DE3644439A1

DE3644439A1 - Device for directional positioning of a satellite in space

Info

Publication number: DE3644439A1
Application number: DE19863644439
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Dr Wiemer; Harald Dr Kauer; Knud Dr Overlach
Original assignee: IBP Pietzsch GmbH
Current assignee: IBP Pietzsch GmbH
Priority date: 1986-12-24
Filing date: 1986-12-24
Publication date: 1988-07-14

Abstract

A device for directional positioning of a satellite in space about at least one rotation axis comprises two spinning wheels (gyroscopes) per rotation axis, which spinning wheels are mounted on a common axis, can be driven in opposite directions by means of a dedicated drive in each case and can be braked via in each case one braking device which is separate from the drive. Rapid changes in position can be produced virtually just by braking the respective spinning wheel.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Richtungs positionieren eines in mindestens einem bis zu allen drei rotatorischen Freiheitsgraden frei beweglichen Satelliten mit je rotatorischem Freiheitsgrad zwei auf einer gemeinsamen Achse gelagerten, mittels je eines eigenen Antriebs gegenläufig angetriebenen Drallrädern, welche zu einer Drehimpulsänderung einzeln abbremsbar sind.The invention relates to a device for directional position one in at least one to all three rotational degrees of freedom freely movable Satellites, each with a rotational degree of freedom of two mounted on a common axis, by means of each with its own drive, driven in opposite directions Swirl wheels leading to a change in angular momentum can be braked individually.

Eine derartige Vorrichtung soll z.B. zum Ausrichten eines Richtfunkantennen-Satelliten im Weltraum eingesetzt werden.Such a device is said to e.g. to align of a directional antenna satellite in space be used.

Unter Richtungspositionierung wird im folgenden ein Vorgang verstanden, bei dem ein Satellit seine räumliche Winkellage in einem inertialen Koordinatensystem ändert, ohne daß damit notwendig eine Ortsveränderung des Schwerpunktes verbunden ist. Außerdem kann man zugrundelegen, daß der Satellit vor und nach dem Richtungspositioniervor gang keine Rotationsbewegung um die betreffende Achse ausführt; dies ist aber für die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung ohne Belang. Weiterhin soll der Richtungspositioniervorgang ohne Einwirkung äußerer Drehmomente erfolgen, wobei das geschlossene System, gegenüber welchem eine solche Einwirkung eine äußere wäre, aus dem Satel lit und der Richtungspositioniervorrichtung besteht. Der Drehimpuls des so definierten geschlossenen Systems bleibt also beim Richtungspositioniervorgang konstant. Der Drehimpuls des Satelliten hingegen wird zum Richtungspositionieren zweimal geändert, nämlich am Anfang des Vorgangs zum Erzeugen der notwendigen Rotationsbewegung und am Ende zum Aufheben derselben.Directional positioning is as follows understood a process in which a satellite its spatial angular position in an inertial Coordinate system changes without being necessary a change of location associated with the focus is. One can also assume that the Satellite before and after the direction positioning before no rotational movement around the concerned Axis executes; but this is for the function the device according to the invention irrelevant. Furthermore, the direction positioning process take place without the influence of external torques, whereby the closed system against which one such influence would be external, from the satellite lit and the directional positioning device. The angular momentum of the closed defined Systems stays with the directional positioning process constant. The angular momentum of the satellite, however is changed twice for directional positioning, namely at the beginning of the process of generating the necessary rotational movement and at the end for lifting the same.

