DE2850920A1 - PROCEDURE FOR DELIVERING A SPACE VEHICLE OR A SATELLITE WITH COUPLED DRIVE DEVICES FROM A LOW EARTH ORBIT TO A DEFINITIVE EARTH ORBIT OR EARTH ESCAPE - Google Patents
PROCEDURE FOR DELIVERING A SPACE VEHICLE OR A SATELLITE WITH COUPLED DRIVE DEVICES FROM A LOW EARTH ORBIT TO A DEFINITIVE EARTH ORBIT OR EARTH ESCAPEInfo
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Datum: 24. NOV. 1978Date: NOV 24. 1978
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Ford Aerospace & Communications Corporation, Dearborn,Ford Aerospace & Communications Corporation, Dearborn,
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Verfahren zur Verbringung eines Raumfahrzeugs bzw. eines Satelliten mit angekoppelten Antriebsvorrichtungen aus einer niedrigen Erdumlaufbahn in eine endgültige Erdumlaufbahn oderMethod for moving a spacecraft or a Satellites with propulsion devices attached to them from low earth orbit to final earth orbit or
ErdentweichtrajektorieEarth escape trajectory
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbringung eines Raumfahrzeugs mit angekoppelter Antriebsvorrichtung aus einer niedrigen Erdumlaufbahn in eine endgültige höhere Erdumlaufbahn oder Erdentweichtrajektorie.The invention relates to a method for moving a spacecraft with a coupled drive device from a low earth orbit to a final higher earth orbit or earth escape trajectory.
In einem Zeitschriftenartikel von Harold A. Rosen und C. Richard Jones mit dem Titel "STS Optimized Satellite Concept" in der Juni-1977-Ausgabe der Zeitschrift "Astronautics and Aeronautics", S. 48 bis 53, wurde darauf hingewiesen, daß das NASA Raumtransportsystem "NASA Space Transportation System (STS)", der Raumtransporter bzw. die Raumfähre ("Space Shuttle"), die Möglichkeit einer bedeutsamen Verbesserung in der Verbringung geostationärer Satelliten in eine Erdumlaufbahn gegenüber dem derzeitigen System der Lancierung von Satelliten mittels verlorener Start- bzw. Abschußeinheiten eröffnet.In a magazine article by Harold A. Rosen and C. Richard Jones entitled "STS Optimized Satellite Concept" in the June 1977 issue of Astronautics and Aeronautics ", pp. 48 to 53, it was noted that the NASA space transportation system" NASA Space Transportation System (STS) ", the space transporter or the space shuttle (" Space Shuttle "), the possibility of a significant improvement in shipments geostationary satellites in orbit versus the current satellite launch system opened by means of lost launch or launch units.
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In dem genannten Artikel führen die Autoren unter anderem aus:In the article mentioned, the authors state, among other things:
"Bei Abschuß von Florida genau nach Osten wird der Raumtransporter bzw. die Raumfähre die Erde in einer orbitalen Umlaufbahn von nominell l6O nautischen Meilen mit einer Orbitalneigung von 28,6° umlaufen. Ein geostationärer Satellit muß in einer Umlaufbahn in einer Höhe von 19.500 nautischen Meilen über dem Äquator kreisen. Das STS benötigt daher eine obere Stufe zur Lancierung geostationärer Satelliten.""If Florida is shot down due east, the spacecraft will or the space shuttle Earth in orbital orbital nominally 160 nautical miles revolve with an orbital inclination of 28.6 °. A geostationary satellite must be in orbit in a Orbiting altitude of 19,500 nautical miles above the equator. The STS therefore needs an upper stage to launch geostationary satellite. "
Die Autoren stellen des weiteren fest:The authors also state:
"Den Anforderungen an die obere Stufe wird in optimaler Weise durch zwei Antriebsimpulse genügt. Im Zeitpunkt einer Äquatorüberquerung wird durch den ersten Impuls ein Geschwindigkeitsinkrement von etwa 8000 Fuß pro Sekunde im Perigäum der elliptischen Überführungsbahn erteilt. In einem geeigneten Apogäum der Überführungsumlaufbahn wird durch den zweiten Impuls ein Geschwindigkeitsinkrement von 6000 Fuß pro Sekunde erzeugt und hierdurch die Umlaufbahn kreisförmig gemacht und gleichzeitig die Bahnneigung beseitigt."The requirements for the upper stage are optimally satisfied by two drive impulses. At the time When crossing the equator, the first pulse will increase the speed by approximately 8,000 feet per Second granted in the perigee of the elliptical transfer path. In a suitable apogee of the transfer orbit, the second pulse makes a speed increment of 6000 feet per second, thereby making the orbit circular and simultaneous the orbit inclination eliminated.
