DE1963533B2 - System zum Steuern der Lage einer künstlichen Erdsatellitenkapsel - Google Patents

Description

Einrichtungen zum Dämpfen von Schwankungen des Gravitationsgradientengliedes.

Um die bei völlig passiven Lagesteuersystemen auftretenden Probleme zu vermeiden, sind die aktiven Lagesteuer- und -Stabilisiersysteme entwickelt worden. Das typische aktive Lagesteuer- und -Stabilisiersystem weist ein massives Schwungrad auf, das iii Ve-Hindung mit einer Masse-Ausstoßeinrichtung in Form eines Rückstoßstrahles oder durch die Betätigung einer elektromagnetisch ansprechenden Einrichtung in Form von mit dem Erdmagnetfeld zusammenwirkenden Elektromagneten arbeitet. Die Masse-Ausstoßeinrichtung oder die elektromagnetische Einrichtung ist in Verbindung mit Schwungrädern wegen einer Erscheinung, die als Schwungsättigung bekannt ist, erforderlich. Die Schwungsätügung tritt auf, weil das Drehmoment eines Schwungrades sich bei einem gewissen Wert der Radgeschwindigkeit sättigt, d. h., wenn die Geschwindigkeit des Rades sich arf ein; bestimmte Höhe vergrößert, kann eine das Rad antreibende Motorwelle nicht beschleunigt werden, so daß das Drehmoment, welches das Schwungrad auf den Satelliten ausüben kann, auf Null fällt. Durch Anwendung der Masse-Ausstoßtechnik und/oder der elektromagnetischen Technik kann die Antriebsspeicherung des Schwungrades herabgesetzt werden, so daß das Schwungrad die Lage des Raumfahrzeuges in dei erforderlichen Weise steuern kann.

Wegen des Brennstoffbedarfs zum Betätigen eines Rückstoßstrahls haben Satelliten, die einen Masse-Ausstoß für die Lagesteuerung verwenden, eine Lebensdauer, die auf etwa zwei Jahre beschränkt ist. Elektromagnetische Techniken zur Verhinderung der Schwungradsättigung sind in synchronen Höhen ungeeignet, weil das Erdmagnetfeld in solchen Höhen schwach und nicht vorausbestimmbar ist. Ein weiterer Nachteil, der bei der Verwendung von Schwungrädern in Verbindung mit Rückstoßstrahlen oder elektromagnetischen Einrichtungen auftritt, ist das erhebliche Gewicht, welches die Schwungräder erfordern. Die Schwungräder müssen eine ausreichende Trngheit und somit ein hohes Gewicht haben, um die primäre Satelliten-Steuervorrichtung zu bilden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem System zum Steuern der Lage einer Satellitenkapsel die Drehmomente zu dämpfen, die durch Schwankungen des Gravitationsgradientengliedes auftreten.

Diese Aufgabe wird bei einem System eingangs erwähnter Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Einrichtung zum Dämpfen von Drehmomenten Schwungräder aufweist, die koaxial zu den Hauptachsen der Satellitenkapsel angeordnet sind, um Rückstellmomente an der Kapsel in drei orthogonalen Richtungen aufzubringen, und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die auf die Winkelverschiebung des Gravitationsgradientengliedes gegenüber der örtlichen Senkrechten anspricht und die die Antriebsmotoren der Schwungräder steuert.

Bei diesem System dienen die Schwungräder also nur als Schwankungsdämpfer. Die durch die Schwungräder erzeugten Drehmomente sind genauer und sprechen schneller an als die der bekannten passiven Systeme.

Das Steuersystem nach der Erfindung ist sowohl bei passiven Gravitationsgradienten-Systemen als auch bei Systemen anwendbar, die Schwungräder in Verbindung mit Schwunprad-Entsättigungseinrichtungen verwenden.

Beim Steuersystem nach der Erfindung sind dre Schwungräder vorgesehen, deren Drehachsen jeweils mit einer der Roll-, Kipp- und Gierachsen dei Raumfahrzeuges parallel verlaufen. Die Schwungräder, deren Drehachsen in der Flugrichtung de; Raumfahrzeuges bzw. in der senkrechten Richtum (die gegen die Erde zielt) liegen, d. h. längs der F.oll-

ίο und 5er Gierach-e. sind miteinander durch ein Drehmoment gekoppelt, das im Ansprechen auf die sicr dauernd ändernde Orientierung des Satelliten in dei Umlaufbahn entwickelt wird, während das Schwungrad in der verbleibenden Kippachse von dem Bahnwinkel des Satelliten relativ unabhängig ist. Da die Schwungräder ausschließlich zum Dämpfen dei Schwankungen des Gravitationsgradientengliede: verwendet werden, wird das Problem der Schwung radsättigung vollkommen vermieden. Mit anderer Worten erzeugen Drehmomente, die von dem Gra vitationsgradientenglied entwickelt werden, einer Effekt, der den Drehmomenten in einem aktiver System bekannter Art ähnlich ist, während die Schwungräder die Schwankungen des Gravitations

•«5 gradientengliedes in einem Ausmaß stabilisieren, wi< es in einem völlig passiven System nicht erreich bar ist.

Ein wichtiger Vorteil des Systems nach der Erfin dung, der bei bekannten passiven Gravitationsgradienten-Stabilisiersystemen nicht erzielbar ist, is die Möglichkeit, das Raumfahrzeug in einem vor der örtlichen Senkrechten abweichenden Winkel aus zurichten. Die Deviation des Satelliten- und Gravi tationsgradientenzielwinkels wird dadurch erreicht daß das Gravitationsgradientenglied kardanisch ab gestützt ist, so daß es sich dm die Roll- und di( Kippachse relativ zu dem Raumfahrzeug frei be wegen kann. Dadurch kann die Gierachse des Raum fahrzeuges relativ zu der örtlichen Senkrechten ver schoben werden, und die Gleichgewichtslage de: Gravitationsgradientengliedes verbleibt längs der ort liehen Senkrechten.