Es sind zwei Gruppen von Vorrichtungen dieser Art bekannt. Bei den Vorrichtungen der ersten Gruppe wird das Drehmoment, das eine Änderung des Drehimpul ses des zu positionierenden Satelliten bewirkt, durch einen oder mehrere Rückstoßantriebe erzeugt. Bei den Vorrichtungen der zweiten Gruppe wird das Drehmoment durch Beschleunigen oder Abbremsen eines oder mehrerer Drallräder erzeugt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung gehört zur zweiten Gruppe. Der grundsätzli che Unterschied zwischen den beiden Gruppen von Richtungspositioniervorrichtungen liegt darin, daß bei denen der ersten Gruppe bei jedem Richtungspo sitioniervorgang ein gewisser Teil der Gesamtmasse verlorengeht, weil zu dem geschlossenen System auch der vom Rückstoßantrieb abgestoßene Anteil an der Gesamtmasse gehört, während bei den Richtungs positioniervorrichtungen der zweiten Gruppe das Beschleunigen und Abbremsen des Drallrades bzw. der Drallräder ohne Massenverlust erfolgt. Die Einsatzzeit einer Richtungspositioniervorrichtung der ersten Gruppe ist also von vorneherein durch die zum Abstoßen verfügbare Masse des Gesamtsystems beschränkt, während bei einer Richtungspositioniervor richtung der zweiten Gruppe die Einsatzzeit nicht von vorneherein sondern nur durch die verfügbare Energie zum Beschleunigen und Abbremsen des Drallra des begrenzt ist.There are two groups of devices of this type known. In the devices of the first group becomes the torque which is a change in angular momentum of the satellite to be positioned, generated by one or more recoil actuators. In the devices of the second group, this is Torque by accelerating or braking a or several swirl wheels. The invention Device belongs to the second group. The basic che difference between the two groups of Directional positioning devices is that in those of the first group at every direction a certain part of the total mass is lost because of the closed system also the portion repelled by the recoil drive heard of the total mass, while the directional positioning devices of the second group Accelerate and brake the swirl wheel or the swirl wheels take place without loss of mass. The Operating time of a directional positioning device So the first group is through from the start the mass of the entire system available for repulsion limited while in a directional positioning direction of the second group does not use time from the outset but only through the available Energy to accelerate and decelerate the Drallra which is limited.

Da Satelliten im Weltraum längere Einsatzzeiten ohne die Möglichkeit haben, den Massenverlust zu ersetzen, ist Richtungspositioniervorrichtungen der zweiten Gruppe der Vorzug zu geben, vorausgesetzt, es steht eine adäquate Energiequelle, z.B. Solarzellen, zur Verfügung.Because satellites have longer operating times in space without being able to lose mass replace is directional positioning devices to give preference to the second group, provided there is an adequate energy source, e.g. Solar cells, to disposal.

Die Leistung, die von Solarzellen abgegeben wird, ist verhältnismäßig gering. Ein Richtungspositionier vorgang, bei dem die von der Solarzelle gelieferte Energie direkt zum Beschleunigen bzw. Abbremsen des Drallrades benutzt wird, geht daher sehr langsam vor sich. Um den Richtungspositioniervorgang abzukur zen, benötigt man also einen Energiespeicher, der sich mit der von der Solarzelle kommenden Energie auflädt, solange kein Richtungspositioniervorgang nötig ist, und der seine gespeicherte Energie schnell abgibt, wenn ein Richtungspositioniervorgang eingelei tet werden soll. Ein solcher Speicher könnte z.B. eine elektrische Batterie sein.The power delivered by solar cells is relatively small. A directional positioning operation in which the one supplied by the solar cell Energy directly for accelerating or braking the twist wheel is used, therefore goes very slowly in front of you. To abort the directional positioning process zen, you need an energy storage device that with the energy coming from the solar cell charges as long as no direction positioning process is necessary, and its stored energy quickly emits when a direction positioning process is initiated should be tet. Such a memory could e.g. be an electric battery.