Die hauptsächliche Konstruktionsaufgabe, die sich damit für die Verwendung des STS zur Lancierung von geostationären Satelliten stellt, besteht darin, eine Kombination von oberer Stufe und Satellitengeometrie sowie -funktionen herauszufinden, durch welche die Gesamtkosten der Mission minimalisiert werden."The main design task that is required for the use of the STS to launch geostationary Satellite represents is a combination of top tier and satellite geometry as well Find out functions that will minimize the overall cost of the mission. "
Nach der Beschreibung der Autoren Rosen und Jones würde der von dem Raumtransporter bzw. der Raumfähre in die niedrige Erdumlaufbahn gebrachte geostationäre Satellit ein Perigäumtriebwerk mit festem Treibstoff in dem Satelliten aufweisen,According to the description of the authors Rosen and Jones, the one from the space shuttle and the space shuttle would go to the low one Earth orbiting geostationary satellites have a perigee engine with solid propellant in the satellite;
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während der Apogäumimpuls durch zwei Triebwerke mit zwei flüssigen Treibstoffen geliefert würde, deren vier Brennstofftanks (jeweils zwei für den Treibstoff und zwei für das Oxydationsmittel (oxidizer)) das Perigäum-Triebwerk umgeben. Die Nachrichtenantennen und anderweitigßn ausfahrbaren Ansätze bzw. Anhängsel würden zunächst im zusammengefalteten bzw. eingeklappten Zustand mitgeführt, bis der geostationäre Satellit seine synchrone Erdumlaufbahn erreicht hat.while the apogee pulse would be delivered by two thrusters with two liquid fuels, their four fuel tanks (two each for the fuel and two for the oxidizer) surround the perigee engine. The communication antennas and other extendable attachments or appendages would initially be folded or folded. retracted until the geostationary satellite has reached its synchronous earth orbit.
Die Autoren bemerken in diesem Zusammenhang:The authors note in this context:
"Der Gedanke der Verwendung eines Flüssigtriebwerks im Perigäum ist häufig aufgeworfen worden, jedoch würden die hohen Winkelgeschwindigkeiten im Perigäum ein sehr großes Triebwerk mit Flüssigtreibstoff erforderlich machen. Die Eigenschaften eines Feststoff-Triebwerks: hohe Schubkraft bei kurzer Brenndauer, sind den Erfordernissen des Perigäum-Impulses besser angepaßt. Demgegenüber entspricht das Flüssig-Apogäum-Triebwerk den Anforderungen des Apogäum-Impulses, und zwar sogar mit einem Triebwerk verhältnismäßig geringer Schubkraft."The idea of using a liquid engine in perigee has been raised many times, however the high angular velocities in the perigee required a very large liquid fuel engine do. The properties of a solid fuel engine: high thrust with short burning time, are the requirements better adapted to the perigee impulse. In contrast, the liquid apogee engine corresponds the requirements of the apogee pulse, even with a relatively low thrust engine.
Sobald das Raumfahrzeug die geostationäre Umlaufbahn erreicht hat, wird die Spinachse normal zur Umlaufbahn ausgerichtet, die Antenne ausgefahren und die normale Betriebsphase kann beginnen."Once the spacecraft enters geostationary orbit, the spin axis becomes normal to orbit aligned, the antenna extended and normal operation can begin. "
Einer der Hauptnachteile der überführung des Satelliten aus der Raumfährenumlaufbahn in die hohe Erdumlaufbahn oder in eine Erdentweichtrajektorie im "big-bang"- oder "Ein-Schuß-Verfahren" ("single shot transfer"), besteht darin, daß sobald das Perigäum-Feststofftriebwerk einmal gezündet ist, keine Möglichkeit mehr besteht, den Satelliten im Fall einer Funktionsstörung beim Ausfähren der ausfahrbaren Antennen, Solarpaneele, Kameraausleger und anderweitigen wissenschaftlichen Geräten oder dergleichen, wieder zurückzugewinnen. Wegen ./.One of the main disadvantages of the transfer of the satellite the space shuttle orbit in the high earth orbit or in an earth escape trajectory in the "big-bang" or "one-shot method" ("single shot transfer"), is that once the perigee solid fuel engine is ignited, none There is more possibility to use the satellite in the event of a malfunction when extending the extendable antennas, solar panels, Recover camera booms and other scientific equipment or the like. Because ./.