Weitere vorteilhafte Merkmale des Systems nacl der Erfindung enthalten die Uuteransprüche.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand de Zeichnung beispielsweise erläutert.

F i g. 1 ist eine schematische Darstellung, die einei synchronen Satelliten in zwei Stellungen und Lagei relativ zu einem Raumbezugspunkt statt zu einen Erdbezugspunkt zeigt;

F i g. 2 ist eine schaubildliche Darstellung, welch* die Art ;;nd Weise veranschaulicht, in der eine Stangi von einem Kardangelenk gemäß der Erfindung ab gestützt ist;

F i 3. 3 ist eine auseinandergezogene Ansicht, di< das Zweiachsen-Kardangelenk für die Stange ii Verbindung mit Schwungraddämpfern für dis Schwankungen zeigt;

F i g. 4 ist ein schemaiiscnes elektromechanische:

Diagramm, welches die Einrichtung zeigt, die au der einer Achse des Steuersystems gemäß der Erfin dung angeordnet ist;

F i g. 5 und 6 sind Funktionsblockdiagramme, di< den Regelkreis für die Roll- bzw. Kippbewegunj eines Satelliten gemäß der Erfindung veranschau liehen;

F i g. 7 ist ein Diagramm, welches die Winkel beziehungen zwischen dem Satelliten, dem Gravi

tationsgradientenglied und der örtlichen Senkrechten veranschaulicht.

In F i g. 1 ist ein künstlicher Erdsatellit 11, der nicht drehstabilisiert ist und sich in einer synchronen Höhe von 35 720 km über der Erde auf einer äquatorialen Umlaufbahn befindet, in zwei Stellungen dargestellt, die voneinander um 90° verschoben sind. Die beiden in F i g. 1 dargestellten Stellungen des Satelliten 11 gelten für einen außerhalb der Erde liegenden Bezugspunkt, da der Satellit 11 sich mit der gleichen Drehgeschwindigkeit wie der Planet bewegt, so daß er relativ zur Erde stillzustehen scheint.

Der Satellit 11 weist bei einer typischen Ausführungsform eine Instrumentenkapsel 12 auf, an der eine Radioantenne starr befestigt ist, die eine reflektierende Antennenschale 13 und eine Speiseeinrichtung 14 aufweist. An der Speiseeinrichtung 14 ist ein Infrarotsensor 15 in einer solchen Lage angeordnet, daß er Signale abzuleiten vermag, welche die Winkellage des Horizonts der Erde relativ zu dem Satelliten 11 anzeigen. Der Infrarotsensor 15 ist mit einem elektronischen Stromkreis von in der Technik bekannter Art verbunden, um Signale abzuleiten, welche die Horizontwinkellage relativ zu einer ersten und einer zweiten Ebene anzeigen, welche die RoIl- und die Gierachse bzw. die Kipp- und die Gierachse des Satelliten 11 enthalten.

in der Zeichnung sind die Roll- und die Kippachse des Satelliten 11 durch die x- bzw. die y-Koordinatenachse dargestellt, während die Gierachse des Satelliten durch die z-Koordinatenachse dargestellt ist. Für Bezugszwecke wird die Roll- bzw. x-Achse des Satelliten 11 als die Achse der Flugrichtung bezeichnet; die Gier- bzw. z-Achse des Satelliten ist gegen die Erde gerichtet und geht durch die Achse des Satelliten hindurch, die quer zur Rollachse verläuft, und die Kipp- bzw. y-Achse ibt die Achse, die rechtwinklig sowohl zu der x-Achse als auch zu der z-Achse verläuft.

Um die Orientierung des Satelliten 11 relativ zu einer dritten Ebene, welche die Rollachse χ und die Kippachse y enthält, um die z- bzw. Gierachse zu bestimmen, ist ein Sternfolgedetektor 16 vorgesehen. Der Detektor 16 weist ein Fenster auf, das immer in nördlicher Richtung gegen den Polarstern zielt, und er leitet Signale ab, welche die Drehung des Satelliten um die Gierachsez anzeigen. Da der Satellit 11 nicht drehstabilisiert ist, zielt der Detektor 16 immer in eine nördliche Richtung, die rechtwinklig zu der Ebene der Bewegung des Satelliten in einer äquatorialen Umlaufbahn verläuft.

Um den Zielwinkel der Kapsel 12 und der Antennenschale 13 relativ zu einem Punkt auf der Erde zu steuern, ist an der Kapsel 12 ein Gravitationsgradientenglied drehbar angeordnet, das zwei Freiheitsgrade für die Drehung um die jc-Achse bzw. die y-Achse in Ebenen hat, welche die z-Achse enthalten. Das Gravitationsgradientenglied besteht aus einer 45 m langen und 3,632 kg schweren biegsamen Stange 17, deren eines Ende von der Kapsel 12 kardanisch abgestützt ist, so daß sie sich mn die RoIl- und die Kippachse des Satelliten in Ebenen frei bewegen kann, welche die Gierachse enthalten. An dem anderen Ende der Stange 17 ist eine Spitzenmasse 18 befestigt, die ein Gewicht in der Größenordnung von 6,810 kg hat Die Stange 17 und die Sonzenmasse IS, die rusainnicn das Gravitationsgradientenglied bilden, haben eine Trägheit von etwa 1678 mkg/sec² und eine erste Schwingungsform mit einer Frequenz von 0,062 rad/sec für die genannten Parameter. Das maximale Drehmoment, das von dem beschriebenen Gravitationsgradientenglied auf die Kapsel 12 ausgeübt werden kann, liegt in der Größenordnung von 13,8 · 10~⁶ mkg für einen Winkel von 45° zwischen dem Gravitationsgradientenglied und der Senkrechten auf die Erde.

