesetzt, um damit die bei Verwendung von FlüBsigkeitsantrieben in deren Tankanlagen auftretenden Scliwingungs- und dynamischen Stabilitätsproblome zu verringern. Mit diesem technischen Konzept, Feststofftriebwerk als Apogäumsmotor bzw. Bahnänderungsantrieb sowie unterschiedliche Stabilisierungsarten, sind schwierige ManöverabläuTe, hoher Materialaufwand und damit geringe Nutzlast und entsprechend hohe Kosten verbunden. Weiterhin ist es schwierig, die im Weltraum auftretenden Nutationen abzuschätzen oder gar zu testen, so daß die Auslegung der aktiven Nutationsdämpfung als sehr kritisch angesehen werden muß. Da außerdem die während der gesamten Lebensdauer des Satelliten notwendigen Bahnkorrekturen sinnvollerweisc mit Flüssigkeitsantriebssystemen erfolgen, müssen mindestens zwei unterscniedliche Antriebssystome für Bahnänderung und Lageregelung bzw. Dalinkorrektur vorhanden sein, deren unterschiedliche Energieträger getrennte Tanks, Leitungen, Armaturen usw. erforderlich machen. Ein Beispiel für diese Technik liefert der IiCA-SATCOM-Sa tellit, wie er in RCA¹S Three Axis Communications Satellit (RCA-Paper 1975) beschrieben ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein die Stabilität sicherstellendes Lageregelungs- und Bahnänderungsverfahren für Satelliten der eingangs genannten Art anzugeben, das es ermöglicht, sowohl in der Transforphaso als auch in joder beliebigen Bahn- bzw. ßalmänderungsphase mit einem einheitlichen Lagoregelungssystem zu arbeiten, sowie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelost, daß das Drallrad spätestens in der Transferphase aktiviert wird und daß der Satellit mit einem kleineren Drehimpuls als dem des Drallrades um die zur Drallachse parallele Satellitenachse in vorzugsweise konstante Drehung vorsetzt wird, daß zum Zeitpunkt der gewünschten Bahnänderung die Dreiachsen-

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Cf

Stabilisierung vorgenommen wird, daß die Antx'iebs systeme zur Erreichung der neuen Baiin eingeschaltet werden und daß der Schub der Antriebssysteme so bemessen wird, daß das der späteren Mission dienende Lageregelungssystem auch in der Balinänderungsphase die Orientierung beibehalten kann.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des orfindungsgemüßen Verfahrens ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 5» eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens und deren weitere vorteilhafte Ausführung ergibt sich aus den Ansprüchen 6 bis ü.

Besonders vorteilhaft wirkt sich im Sinne der Erfindung aus, daß für die Durchführung des Verfahrens ausschließlich Lageregelungsbauteile verwendet werden, welche auch in der endgültigen Bahn, beispielsweise einer geostationären Umlaufbahn, notwendig sind. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die Dämpfungsoigenschaft von Flüssigkeiten in den Tanks im Zusammenspiel mit dem im Drallrad gespeicherten Drehimpuls ausgenutzt. Ein derartiges System bleibt in einem stabilen Bewegungszustand, wobei sich die Drallradachse in Richtung des raumfeeten Drehimpulsvektors des Satelliten einstellt, solange der Drall im Drallrad großer ist als der Uestdrall des Satolliten. Eventuelle Nutationen bauen sich durch die Flüssigkeitsdämpfung von selbst ab. Eine aktive Nutationsdämpfung ist daher nicht erforderlich. Das Verfahren führt zu einer reduzierten Anzahl unterschiedlicher Manöver, zu einem sehr einfachen Systemaufbau mit einer geringen Anzahl von Komponenten und damit zu einer beträchtlichen Gewichtseinsparung.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausfühi-ungsbeispiels und der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 den Manöverablauf für die überführung eines Satelliten aus einer Transferbahn in eine goostationäre Bahn nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,

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Fig. 2 die Anordnung wesentlicher Dautoilo Tür einen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren steuerbaren Satelliten,

Fig. 3 das ßlockdiagramin eines Lage ro ge lungs- und Bahnänderungssystems nach der Erfindung.