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der bei der Zündung des Peststoff-Perigäum-Triebwerks erzeugten hohen Beschleunigungskräfte ist es nicht möglich, die großen Antennen, Ausleger oder dergleichen unmittelbar nach dem Ausstoß bzw. Auswurf des Satelliten aus der Raumfähre und vor der Zündung des Peststoff-Perigäum-Triebwerks auszufahren. Damit die ausfahrbaren Ansätze den durch die Zündung eines Peststoff-Perigäumtriebwerks hervorgerufenen Belastungen standzuhalten vermögen, müßten sie mit einer so hohen Festigkeit ausgebildet werden, daß dies wegen des damit verbundenen zusätzlichen Gewichts des Satelliten und der zusätzlichen Konstruktionskosten prohibitiv wäre.Due to the high acceleration forces generated when the perigee engine was ignited, it is not possible to use the large Antennas, booms or the like immediately after the ejection or ejection of the satellite from the space shuttle and before the ignition of the pest perigee engine. So that the retractable approaches the by the ignition of a To be able to withstand the stresses caused by the plague perigee engine, they should have such a high strength be designed that this because of the associated additional weight of the satellite and the additional Construction costs would be prohibitive.
Eine Alternative zur Verwendung eines Perigäum-Triebwerks hoher Beschleunigung bestünde in der Verwendung eines elektrischen Antriebssystems niedriger Schubkraft.An alternative to using a high acceleration perigee engine would be to use an electric one Low thrust propulsion system.
Die Anwendung elektrischer Antriebssysteme niedriger Schubkraft hat jedoch den Nachteil, daß der Durchgang des Satelliten oder Raumfahrzeugs durch die die Erde umgebenden van-Allen-Strahlungsgürtel sehr langsam erfolgen würde. In einem im September 1972 vom Cincinnati University Department of Aeronautics and Astronautics" veröffentlichten Artikel von R. Holdaway und R.E.W. Jansson mit dem Titel "Optimisation of Geostationary Satellite Emplacement by Low Thrust Propulsion", A.A.S.U. Report No. 323, wird über die Ergebnisse einer Untersuchung berichtet, durch welche die optimale Überführung von Nachrichtensatelliten aus einer Parkier-Umlaufbahn in eine geostationäre Umlaufbahn mittels elektrischem Antrieb niedriger Schubkraft bestimmt werden sollte. Es ergab sich dabei, daß eine der wesentlichen in Betracht zu ziehenden Variablen die Beeinträchtigung des Leistungsvermögens der Satelliten-Energiequelle beim Durchgang des Satelliten durch die van-Allen-Strahlungsgürtel ist.However, the use of electric propulsion systems of low thrust has the disadvantage that the passage of the satellite or spacecraft through the Earth's van Allen radiation belts would be done very slowly. In one in September 1972 from the Cincinnati University Department of Aeronautics and Astronautics "published article by R. Holdaway and R.E.W. Jansson entitled" Optimization of Geostationary Satellite Emplacement by Low Thrust Propulsion, "A.A.S.U. Report No. 323, is about the results of an investigation reports, through which the optimal transfer of communications satellites from a parking orbit to a geostationary orbit lower by means of electric propulsion Thrust should be determined. It turned out to be one of the main variables to consider the degradation in the performance of the satellite energy source as the satellite passes through the van Allen radiation belt is.