ίο Das aus der Stange 17 und der Spitzenmasse 18 bestehende Gravitationsgradientenglied steuert die Lage der Kapsel 12, indem es Drehmomente längs der Roll- und der Kippachse der Kapsel erzeugt. Die Längsachse des Gravitationsgradientengliedes, die längs der Länge der Stange 17 verläuft, wird, wie weiter unten erläutert, so gesteuert, daß sie eine stabilisierte Stellung hat, die mit dem örtlichen senkrechten Gravitationsvektor, d. h. einem Gravitationsvektor in Ausrichtung liegt, der sich radial vom Mittelpunkt der Erde zum Ort des Satelliten erstreckt.

Wenn der Satellit 11 durch eine äußere Kraft, wie z. B. durch Solardruck, gestört oder so gesteuert wird, daß die Anienne 13 gegen den Horizont der

»5 Erde zielt, μ daß die Gierachse der Kapsel 12 nicht mit der örtlichen Senkrechten zusammenfällt, dann wird das Gravitationsgradientenglied derart gesteuert, daß es, wenn es sich im Gleichgewicht befindet, im Ansprechen auf eine weiter unten beschriebene Rückkopplungsanordnung mit der örtlichen Senkrechten ausgerichtet wird.

In Fig. 1 sind diese Bedingungen graphisch veranschaulicht, da bei dem auf der rechten Seite der Erde dargestellten Satelliten die Achse der Antenne 13 längs der z-Achse der Kapsel 12 verläuft, die mit der örtlichen Senkrechten zusammenfällt, während bei dem in der F i g. 1 unterhalb der Erde dargestellten Satelliten die z-Achse der Kapsel 12 auf den Horizont der Erde zielt. In beiden Fällen fällt die Längsachse der Stange 17 mit der Örtlichen Senkrechten zusammen. Der Orientierungswinkelbefehl für die z-Achse der Kapsel 12, so daß sie nicht mit der örtlichen Senkrechten zusammenfällt, kann im Ansprechen auf ein Signal gesteuert werden, welches dem Satelliten beispielsweise durch eine Hochfrequenzverbindung zwischen dem Raumfahrzeug und der Erde zugeführt wird.

Die beiden in Fig. 1 wiedergegebenen um 90° verschobenen Orientierungen des Satelliten 11 ergeben sich in einer komplementären Beziehung aus den Bahngeschwindigkeits-Kopplungsdrehmomenten, die auf den Satelliten 11 ausgeübt werden. Die komplementäre Beziehung ist vorhanden, weil die x-Achse für die Stellung des in F i g. 1 auf der rechten Seite der Erde dargestellten Satelliten in die negative z-Achse für die Stellung des unter der Erde dargestellten Raumfahrzeuges umgewandelt wird, und umgekehrt die z-Achse in die x-Achse umgewandelt wird. Im Gegensatz dazu bleibt die y-Achse des Satelliten 11 im Raum feststehend, da sie quer zur Flugrichtung verläuft Wegen der komplementären Beziehung zwischen den Drehmomenten längs der x-Achse und der z-Achse des Raumfahrzeuges ist es erforderlich, eine Rückkopplungssteuervorrichtung sowohl für die Gierachse als auch für die Rollrad die Kippachse vorzusehen, obwohl das Gravitationsgradientenglied keine Bewegungsfreiheit relativ zu der Gierachse der Kapsel 12 hat

7 8

Es sei jetzt auf F i g. 2 und 3 Bezug genommen, achsen-Steuervorrichtung wird das Schwungrad 41 die in schaubildlicher Ansicht bzw. in auseinander- angetrieben, um die Schwankungen der Stange 17 zu gezogener Darstellung die mechanischen Einrichtun- dämpfen, die relativ zu der örtlichen Senkrechten in gen wiedergeben, die zum Steuern der Stellung der der Ebene auftreten, welche durch die y-Achse und Stange 17 und zum Stabilisieren der Lage des Satel- 5 die z-Achse der Kapsel 12 bestimmt ist. Im Anliten dienen, um die Drehmomente zu kompen- sprechen auf Reaktionsdrehmomente, die von dem sieren, die an der Kapsel 12 durch Schwankungen Kardandrebmomenterzeuger 27 erzeugt werden und des Gravitationsgradientengliedes angreifen. Um die gegen die Trägheit des Gravitationsgradientengliedes Orientierung der Stange 17 mit zwei Freiheitsgraden in der y-z-Ebene wirken, wird die Kapsel 12 relativ relativ zu der Kapsel 12 zu steuern, enthält die Kap- io zu der örtlichen Senkrechten in der Ebene angesel eine Zweiachsen-Kardaneinrichtung 21. Die trieben, die durch die Kipp- und die Gierachse der Kardaneinrichtung 21 weist einen am Körper der Kapsel bestimmt ist.