Fig. 1 zeigt eine bekannte Vorrichtung. Die Vorrich tung besteht im wesentlichen aus einer relativ schwachen Energiequelle 1, wie einer Solarzelle, und einer Speicherbatterie 2 sowie mindestens einer Schaltelektronik 3, einem Drallrad 5 und einem Antriebsmotor 4. Die Funktionsweise ist folgende: Während eines Richtungspositioniervorgangs schaltet die Schaltelektronik 3 die Batterie 2 zum Motor 4 durch, und zwar derart, daß der Motor 2 als Antrieb wirkt, wenn das Drallrad 5 beschleunigt werden soll, und derart, daß der Motor 4 als Generator und damit als Bremse wirkt, wenn das Drallrad 5 abgebremst werden soll, je nach der Richtung der notwendigen Drehimpulsänderung. In den Zeiten zwischen Richtungspositioniervorgängen trennt die Schaltelek tronik 3 die Batterie 2 vom Motor 4, so daß die Batterie 2 aufgeladen wird. Fig. 1 shows a known device. The Vorrich device consists essentially of a relatively weak energy source 1 , such as a solar cell, and a storage battery 2 and at least one switching electronics 3 , a swirl wheel 5 and a drive motor 4th The mode of operation is as follows: During a direction positioning process, the switching electronics 3 switches the battery 2 through to the motor 4 , in such a way that the motor 2 acts as a drive when the swirl wheel 5 is to be accelerated, and in such a way that the motor 4 acts as a generator and thus acts as a brake when the spin wheel 5 is to be braked, depending on the direction of the necessary change in angular momentum. In the times between direction positioning operations, the switching electronics 3 separates the battery 2 from the motor 4 , so that the battery 2 is charged.

Es sind viele praktische Abwandlungen und Erweiterun gen der Vorrichtung nach Fig. 1 bekannt; so zeigt Fig. 2 z.B. eine Vorrichtung, bei der zwei gegenläufi ge Drallräder 8 und 11 auf derselben Achse 12 liegen und von getrennten Motoren 7 und 10 angetrieben bzw. gebremst werden. Diese Kombination hat den für Satelliten wichtigen Vorteil, daß auf jedem Drehzahlniveau der Drallräder 8 und 11 insgesamt im Mittel der Gesamtdrehimpuls Null eingehalten werden kann, da die Einzeldrehimpluse der beiden Drallräder 8 und 11 sich aufheben können. Die Schalt elektroniken 6 und 9 in Fig. 2 haben für jeden Motor 7 und 10 einzeln dieselben Funktionen wie die Schaltelektronik 3 in Fig. 1.There are many practical modifications and extensions known to the device of FIG. 1; as shown in FIG. 2, for example a device, 8 and 11 are held by the two gegenläufi ge momentum wheels on the same axle 12 and are driven by separate motors 7 and 10 or braked. This combination has the important advantage for satellites that overall the total angular momentum zero can be maintained at each speed level of the swirl wheels 8 and 11 , since the individual rotary implants of the two swirl wheels 8 and 11 can cancel each other out. The switching electronics 6 and 9 in Fig. 2 have the same functions for each motor 7 and 10 as the switching electronics 3 in Fig. 1st

Für Anwendungen, bei denen sehr schnelle Richtungsposi tioniervorgänge erforderlich sind, benötigt man naturgemäß relativ große Speicherbatterien und Elektromotoren. Dies ist insbesondere für Anwendungen bei Weltraumsatelliten ein empfindlicher Nachteil.For applications where very fast directional posi tioning operations are required naturally relatively large storage batteries and Electric motors. This is especially for applications a serious disadvantage for space satellites.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der beschriebenen Art so auszugestalten, daß sie eine schnelle Richtungspositionierung eines Satelliten im Weltraum bei kleinem Energiespeicher und Antriebsaufwand ermöglicht.The invention has for its object a To design the device of the type described that they have a quick directional positioning of a Satellites in space with a small energy storage and drive effort allows.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß jedem Drallrad außer dem Antrieb eine davon gesonderte Bremsvorrichtung zugeordnet ist, welche hauptsächlich oder ausschließlich zum Erzeugen einer Drehimpulsänderung des Drallrades dient.To solve this problem is according to the invention provided that each swirl wheel except the drive assigned a separate braking device which is mainly or exclusively for Generating a change in angular momentum of the swirl wheel serves.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Energie praktisch ausschließlich in Form der Rotations energie der Drallräder gespeichert. Für die bei schnellen Richtungspositioniervorgängen erforderlichen großen Drehimpulsänderungen werden nicht die Antriebe benutzt sondern nur die Bremsvorrichtungen.In the device according to the invention Energy practically exclusively in the form of rotation energy of the spin wheels stored. For those at rapid directional positioning operations required large angular momentum changes are not the drives uses only the braking devices.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen unter Schutz gestellt.Advantageous embodiments of the invention are placed under protection in the subclaims.

Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert.The invention is schematic below Drawings of exemplary embodiments with others Details explained in more detail.

Fig. 3 und 4 zeigen jeweils ein Aufbauschema von unterschiedlichen Vorrichtungen gemäß der Erfindung. FIGS. 3 and 4 of the invention each show a configuration diagram of different devices in accordance.

Bei der Vorrichtung nach Fig. 3 dienen die verhältnis mäßig schwach dimensionierten Antriebsmotoren 7 und 10 nur dazu, Drallräder 8 und 11 mit der über die Schalter 6 und 9 von der (nicht gezeigten) relativ schwachen Energiequelle zur Verfügung gestell ten Leistung auf Touren zu bringen und zu halten. Die Drallräder 8 und 11 speichern die Energie in Form von Rotationsenergie, und jedes Drallrad 8 und 11 für sich entwickelt dabei gleichzeitig einen relativ hohen Drehimpuls, während der Drehimpuls insgesamt Null bleiben kann. Jedes Drallrad 8 und 11 ist mit einer Bremsvorrichtung 14 bzw. 16 ausge stattet, die über einen Schalter 13 bzw. 15 betätigt werden kann.In the device according to FIG. 3, the relatively weakly dimensioned drive motors 7 and 10 only serve to rev up swirl wheels 8 and 11 with the power provided via switches 6 and 9 by the relatively weak energy source (not shown) and hold. The spin wheels 8 and 11 store the energy in the form of rotational energy, and each spin wheel 8 and 11 independently develops a relatively high angular momentum, while the angular momentum can remain zero overall. Each swirl wheel 8 and 11 is equipped with a braking device 14 or 16 , which can be operated via a switch 13 or 15 .

Ein Richtungspositioniervorgang wird durch Abbremsen eines Drallrades mithilfe der zugehörigen Bremsvorrich tung 14 bzw. 16 erzielt. Z.B. wird eine Drehbeschleuni gung des (nicht gezeigten) Satelliten, mit welchem die Vorrichtung verbunden ist, um die Achse 12 in der Richtung 21 durch Abbremsen des Drallrades 8 erzielt; denn der Drehimpuls 19 des Drallrades 8 wird beim Abbremsen um die Drehimpulsdifferenz 17 vermindert, was ein Reaktionsdrehmoment zur Folge hat. Soll die so bewirkte Rotation des (nicht gezeigten) Satelliten nach Erreichen der gewünschten neuen Richtungsposition zum Stillstand gebracht werden, wird das gegenläufige Drallrad 11 entsprechend abgebremst. Insgesamt ist also nach Beendigung des Richtungspositioniervorganges der Drehimpuls wieder wie vorher Null, jedoch bei etwas niedrigeren Einzeldrehimpulen der beiden Drallräder 8 bzw. 11.A direction positioning process is achieved by braking a swirl wheel using the associated Bremsvorrich device 14 or 16 . For example, a rotational acceleration of the satellite (not shown) to which the device is connected is achieved about the axis 12 in the direction 21 by braking the swirl wheel 8 ; because the angular momentum 19 of the swirl wheel 8 is reduced by the angular momentum difference 17 when braking, which results in a reaction torque. If the rotation of the satellite (not shown) brought about in this way is to be brought to a standstill after the desired new direction position has been reached, the counter-rotating twist wheel 11 is braked accordingly. Overall, after the end of the direction positioning process, the angular momentum is again zero as before, but at slightly lower individual angular momentum of the two swirl wheels 8 and 11 .