In der Einleitung zu dem NASA Report No. TM X-2777 vom AprilIn the introduction to NASA Report No. TM X-2777 dated April
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1973 unter dem Titel "Estimates of Trapped Radiation Encountered on Low Thrust Trajectories Through the van Allen Belts" von Irving M. Karp heißt es hierzu:1973 under the title "Estimates of Trapped Radiation Encountered on Low Thrust Trajectories Through the van Allen Belts "by Irving M. Karp says:
"Für Missionen, die aus einer niedrigen Erdumlaufbahn in eine Synchronumlaufbahn oder eine Erdentweichtrajektorie führen, werden Fahrzeuge mit elektrischen Triebwerken niedriger Schubkraft in Betracht gezogen. Die Fahrzeuge bewegen sich dabei langsam spiralförmig durch die van-Allen-Gürtel und treffen hierbei auf eine beträchtliche Anzahl von in diesen Strahlungsgürteln eingefangenen Protonen und Elektronen. Diese Strahlung kann, falls sie bestimmte Grenzwerte überschreitet, empfindliche Bauteile und die Nutzlast beeinträchtigen, so daß in diesem Fall Abschirmungen zur Verringerung dieser Strahlungsschädigung vorgesehen werden müssen.""For missions going from low earth orbit to synchronous orbit or an earth escape trajectory vehicles with low thrust electric engines are being considered. the Vehicles move slowly in a spiral through the van Allen belt and encounter a considerable one Number of protons and electrons trapped in these radiation belts. This radiation can, if it exceeds certain limit values, affect sensitive components and the payload, so that in this case shielding must be provided to reduce this radiation damage. "
In einer Arbeit von Neal A. Carlson vom Februar 1965 mit dem Titel "Correlation of Interplanetary Geometry with Propulsion Requirements for Optimal Low-Thrust Mission", die unter der Auftragsnummer Grant No. NsG-25^-62 vom Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts für die National Aeronautics and Space Administration durchgeführt wurde, definiert der Verfasser als Antriebssysteme hoher Schubkraft solche, welche Beschleunigungen in der Größenordnung von 0,1 g oder mehr erzeugen. Ferner gab er an, daß die von Antriebssystemen niedriger Schubkraft herrührenden Schubbeschleunigungen in der Größenordnung von 10"3 bis 10~ g liegen würden.In a work by Neal A. Carlson from February 1965 entitled "Correlation of Interplanetary Geometry with Propulsion Requirements for Optimal Low-Thrust Mission", which was published under the order number Grant No. NsG-25 ^ -62 was carried out by the Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts for the National Aeronautics and Space Administration, the author defines high thrust propulsion systems as those which produce accelerations on the order of 0.1 g or more. He also stated that the thrust accelerations resulting from low thrust propulsion systems would be on the order of 10 " 3 to 10 ~ g.
Die Definition "hoher" oder "niedriger" Schubkraft ist relativ willkürlich. Für jemanden, der mit Ionenantrieb arbeitet, wäre eine Schubkraft, welche eine Beschleunigung von 0,1 g erzeugt, eine "hohe" Schubkraft. Für jemanden auf dem Gebiet der Fluggeschosse wäre eine Schubkraft, welche eine Beschleunigung von 0,1 g erzeugt, eine "niedrige" Schubkraft. ImThe definition of "high" or "low" thrust is relatively arbitrary. For someone who works with ion propulsion, a thrust producing an acceleration of 0.1 g would be a "high" thrust. For someone in the field of the missiles would be a thrust which generates an acceleration of 0.1 g, a "low" thrust. in the
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wesentlichen besitzen alle heute verwendeten chemischen Raketen (Thor Delta, Atlas F, Atlas Centaur, die Titan-Familie, Scout u.a.) ein Leistungsvermögen im Beschleunigungsbereich von mehr als 1 g bis mehr als 6 g. Für die Anwender derartiger Systeme wäre eine Vorrichtung, welche eine Beschleunigung von 0,1 g oder sogar von 0,3 g erzeugt, eher eine Vorrichtung niedriger Schubkraft.essentially all chemical rockets used today (Thor Delta, Atlas F, Atlas Centaur, the Titan family, Scout et al.) A performance in the acceleration range of more than 1 g to more than 6 g. For users of this type Systems, a device that produces an acceleration of 0.1 g or even 0.3 g would be more of a device low thrust.