Kapsel 12 befestigten äußeren Kardanbügel 22 und Bei der besonderen Roll achsen-Steuervorrichtung

einen inneren Kardanbügel 23 auf, an welchem die gemäß F i g. 4 ist angenommen, daß die Rahmen Stange 17 drehbar angebracht ist. Die Kardanbügel 15 des Kardandrehmomenterzeugers 27 und des Mo-22 und 23 tragen drehbare Wellen 24 bzw. 25, deren tors 44 für den Antrieb der Stange 17 bzw. des Längsachsen mit der Kippachse bzw. der Rollachse Schwungrades 41 durch mechanische Verbindungen, der Kapsel 12 zusammenfallen. Die Wellen 24 und die durch die Linien 51 und 52 angedeutet sind, an 25 werden zu einer Drehung relativ zu den Bügeln dem Körper der Kapsel 12 starr befestigt sind. Ob-22 bzw. 23 von Drehmomenterzeugern 26 bzw. 27 ao wohl der Rahmen des Kardandrehmomenterzeugers angetrieben. An einer mittleren Stelle der Welle 25 27 tatsächlich nicht starr an dem Körper der Kapsel ist das eine Ende der Stange 17 befestigt, um die 12 befestigt ist, ist seine Lage mit Bezug auf die beiden Freiheitsgrade für das Gravitationsgradienten- Ebene, welche die Roll- und die Gierachse der Kapglied relativ zu der Kapsel 12 zu schaffen. sei enthält, unveränderlich, um zu ermöglichen, daß

Um die Drehstellungen der Wellen 24 und 25 zu 25 die erste Annahme genau gemacht wird,
überwachen und elektrische Signalanzeigen der Die Ausgangswellen des Kardandrehmoment-

Winkellage der Stange 17 relativ zu der Gierachse erzeugers 27 und des Motors 44 drehen sich um eine de: Kapsel 12 sowohl in der x-z-Ebene als auch in Achse, die mit der Rollachse der Kapsel 12 zusamder y-z-Ebene zu schaffen, sind praktisch reibungs- menfällt, um den Winkel der Stange 17 relativ zu lose upiische Codierer 28 und 29 jeweils auf einer 30 der Gierachse des Raumfahrzeuges in der y-z-Ebene der Wellen angeordnet. Um die Wellen 24 und 25 bzw. die Drehbeschleunigung des Schwungrades 41 abzustützen und sie während des Anhebens des Sa- zu steuern. Die Winkelablenkung der Stange 17 von telliten von der Erde in ihrer Stellung zu verriegeln, der Gierachse der Kapsel 12 wird von dem den sind Lager- und Kardanverriegelungsgehäuse 31 an Winkel abfühlenden Codierer 29 überwacht, der den sich gegenüberliegenden Enden jeder Welle an- 35 einen ersten Eingang, welcher mit Bezug auf die geordnet. Die Gehäuse 31 für die Welle 25 sind an Rollachse 12 fest ist, und einen zweiten Eingang hat, dem Kardanbügel 23 starr befestigt, während die der auf die Drehung der Welle 25 anspricht. Der Gehäuse 31 für die Welle 24 an dem Kardanbügel Ausgang des den Winkel abfühlenden CodLrers 29 22 befestigt sind. Um eine Kopplung der elektrischen ist ein Winkel φ, der gleich dem Ablenkungswinkel A Signale zwischen dem Codierer 29 oder dem Kardan- 40 zwischen dem Stangenwinkel und der örtlichen Senkdrehmomenterzeuger 27 und dem in der Kapsel 12 rechten in der y-z-Ebene minus dem Ablenkungseingeschlossenen elektrischen Stromkreis zu ermög- winkel Φ der Kapsel 12 von der örtlichen Senklichen, sind der Drehmomenterzeuger und der Co- rechten in der y-z-Ebene ist, d. h. φ = Δ — Φ dierer über zweckentsprechende nicht dargestellte (Fig. 7).

Verbindungen an den elektronischen Stromkreis an- 45 Um die Winkelorientierung der Gierachse der geschlossen. Kapsel 12 in der y-z-Ebene selektiv zu steuern, ist

Die sich aus den Schwankungen des von der eine Hochfrequenzverbindung zwischen einer Erd-Stange 17 und der Spitzenmasse 18 gebildeten Gra- station (nicht dargestellt) und einem Empfänger am vitationsgradientengliedes ergebenden Drehmomente Satelliten 11 vorgesehen. Von dem Satellitenwerden durch Schwungräder 41,42 und 43 gedämpft. 50 empfänger wird ein Signal festgestellt, welches den Die Schwungräder 41, 42 und 43 sind derart ange- gewünschten Winkel Φ,. der Gierachse der Kapsel 12 ordnet, daß ihre Drehachsen mit der Roll- bzw. relativ zu der örtlichen Senkrechten in der y-z-Ebene Kipp- und Gierachse der Kapsel 12 zusammenfallen, anzeigt. Das <&_f-Signal (F i g. 4) wird von einem Verso daß die Schwungräder an den Satelliten rück- stärker 54 in der Phase umgekehrt, um ein Signa] stellende Drehmomente in den drei rechtwinkligen 55 abzuleiten, welches die gewünschte Winkelabwei-Richtungen der x-, y- und z-Achsen anlegen, um chung φ₍ zwischen der Gierachse des Satelliten und die Schwankungen des Gravitationsgradientengliedes der Achse der Stange 17 in der x-z-Ebene anzeigt zu dämpfen. Die Schwungräder 41, 42 und 43 wer- Die Ausgangssignale q>_c und φ, die von dem Verden getrennt von Motoren 44 bzw. 45 und 46 an- stärker 54 bzw. dem Codierer 29 abgeleitet werden getrieben, so daß Änderungen der Drehgeschwindig- 60 werden in einem elektronischen Subtraktionsnetz keit der Schwungräder Drehmomente erzeugen, werk 53 verglichen, welches einen Ausgang liefert welche die Schwankungen des Gravitationsgradienten- Jessen Größe die Abweichung des tatsächliche! gliedes dämpfen. Winkels und des gewünschten Winkels des Gravi

