Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lageregelung von Satelliten mit den
Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The invention relates to a method for position control of satellites with the
Features of the preamble of claim 1.
Üblicherweise werden zur Lageregelung von Satelliten Schwungräder - auch Reak
tionsräder genannt - verwendet. Oft werden mehrere solcher Schwungräder, deren
Drehachsen in unterschiedliche Richtungen orientiert sind, in einem Satelliten
eingesetzt, um durch Modulation der Drehzahl der einzelnen Schwungräder gezielte
Lageänderungen des Satelliten vornehmen oder momentan auftretende Stördrehmo
mente ausregeln zu können. Die Verwendung von vier Schwungrädern ist bekannt
aus der Veröffentlichung "Ball bearing versus magnetic bearing reaction and
momentum wheels as momentum actuators" von W. Auer auf dem AIAA international
meeting & technical display global technology 2000, Baltimore, May 6-8, 1980,
S. 1-5.Flywheels - also called reak - are usually used to control the position of satellites
called wheels - used. Often, several such flywheels, their
Axes of rotation are oriented in different directions in a satellite
used to target by modulating the speed of each flywheel
Make changes in the position of the satellite or currently occurring interference torque
to be able to settle elements. The use of four flywheels is known
from the publication "Ball bearing versus magnetic bearing reaction and
momentum wheels as momentum actuators "by W. Auer at the AIAA international
meeting & technical display global technology 2000, Baltimore, May 6-8, 1980,
Pp. 1-5.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil,
daß dadurch der Einfluß der von den Schwungrädern ausgehenden Vibrationen auf
die Lage des Satelliten minimal wird. Restliche, nicht vermeidbare Schwingungs
resonanzen der Schwungräder werden somit den Satelliten nicht zu störende
Schwingungen anregen, weil die Schwingungsresonanzfrequenzen der Schwungräder
durch geeignete Wahl der mittleren Drehzahl aus dem Bereich der Schwingungsre
sonanzfrequenzen des Satelliten verlagert werden. Werden gemäß Anspruch 2 vier
Schwungräder verwendet, deren Drehachsen senkrecht auf den Flächen eines
Tetraeders stehen, so lassen sich störende Schwingungen der Schwungräder sehr
weitgehend reduzieren, vor allem die sonst bei Drehrichtungsumkehrungen auftre
tenden Drehmomentensprünge. Entsprechendes gilt auch für mehr als vier Schwung
räder, deren Drehachsen als "symmetrischer Igel" auf einem entsprechenden drei
dimensionalen Körper stehen, z. B. fünf Schwungräder bei einem Pentaeder, usw.The method according to the invention with the features of claim 1 has the advantage
that the influence of the vibrations emanating from the flywheels
the location of the satellite becomes minimal. Remaining, unavoidable vibrations
Resonances of the flywheels are therefore not to be disturbed by the satellites
Excite vibrations because of the vibration resonance frequencies of the flywheels
through a suitable choice of the average speed from the range of vibration
resonance frequencies of the satellite are shifted. According to claim 2 four
Flywheels are used, whose axes of rotation are perpendicular to the surfaces of a
Tetrahedra, so disturbing vibrations of the flywheels can be very
reduce to a large extent, especially those that otherwise occur when the direction of rotation is reversed
tendency torque jumps. The same applies to more than four turns
wheels, whose axes of rotation as a "symmetrical hedgehog" on a corresponding three
dimensional body, e.g. B. five flywheels in a pentahedron, etc.
Beschreibungdescription
Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird nun die
Erfindung näher erläutert. Es zeigenBased on an embodiment shown in the drawing, the
Invention explained in more detail. Show it
Fig. 1 schematische Anordnung von vier Schwungrädern, Fig. 1 shows a schematic arrangement of four reaction wheels,
Fig. 2 Drehmoment eines Schwungrades in Abhängigkeit um seiner Drehzahl und Fig. 2 torque of a flywheel depending on its speed and
Fig. 3 Schwingungsspektren. Fig. 3 vibration spectra.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel werden vier Schwungräder zur Lageregelung
eines Satelliten eingesetzt. Wie die Fig. 1 schematisch andeutet, sind diese
vier Schwungräder z. B. so angeordnet, daß jedes von ihnen mit seiner Drehachse
(angedeutet durch Pfeile) senkrecht auf einer der vier Flächen eines Tetraeders
steht. Durch Drehzahlmodulation der Schwungräder können resultierende Drehmomen
te mit beliebiger vektorieller Richtung im Raum realisiert werden. Es können da
mit also beliebig gerichtete momentane Stördrehmomente ausgeregelt und auch ge
zielte Lageänderungen des Satelliten ausgeübt werden. Vor allem lassen sich mit
der Schwungräderanordnung sogenannte Drehmomentensprünge eliminieren. Solche
Drehmomentensprünge treten bei einem Schwungrad, besonders drastisch bei kugel
gelagerten Schwungrädern, immer dann auf, wenn die Drehrichtung sich umkehrt.In the present embodiment, four flywheels are used to control the position of a satellite. As schematically indicated in FIG. 1, these four flywheels are e.g. B. arranged so that each of them with its axis of rotation (indicated by arrows) is perpendicular to one of the four faces of a tetrahedron. By modulating the speed of the flywheels, the resulting torques can be realized in any vectorial direction in space. It can be adjusted with any directional instantaneous torques and also targeted changes in the position of the satellite can be exercised. Above all, so-called torque jumps can be eliminated with the flywheel arrangement. Such jumps in torque occur with a flywheel, particularly drastically with flywheels with ball bearings, whenever the direction of rotation is reversed.
Die Fig. 2 in der die Abhängigkeit des Drehmoments M eines Schwungrades von seiner
Drehzahl ω dargestellt ist, verdeutlicht den Drehmomentensprung. FIG. 2, which shows the dependence of the torque M of a flywheel on its speed ω, illustrates the jump in torque.
In der Fig. 3 gibt die durchgezogenen Linie ein Spektrum A (f) des mechanischen
Schwingungsverhaltens eines Satelliten wieder. Hier zeigt sich, daß es bei ge
wissen Schwingungsfrequenzen f Resonanzerscheinungen gibt. Es würde zu einer
Verstärkung der störenden Schwingungen des Satelliten führen, wenn von den
Schwungrädern ausgehende Schwingungen mit ihren Resonanzfrequenzen in die Reso
nanzfrequenzbereiche des Satelliten fielen. Üm das zu vermeiden, werden die
Schwungräder mit einer solchen mittleren Drehzahl betrieben, daß deren Schwin
gungsspektrum (vgl. strichlierte Linie in Fig. 3) soweit gegenüber dem Schwin
gungsspektrum entfernt ist, daß es nicht zu Resonanzverstärkungen kommt.In Fig. 3 the solid line shows a spectrum A (f) of the mechanical vibration behavior of a satellite. This shows that there are resonance phenomena at known vibration frequencies. It would lead to an amplification of the interfering vibrations of the satellite if vibrations emanating from the flywheels with their resonance frequencies fell into the resonance frequency ranges of the satellite. To avoid this, the flywheels are operated at such an average speed that their vibration spectrum (see dashed line in Fig. 3) is so far removed from the vibration spectrum that there are no resonance amplifications.