Die Überlegenheit einer Richtungspositioniervorrichtung gemäß Fig. 3 gegenüber den bisher bekannten ist darin begründet, daß mit den Bremsvorrichtungen ein hoher Servoeffekt erzielbar ist. Mit anderen Worten wird mit sehr geringer Leistung ein relativ hohes Drehmoment erreicht. Z. B. kann die Bremsvorrich tung eine Reibungssattelbremse sein, die auf einem sehr großen Radius wirkt.The superiority of a Richtungspositioniervorrichtung of FIG. 3 compared to the previously known is based on the fact that a high servo effect is achieved with the brake devices. In other words, a relatively high torque is achieved with very low power. For example, the Bremsvorrich device can be a friction caliper brake that acts on a very large radius.

Bei der abgewandelten Ausführung gemäß Fig. 4 sind die Antriebsmotoren 7 und 10 der Drallräder 8 und 11 auf Generatorbetrieb umschaltbar und liefern als Generatoren den notwendigen Strom für die Betäti gung der zugehörigen Bremsen 14 bzw. 16. Wenn der Schalter 25 von Stellung A auf Stellung B umgestellt wird, wird das Drallrad 8 sowohl durch den nun als Dynamo wirkenden Motor 7 als auch, und zwar hauptsächlich, durch die Bremsvorrichtung 14 abge bremst.In the modified embodiment shown in FIG. 4, the drive motors 7 and 10 of the momentum wheels 8 and 11 can be switched to generator operation and supply the necessary current as generators for the Actuate the supply of the associated brakes 14 and 16 respectively. If the switch 25 is switched from position A to position B , the swirl wheel 8 is both by the now acting as a dynamo motor 7 and, mainly, braked by the braking device 14 abge.

Die beschriebenen Vorrichtungen sind jeweils für das Richtungspositionieren einer trägen Masse in einem rotatorischen Freiheitsgrad geeignet. Für eine vollständige Vorrichtung, d.h. eine solche, die eine träge Masse in den drei rotatorischen Freiheitsgraden richtungspositionieren kann, benötigt man jeweils drei Vorrichtungen der beschriebenen Art, die derart angeordnet sind, daß keine zwei ihrer Achsen - in den Fig. 2 und 3 mit 12 bezeichnet - zusammenfallen; im einfachsten Fall sind besagte Achsen so zueinander angeordnet, daß sie ein orthogo nales System bilden.The devices described are each suitable for the directional positioning of an inertial mass in a rotational degree of freedom. For a complete device, ie one that can position an inertial mass in the three rotational degrees of freedom, three devices of the type described are required, which are arranged in such a way that no two of their axes - in FIGS. 2 and 3 with 12 designated - collapse; in the simplest case, said axes are arranged with respect to one another in such a way that they form an orthogonal system.

Claims

1. A device for the direction of positioning in space of a stored in at least one to rotary to all three degrees of freedom freely moving satellites with each rotatory degree of freedom, two on a common axis, by means of individually each of its own drive counter-rotating swirl wheels which pulse variation to a Drehim are braked, characterized characterized in that each swirl wheel ( 8 , 11 ) besides the drive ( 8 , 11 ) is associated with a special braking device ( 14 , 16 ) thereof, which serves mainly or exclusively to generate a change in angular momentum of the swirl wheel.

2. Device according to claim 1, characterized records that the braking device a Is friction brake.

3. Device according to claim 1, characterized records that the braking device a Eddy current brake is.

4. The device according to claim 1, characterized records that the braking device a Fluid brake is.

5. Device according to one of claims 1 to 4, wherein the drive is an electric motor, which is operated for additional braking as a generator, characterized in that the drive motor ( 7 , 10 ) generated by the generator as a generator generated electrical current in one Battery stored and / or used to actuate the braking device ( 14 , 16 ).