Es sei jetzt auf F i g. 4 Bezug genommen, in wel- tationsgradientengliedes in der y-z-Ebene anzeigt eher ein schematiches Schaubild für die Rollachsen- 65 Der resultierende (tp_e — gj)-Ausgang des Subtrak Steuervorrichtung gemäß der Erfindung dargestellt tionsnetzwerks 53 treibt den Elektromotor 44 an, de ist, d. h. für das System zum Drehen der Stange 17 seinerseits das Schwungrad 41 antreibt, um Schwan um die Rollachse in der y-z-Ebene. Für die Roll- klingen des Gravitationsgradientengliedes 17, 18 i

9 10

der y-z-Ebene zu dämpfen. Der Motor 44 ist mit glied spricht auf den Ausgang der Einrichtung 70

ausreichender innerer viskoser Kupplung versehen, derart an, daß die Stange 17 relativ zu der örtlichen

um die Dämpfung zu schaffen, die erforderlich ist, Senkrechten um einen Winkel J gedreht wird, um

um das Graviiationsgradientenglied zu stabilisieren, an der Kapsel 12 ein Gravitationsgradisntendreh-

obwohl das «leiche Ergebnis erforderlichenfalls auch 5 moment in der y-z-Ebene zu erzeugen, welches durch

mit einem äußeren Tachometer-Rückkopplungsnetz- die physikalische Verschiebung der Stange 17 von

werk erzielt werden kann. der örtlichen Senkrechten um den Winkel Δ erzeugt

Zum Steuern des Kardandrehmomenterzeugers 27 wird, wie dies durch einen Kasten 73 angedeutet ist,

wird die Winkelabweichung Φ der Kapsel 12 von der der das Gravitationsgradientendrehmoment darstellt,

örtlichen Senkrechten in der y-z-Ebene mit dem io Das Gravitationsgradientendrehmoment wird mit

Befehlssignal rp_c verglichen. Zu diesem Zweck spricht dem Ausgang der Einrichtung 70 in einer Einrich-

ein Horizontsensor 55 auf den Ausgang der Zelle 15 tung 74 linear kombiniert, deren Ausgang das Netto-

an, um ein Signal zu liefern, welches die tatsäch- drehmoment darstellt, welches an die Stange 17 an-

liche Winkelstellung Φ der Kapsel 12 in der gelegt wird.