Für die in Fig. 1 dargestellte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfalirens zur Überführung eines in Fig. 2 schematisch dargestellton Satelliten 10 aus einer Transferbahn 30 in eine geostationäre Bahn 31 erfolgt zu einem Zeitpunkt 0 vor Abtrennung des Satelliten von der Trägorstufe das liier nicht dargestellte Ausrioaten der Nickachse des Satelliten senkrecht zur Transf erbahnebene . liierfür wird das Lagero ge lungs sys tem der letzten Trägerstufe eingesetzt. Ein Drallrad 11 bzw. aus Redundanzgründeη zwei Drallräder laufen hoch. Zum Zeitpunkt 1.1 ist der Satellit bereits von der Trägerstufe abgetrennt und mit einer Rotation um die Nickachse von beispielsweise einer Umdrehung pro 20 Minuten versehen, die der Einfachheit halber konstant gehalten werden kann. Dies kann auf einfache Weise mit einem Geschwindigkeitskreisel als Sensor durch Drehzahländerung des Drallrades bewirkt werden. Durch einen geeigneten Peilsensor 12, beispielsweise einen Infrarotsensor, wird bei 1.2 und weiter fortlaufend eine Lagemessung des Satelliten in Bezug zur Erde durchgeführt. In dieser Phase wird zum Zeitpunkt 1.3 ein Solargenerator 13 entfaltet. Außerdem werden zum Zeitpunkt 1.4 eventuelle Korrekturen der Nickachs enrichtung durchgeführt. Bei einem geostationären Satelliten ist wegen der Leistungs- und Genauigkeitsanforderungen eine Dreiachsenstabilisierung die günstigste Stabilisierungsart, so daß zum Zeitpunkt 1.5 der Übergang zur Droiachsenlageregelung erfolgt. Als Bezug dienen Erde und Sonne, deren Datenakquisition durch einen Infrarotsensor 12 und einen nicht dargestellten digitalen Sonnensensor als Poilsensoren vorgenommen werden können, während die Dreiachsenstabilisierung durch entsprechende Betätigung der Triebwerke des in Fig. 2

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näher dargestellten Antriebssystems 15 herbeigeführt wird.

Zum Zeitpunkt 1.6 wird durch ein Bodenkommando zum Inklinationsabbau der bisherigen Bahn die optimale Rollage eingestellt. Die dazu notwendige Drehung des Satelliten wird durch einfache Nullpunktverschiebung des digitalen Sonnenseneors realisiert, dessen Verschiebbarkeit ohnehin bei den späteren Bahnkorrekturen wegen der verschiedenen jahreszeitlichen Sonnenstände benötigt wird. Anschließend erfolgt zum Zeitpunkt 1.7 der Apogäumseinschuß bzw. die gewünschte Bahnänderung* Hierzu wird ein Triebwerk \h durch ein Bodenkommando gezündet. Zum Zeitpunkt 2,1, d. h. während der Satellit sich schon angenähert in der neuen Baiin befindet, wird, ausgelöst durch ein Bodenkommando, das Entdrallen eine6 Drallrades vorgenommen. Zum Zeitpunkt 2.2 wird die Nickachse senkrecht zur neuen Bahnebene ausgerichtet. Anschließend werden Bahnkorrekturen, anfänglich zur Positionierung später zur Beibehaltung dieser Position, durchgeführt.

Gemäß Fig. 2 ist das Triebwerk \h in der Rollacliso angeordnet. Parallel zur Nickachso oder auch in der Nickachse selbst ist mit seiner Drehachse mindestens ein Drallrad 11 angeordnet. Aus Redundanzgründen ist os vorteilhaft zwei Drallräder zu verwenden. Die Drallräder können bereits vor dem btart der Trägerrakete hochlaufen, so daß die Energiebilanz von Trägerrakete und Satellit durch das Ilochlaufen der Drallräder nicht beeinträchtigt wird. In der Gierachse ist ein als Infrarotsensor ausgelegter Peilsensor 12 zur Erdakquisition angebracht. Wie bereits beschrieben, dient dieser Sensor dazu, während der Transferphase des Satelliten die Nicklage zu vermessen und während der weiteren Lebensdauer Daten bezüglich der Erdausrichtung des Satelliten zu liefern. Die zum Bahnkorrektursystem gehörenden Kloiutriebwerke 15 sind für alle Lageregelungsaufgaben doppelt redundant vorgesehen, ebenso auch für die Bahnkorrekturaufgaben. Die Düsen der Triebwerke sind um einen Winkel o< von etwa 10 für die Ro11-Gier-Regelung versetzt.

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Fig. 3 zeigt in einem Blockdiagramm für das erfindungsgemäße Lageregelungs- und Balmönderungsverfahren wesentliche Komponenten* über das Telemetrie/Telecommand-System 16 dos Satelliten können die verschiedenen Betriebsarten der Lageregelungselektronik 21 gewählt werden, weiterhin werden die Ausgangsdaten der Sensoren 17 bis 19 sowie andere Meßdaten über das System \6 zum Boden übertragen. Die Kreiselpakete 1 und 2 bestehen aus jeweils zwei redundanten Geschwindigkeitskreiseln zur Ermittlung der Nickwinkelgeschwindigkeit. Die Sensoren 18 und 19 dienen der Sonnenakquisition und der Erdakquisition. Die in diesen Bauteilen gewonnenen Daten werden der Lageregelungselektronik 21 zugeführt. Über die Lageregelungselektronik wird in der dreiachsenstabilisierten Betriebsphase Nicken, Gieren und Rollen geregelt. In der Transferphase wird die Drehzahl des Drallrades mit Hilfe des Geschwindigkeitskreisels gesteuert.