y-z-Ebene relativ zu der örtlichen Senkrechten an- 15 Das von dem Kardandrehmomenten.euger 27 erzeigt. Der Φ-Ausgang des Detektors 55 wird mit dem zeugte Drehmoment beeinflußt die Winkelstellung Φ Signal Φ₍ in einer Subtraktionseinrichtung 56 ver- der Kapsel 12 in der y-z-Ebene mit Bezug auf die glichen, die ein Signal liefert, welches den Wert örtliche Senkrechte, wie dies durch den Φ-Ausgang (Φ_Γ — Φ) anzeigt und als der eine Eingang einem des Kastens 72 angedeutet ist. Die Winkelstellung Summierverstärker 57 zugeführt wird. Der andere 20 der Kapsel 12 in der y-z-Ebene wird außerdem durch Eingang zu dem Verstärker 57 zeigt die zeitliche die Drehmomente beeinflußt, die von den Beschleu-Änderungsgeschwindigkeit (?) der Stange 17 relativ nigungen des die Schwankungen dämpfenden zu der Gierachse der Kapsel 12 in der y-z-Ebene an Schwungrades 41 und der Drehung des Satelliten 11 und wird von einem DüTerenziernetzwerk 58 abge- auf Grund der Zwischenkopplung von Drehmomenleitet, welches auf den den Wert φ anzeigenden Aus- 25 ten abgeleitet werden, die um die Gier- und die gang des Winkelabfühlcodierers 29 anspricht. Der Rollachse entwickelt werden. Diese Drehmomente Ausgang des Verstärkers 57, d. h. ein elektrisches sowie das von dem Drehmomenterzeuger 27 erzeugte Signal, welches das Drehmoment anzeigt, das erfor- Drehmoment sind in F i g. 5 als von einer Einrichdcrlich ist, um sowohl die Kapsel 12 als auch die tung 75 in kumulativer Weise linear kombiniert dar-Stange 17 in ihre stabilen Stellungen zu treiben, wird 30 gestellt, so daß sie sämtlich den gleichen Effekt auf dem Kardandrehmomenterzeuger 27 als Eingang zu- die Winkelstellung Φ der Kapsel 12 haben,
geführt. Der Winkel Φ des Satelliten relativ zu der ört-Zur näheren Erläuterung der Rollachsen-Lage- liehen Senkrechten wird von dem Winkel i, welcher steuervorrichtung wird auf das Funktionsblock- die Abweichung des Gravitationsgradientengliedes diagramm gemäß F i g. 5 und die in F i g. 7 wieder- 35 von der örtlichen Senkrechten anzeigt, in dem Cogegebenen Winkelbeziehungen Bezug genommen. In dierer 29 abgezogen, der effektiv als Subtraktions-F i g. 7 ist die örtliche Senkrechte durch eine Linie einrichtung arbeitet und die Subtraktionseinrichtung 61, die Gierachse der Kapsel 12 in der y-z-Ebene 53 speist. Wie oben bereits erwähnt, vergleicht die durch eine Linie 62 und die Abweichung der Gier- Subtraktionseinrichtung 53 die tatsächliche Stellung achse der Kapsel von der örtlichen Senkrechten 40 der Stange 17 in der y-z-Achse mit ihrer gewünschdurch den Winkel Φ dargestellt. Eine beispielsweise ten Stellung, um den Motor 44 zu betätigen und die Stellung der Stange 17 ist durch eine Linie 63 dar- Beschleunigung des Schwungrades 41 zu steuern. Der gestellt, die von der örtlichen Senkrechten 61 um sich ergebende Kreis über die Einrichtungen 75, 56, den Winkel Λ verschoben ist. Die Winkelverschie- 74, 29 und 53, welcher die dynamischen Eigenbung der Stange 17 von der Gierachse der Kapsel 45 schäften des Satelliten sowie das von dem Schwung-12 in der y-z-Ebene ist durch den Winkel φ dar- rad 41 entwickelte Drehmoment einschließt, kann gestellt. Im Gleichgewichtszustand hat der Winkel A als Stangenregelkreis angesehen werden, der bewirkt, zwischen den Linien 61 und 63 den Wert Null, und daß in der Gleichgewichtsstellung der Wert φ gleich es igt ψ = — φ. dem Wert qr,. gemacht wird. Daher treibt derStangen-Es sei jetzt das Funktionsblockdiagramm gemäß 50 regelkreis das Gravitationsgradientenglied derart an. F i g. 5 im einzelnen betrachtet Die in der Ampli- daß die Stange 17 im wesentlichen mit der örtlicher tude gleichen, aber in der Polarität entgegengesetzten Senkrechten ausgerichtet wird.
Steuersignale Φ₍ und q>_c werden an die Differenz- Um die Stellung der Kapsel 12 derart zu steuern bildungsnetzwerke 56 bzw. 53 angelegt Der Ausgang daß ihre Winkelorientierung von der örtlichen Senkdes Differenzbildungsnetzwerks 56 betätigt eine Ein- 55 rechten um den Winkel Φ₍ entfern l werden kann, is richtung 70, welche den Kardandrehmomenterzeuger ein Kapselregelkreis zwischen der abgefühlten Stel 27, das Differenznetzwefk 58 und den Verstärker 57 lang der Kapsel 12 in der y-z-Ebene (durch dei umfaßt, um die Winkelstellung des von deT Stange Winkel Φ gemessen) und dem Eingangsbefehls 17 und der Spitzenmasse 18 gebildeten Gravitations- signal Φ, über die Subtraktionseinrichtung 56 zu den gradientengliedes zu steuern und dadurch den rela- 60 Drehmomenterzeuger 27 vorhanden. Da der Kapsel tiven Winkel zwischen der Kapsel 12 und dem Gra- regelkreis ein viel rascheres Ansprechen als de vitationsgradientenglied in der y-z-Ebene zu ändern. Stangenregelkreis hat, kann es als genau angesehei Diese Beziehungen sind durch die Verbindungen werden, daß praktisch keine gegenseitige Beeinflus zwischen dem Ausgang der Einrichtung 70 und den sung zwischen ihnen vorhanden ist und daß der ein Eingängen der Kästen 71 und 72 angedeutet, von 65 Kreis unabhängig von dem anderen Kreis wirkt
denen der Kasten 71 die Dynamik des Gravitations- Das Funktionsblockdiagramm für den Kippachsen gradientengliedes und der Kasten 72 die Dynamik regelkreis ist im wesentlichen das gleiche wie das i des Satelliten darstellt Das Gravitationsgradienten- Fig. 5 dargestellte Blockdiagramm für den RoT

11 12

achsemegelkreis, da die in den beiden Kreisen ein- Die Beziehung zwischen den Drehmomenten, die

geschlossenen Apparaturen mit Substitution zweck- von dem Schwungrad 43 entwickelt werden, und entsprechender Steuervorrichtungen und Sensoren dem Gierachsen-B ahngeschwindigkeitskopplungsidentisch sind. In einem Funktionsblockdiagramm drehmoment ist in F i g. 6 durch eine Subtraktionsdes Kippachsenregelkreises liegen sämtliche Winkel 5 einrichtung 77 in einem Kasten 78 wiedergegeben, in der *-z-Ebene statt in der y-z-Ebene. Die Sen- welcher die Dynamik des Satelliten darstellt. Im soren in dem Kippachsenregelkreis bewirken, daß Ansprechen auf das entgegenwirkende Gie/ichsender Winkel Φ im Ansprechen auf den Ausgang des Bahngeschwindigkeitskopplungsdrehmoment und das Infrarotdetektors 15 für einen Winkel abgeleitet durch die Beschleunigungen des Schwungrades 43 erwird, der von der örtlichen Senkrechten um den io zeugte Drehmoment wird die Satellitenkap^el 12 in Winkel Φ in der x-z-Ebene verschoben ist. In ahn- der x-y-Ebene gedreht, um den Winkel y auf Null licher Weise ersetzen die aktiven Elemente in dem zu halten.

Kippachsenregelkreis die Elemente in dem Roll- Die Prinzipien der Erfindung sind nicht notwen-

achsenregelkreis, d. h., das Schwungrad 41 ist durch digerweise nur auf synchrone Satelliten anwendbar, das Schwungrad 42 ersetzt, der Codierer 29 ist durch 15 sondern sie können ebenso auf in geringer Höhe den Winkelabfühlcodierer 28 ersetzt, und der Kar- umlaufende Satelliten angewendet werden, obwohl dandrehinomenterzeuger 27 ist durch den Kardan- die wichtigste Anwendung der Erfindung diejenige drehmc :nenterzeuger 26 ersetzt. mit Bezug auf in großer Höhe umlaufende Satelliten

Es besteht jedoch ein bedeutsamer Unterschied ist. Ferner kann das Gravitationsgradientenglied, das zwischen dem Rollachsen- und dem Kippachsenregel- μ von der Stange 17 und der Spitzenmasse 18 gebildet kreis: in dem Kippachsenregelkreis ist kein Bahn- ist, durch irgendeine zweckentsprechende Masse ergeschwindigkeitskopplungsdrehmomenteingang zu der setzt we.den, die um den Hauptkörper des Satelliten Einrichtung 75 vorhanden. Das NichtVorhandensein schwenkbar ist, solange das Trägheitsmoment der eines solchen Bahngeschwindigkeitskopplungsdreh- schwenkbaren Masse in der Längsrichtung längs der momentes in dem Kippachsenregelkreis hat seinen as örtlichen Senkrechten um das Zehn- oder Mehrfache Grund darin, daß die Kippachse rechtwinklig zur Be- größer als das Querachsenträgheitsmoment ist. So wegungsrichtung des Satelliten verläuft und sich daher können die Stange 17 und die Spitzenmasse 18 durch nicht mit der Lage des Satelliten im Raum ändert. eine Kernbrennstoffquelle ersetzt werden, welche

F-! sei jetzt auf Fig. 6 Bezug genommen, in wel- zweckmäßig von einer Instrumenten- oder Menschencher das dynamische Verhalten auf die Drehung der 30 nutziast entfernt angeordnet ist. die sich in der Kapsel 12 um die Gier- bzw. z-Achse in der Kapsel 12 befinden können. Gemäß einer weiteren *-y-Ebene betrachtet wird. Es ist gewöhnlich nicht Abwandlung brauchen die Schwungräder 41, 42, 43 erwünscht, die Kapsel 12 um die Gierachse des Sa- mit ihren Drehachsen nicht mit der Roll-, Kipptelliten zu drehen, und daher wird der Gierachsen- und Gierachse der Kardanausführungen ausgerichtet befehl vor dem Start so voreingestellt, daß er gleich 35 zu sein, sondern die Drehachsen der Schwungräder Null ist, d. h., ψ, = 0. Das Vc-Signal wird in einer brauchen lediglich in einer Ebeae zu liegen, die mit Subtraktionseinrichtung 76 mit einer Anzeige der der Roll-, Kipp- und Gierachse zusammenfällt. Als tatsächlichen Drehung ψ des Satelliten um die Gier- weitere Abwandlung braucht der Hauptkörper des achse verglichen, was von dem Polarstern Detektor Satelliten nicht symmetrisch zu sein, d. h., die Haupt-16 überwacht wird. Der Differenzausgang der Sub- 40 trägheitsachsen des Satelliten könr.Mi aus verschietraktionseinrichtung 76 wird als Eingang dem Motor denen Trägheitsgrößen zusammengesetzt sein, und 45 zugeführt, welcher die Beschleunigung des Gier- die Schwenkachse des Gravitationsgradientengliedes achsen-Schwungrades 43 steuert. Das resultierende braucht nicht mit dem Massenmittelpunkt des Haupt-Drehmoment, das von dem Schwungrad 43 an der körpers des Satelliten zusammenzufallen. Bei einem Kapsel 12 abgeleitet wird, wird von dem Gierachsen- 45 unsymmetrischen Trägheitskörper kann das Gravi-Bahngeschwindigkeitskopplungsdrehmoment physika- tationsglied so gesteuert werden, daß seine * "ingslisch abgezogen. Es ist dabei daran zu erinnern, daß achse von der örtlichen Senkrechten verschoben das Gierachsen-Bahngeschwindigkeitskopplungsdreh- wird, um ein Drehmoment zu erzeugen, welches moment das Komplement des Rollachsen-Bahn- das Gravktationsgradientendrehmonient kompensiert, geschwindigkeitskopplungsdrehmoments der Kapsel 50 das sich aus den Trägheitseigenschaften des Haupt-12 ist. körpers des Satelliten ergibt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Signals mit einem anderen Signal aufweist, welches die gewünschte Winkelverschiebung der Patentansprüche: KaPse! von der örtlichen Senkrechten anzeigt.

1. System zum Steuern der Lage einer künst-

liehen Erdsatellitenkapsel, die ein mit ihr gekuppeltes Gravitationsgradientenglied aufweist, mit