Insgesamt sind je vier Lageregelungsdüson bzw. Kleintriebwerke 1j für Nicken, Gieren und Rollen, wobei die Nickdüsen gleicuzoitig zur Ostregelung dienen, die Rolldüsen zum Abbau der Inklination, und zwei to'estdüsen sowie ein Bahnänderungsantrieb 14 an ein gemeinsames Antriebssystem 25 angeschlossen. Die Nickdüsen sind in Richtung des Apogäumstriobwerkes angeordnet, um einerseits die Ostregelung übernehmen zu können und andererseits im Fall eines nicht ordnungsgemäßen Betriebes des Bahnänderungstriebwerke die Funktion dieses Triebwerks durch Brennen, wenn auch in mehreren Umläufen, übernehmen zu können. Alle Triebwerke werden von geraeinsamen Tanks 22 bis 2k aus versorgt. Als Treibstoffe dienen beispielsweise Stickstofftetroxyd (N₀O, ) Tank 22 und Monome thylhydrazin (MMIl) Tank 23» außerdem ist ein Ileliumtank 24 vorgesehen, welcher einen geregelten Förderdruck beispielsweise während des Apogäums einschusses oder weiterer gewünschter Manöver aufrechterhalten kann.

- Patentansprüche -

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AO

Leerseite

Claims

Patentansprüche

1. Lageregelungs- und Balmände rungs verfahren für einen dreiachsenstabilisierbaren Satelliten, insbesondere für einen geostationären Satelliten, mit Antriebssystemon und mindestens einem drallradgestützten Lageregelungssystem, dadurch gekennzeichne t , daß das Drallrad (ii) spätestens in der Transferpiiase (30) aktiviert wird und daß der Satellit (lO) mit einem kleineren Drehimpuls als dem des Drallrades um die zur Drallachse parallele Satellitenachse in vorzugsweise konstante Drehung versetzt wird, daß zum Zeitpunkt der gewünschten Bahnänderung die Dreiachsenstabilisierung vorgenommen wird, daß dio Antriebssysteme (14, I5) zur Erreichung der neuen BaIm eingeschaltet werden und daß der Schub der Antriebssysteme (i4, 15) so bemessen wird, daß das der späteren Mission dienende Lageregelungssystem (11, 1j) auch in der Bahnänderungsphase die Orientierung beibehalten kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeich net, daß vor Abtrennen des batolliten (io) von der Trägerstufe das Drallrad (11) aktiviert wird und Trägerstufe und Satellit (1O) so gedreht werden, daß die mit der Drallachsenrichtung übereinstimmende Satellitenachse senkrecht zu einer vorgegebenen Bahnebene steht«

3· Verfahren nach Anspruch 1 oder

dadurch

gekenn

zeichnet

daß die Lage der mit der Drallaohsen-

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richtung übereinstimmenden Satellitenachse unter Verwendung eines Tür die spätere Stabilisierung erforderlichen Peilsensors (12) im Sinne der xVusrichtung des Satelliten (10) im liaum bestimmt und erforderlichenfalls korrigiert wird.

k. Verfahren nach Einspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl des Satelliten (iü) in der Transferpliase mittels eines Kreisels (17) als Geschwindigkeitssensor durcli die Drehzahlregulierung des Drallrades (11) eingestellt wird.

5· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis j, dadurch gekennzeichnet , daß der Satellit (10) durch Drehung um eine Satellitenachso so orientiert wird, daß durcli den JJahnünderungsimpuls gleichzeitig die Inklination der bisherigen I3ahn korrigiert wird und daß diese Drehung durch Nullpunktsverschiebung eines bonncnsensors ( 1 tf ) herbeigef ülirt wird.

6. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens ein die Lageregelung des Satelliten (10) in jeder Flugphase mitbewirkendes Drallrad (ii)_f ein eine aktive Dreiachsenregelung ermöglichendes Antriebssystem (15) sowie durch Flüssigkeitsantriebssysteme (l4, I5) für Balinündorungs- und Bahnkorrekturaufgaben.

7. Einrichtung naoh Anspruch 6, gekennzeichnet durch ein gemeinsames Tank- und Fördersystem (25) für alle Antriebesyeteme (14, I5)·

ü. Einrichtung nach Anspruoh 6 oder 7t dadurch g β kennzeichne t , daß mindestens zwei der Triebwerke (i5)t vorzugsweise parallel zum Uahnänderungsantrieb (^k) angeordnet sind.

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