einer Einrichtung zum Halten des Gravitationsgradientengliedes relativ zu der Kapsel mit zwei io Die Erfindung bezieht sich auf ein System zum Freiheitsgraden, einer Antriebseinrichtung, welche Steuern der Lage einer künstlichen Erdsatellitendie Halteeinrichtung derart antreibt, daß das kapsel, die ein mit inr gekuppeltes Gravitations-Gravitationsgradientenglied gegen die örtliche g.adientenglied aufweist, mit einer Einrichtung zum Senkrechte bewegt wird, und mit einer Einrich- Halten des Gravitationsgradientengliedes relativ zu tung zum Dämpfen von Drehmomenten, die an 15 der Kapsel mit zwei Freiheitsgraden, einer Antriebsder Kapsel auf Grund von Schwankungen des einrichtung, welche die Halteeinrichtung derart an-Gravitations <3^radientengliedes auftreten, da- treibt, daß das Gravitationsgradientenglied gegen die durch gekennzeichnet, daß die Einrich- örtliche Senkrechte bewegt wird, und mit einer Eintung zum Dämpfen von Drehmomenten Schwung- richtung zum Dämpfen von Drehmomemen, die an räder (41, 42, 43) aufweist, die koaxial zu den 20 der Kapsel auf Grund von Schwankungen des Gravi-Hauptachsen der Satellitenkapsel angeordnet tationsgradientengliedes auftreten,
sind, um Rückstellmomente an der Kapsel in Systeme zum Steuern und Stabilisieren der Lage drei orthogonalen Richtungen aufzubringen, und von künstlichen Erdsatelliten sind erstens als passive daß eine Einrichtung (29, 53) vorgesehen ist, die Systeme bekannt, in denen lediglich Gravitationsauf die Winkelverschiebung des Gravitations- 15 gradientenglieder vorgesehen sind, die mit dem gradientengliedes gegenüber der örtlichen Senk- Satelliten verbunden sind, und zweitens als aktive rechten anspricht und die die Antriebsmotoren Systeme, die Rückstoßstrahlen in Verbindung mit (44, 45, 46) i'-;r Schwungräder steuert. Trägheitsgliedern verwenden, welche gewöhnlich die

2. System nach Anspruch I, dadurch gekenn- Form von Schwungrädern haben.

zeichnet, daß die Einrichtung (29), welche auf 3° Die passiven, aber zuverlässigen Lagesteuersysteme

die Winkelverschiebung des Gravitationsgra- mit Gravitationsgradientengliedern werden häufig als

dientengliedes (17, 18) von der örtlichen Senk- mangelhaft angesehen, weil sie nur zwei bis fünf

rechten anspricht, auch auf die Winkelabwei- Grade der Zielgenauigkeit in den größeren Höhen

chung der Kapsel (12) von der örtlichen Senk- der Umlaufbahn ergeben, die für ein synchrones

rechten reagiert und die Anzeigen dieser Abwei- 35 Arbeiten des Satelliten erforderlich ist. Völlig passive

chungen kombiniert, um ein erstes Signal ab- Lagesteuersysteme leiden ferne: insofern an einem

zuleiten, welches die Winkelverschiebung des schlechten Einschwingverhalten, als eine merkliche

Gravitationsgradientengliedes relativ zu der Zeitdauer erforderlich ist, um den Satelliten nach

Kapsel anzeigt. dem Auftreten einer Störung, beispielsweise auf

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekenn- 40 Grund von Solardruck, zu stabilisieren. Wegen der zeichnet, daß es eine Einrichtung (29) aufweist, relativen Ungenauigkeit und des schlechten Eindie das erste Signal mit einem zweiten Signal Schwingverhaltens, wie sie den völlig passiven Lagevergleicht, welches die gewünschte Winkel- Steuersystemen eigen sind, ist die Verwendung von verschiebung des Gravitationsgradientengliedes Raumfahrzeugen mit solchen Steuervorrichtungen im (17, 18) von der Achse der Kapsel (12) anzeigt. 45 Nachrichtenverkehr auf Nachfolgeradioquellen be-

4. System nach Anspruch 1, dadurch gekenn- schränkt, wobei die Satellitenantenne eine große zeichnet, daß die Antriebseinrichtung für die Bündelbreite und somit eine relativ geringe VerSchwungräder auf die Winkelabweichung der Stärkung hat. Ein weiterer Nachteil der völlig pas-Kapsel (12) von der örtlichen Senkrechten an- siven Systeme ist die Unfähigkeit, die Lage des spricht. 50 Raumfahrzeuges relativ zu dem Gravitationsgra-

5. System nach Anspruch 1 oder 4, dadurch dientenglied zu ändern, so daß die Zielrichtung einer gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung für Antenne des Satelliten unabhängig von der Lage des die Schwungräder auf die zeitliche Änderungs- Raumfahrzeuges gesteuert werden muß.
geschwindigkeit der Winkelbewegung des Gravi- In den USA.-Patentschriften 3 168 263 und tationsgradientengliedes relativ zu der Kapsel 55 3 268 183 sind passive Systeme beschrieben, die eine anspricht. Dämpfung mittels eines viskosen Mediums oder mit-

6. System nach Anspruch I₁ dadurch gekenn- tels Reibung verwenden, um die Schwankungen des zeichnet, daß die Antriebseinrichtung für die Gravitationsgradientenstabes zu beseitigen. Bei der Schwungräder Teile zum Ableiten eines ersten Ausführung gemäß der USA.-Patentschrift 3 168 263 Signals, welches die Winkelabweichung der 60 wird eine Mehrzahl von Gravitationsgradienten-Kapsel von der örtlichen Senkrechten anzeigt, stäben verwendet, die an dem Satelliten befestigt und Teile zum Vergleichen des ersten Signals sind und von denen zwei Stäbe als Dämpfungsmit einem zweiten Signal aufweist, welches die einrichtungen wirken, die jedoch ungeeignet sind, um gewünschte Winkelverschiebung der Kapsel von eine ausreichende Ziel- oder Richtgenauigkeit zu der örtlichen Senkrechten anzeigt. 65 erreichen. In der USA.-Patentschrift 3 168 263 ist

7. System nach Anspruch 3, dadurch gekenn- die Verwendung von Schwungrädern als Primärzeichnet, daß die Antriebseinrichtung für die Stabilisierungstechnik beschrieben, jedoch befindet Schwungräder Teile zum Vergleichen des ersten sich dort kein Hinweis auf die Verwendung solcher