Offensichtlich würden die von Ionenantriebssystemen erzeugten Schubbeschleunigungen von 10 bis 10" g die Satellitenansätze bzw. Anhängsel, falls diese vor der Verbringung des Satelliten in die Überführungsumlaufbahn ausgefahren würden, nur geringen Belastungen unterwerfen. Das Problem besteht jedoch darin, daß wenn die insgesamt vom Satelliten während seiner Spiralbewegung durch die van-Allen-Strahlungsgürtel zugebrachte Zeit sich einem Wert von 2 Wochen nähert, dann Beeinträchtigungen der Satellitenenergiequelle und der Nutzlast durch die Strahlung des van-Alien-Strahlungsgürtels zu erwarten sind. Die Schubbeschleunigungen von 10 bis 10~ g reichen nicht aus, damit ein Satellit die van-Allen-Strahlungsgürtel innerhalb einer Zeitdauer durchquert, in welcher die akkumulierte Strahlung noch auf einem nicht-kritischen Minimum gehalten wird.Obviously, the thrust accelerations of 10 to 10 "g generated by ion propulsion systems would make the satellite approaches or appendages, if these were deployed before the satellite was placed in the transfer orbit, subject to only minor loads. The problem, however, is that when the total from the satellite during its spiral motion through the van Allen radiation belt Time spent approaches 2 weeks, then adverse effects on the satellite power source and payload by the radiation of the van-alien radiation belt are to be expected. The thrust accelerations of 10 to 10 ~ g are not enough for a satellite to cross the van Allen radiation belt traversed within a period of time in which the accumulated radiation is still at a non-critical level Minimum is kept.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher als Aufgabe die zur Verfügungstellung eines Bereichs von Schubbeschleunigungen zugrunde, die einerseits groß genug sind, damit der Satellit die van-Allen-Strahlungsgürtel ohne Strahlungsschaden durchquert, jedoch andererseits genügend niedrig sind, daß der Satellit im voll ausgefahrenen Zustand seiner Ansätze bzw. Anhängsel nach der Trennung von der Raumfähre in die Überführungsumlaufbahn verbracht werden kann, statt daß diese Ansätze erst ausgefahren werden können, nachdem der Satellit die hohe Erdumlaufbahn oder die Erdentweichtrajektorie erreicht hat.It is therefore an object of the present invention to provide a range of thrust accelerations which on the one hand are large enough for the satellite to cross the van Allen radiation belt without radiation damage, On the other hand, however, are sufficiently low that the satellite is fully extended with its approaches or Appendages after separation from the space shuttle can be put into the transfer orbit instead of this Approaches can only be extended after the satellite has entered the high earth orbit or the earth escape trajectory has reached.
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Die Erfindung sieht zu diesem Zweck ein Verfahren zur Verbringung eines Raumfahrzeugs, wie beispielsweise eines Nachrichten- oder Raumerforschungssatelliten mit angekoppelter Antriebsvorrichtung, in eine Reihe von zunehmend höheren Überführungs-Umlaufbahnen vor, über welche er aus einer niedrigen Erdumlaufbahn durch stufenweise Beaufschlagung mit Schubimpulsen in seine endgültige Erdumlaufbahn oder in eine Erdentweichtrajektorie gelangt. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Schubkraft der Antriebsvorrichtungen auf einen vorgegebenen konstanten Schubpegel begrenzt, bei welchem die Beschleunigung des Raumfahrzeugs größer als 0,01 g zu Beginn der Schuberzeugung, jedoch kleiner als 0,3 g zu Ende der Schuberzeugung ist. Das Treibmittel der Antriebsvorrichtung wird jeweils in etwa der gleichen Orbitalstellung, vorzugsweise auf Perigäumhöhe, die im wesentlichen sämtlichen Überführungsumlaufbahnen gemeinsam ist, etwa bei der jeweiligen Beendigung jeder Überführungsumlaufbahn gezündet. Die Brenndauer des Treibmittels nach der jeweiligen Zündung ist auf eine programmierte, jedoch selektiv variable Zeit während des Übergangs von der einen Überführungs-Umlaufbahn in die nächst höhere Überführungsumlaufbahn begrenzt. Auf diese Weise werden dem Raumfahrzeug jeweils stufenweise inkrementelle Schubimpulse erteilt, welche das Raumfahrzeug jeweils in Umlaufbahnen oder Trajektorien zunehmend höherer Energie anheben, bis das Raumfahrzeug schließlich aus der niedrigen Erdumlaufbahn in die endgültige Umlaufbahn oder die Entweichtrajektorie gelangt ist.To this end, the invention provides a method for moving a spacecraft, such as a communications or space exploration satellites with attached propulsion devices, in a series of increasingly higher ones Overpass orbits before, over which he from a low earth orbit by stepwise loading with Thrust impulses in its final earth orbit or in an earth escape trajectory. According to the invention Method, the thrust of the drive devices is limited to a predetermined constant thrust level at which the acceleration of the spacecraft greater than 0.01 g at the start of thrust generation but less than 0.3 g at the end the thrust generation is. The propellant of the drive device is in each case in approximately the same orbital position, preferably at perigee level, which is essentially common to all overpass orbits, such as the respective one Completion of each flyover orbit ignited. The burning time of the propellant after each ignition is on a programmed but selectively variable time during the transition from one transfer orbit to the next higher flyover orbit limited. In this way, the spacecraft is given incremental thrust pulses at a time issued, which lift the spacecraft in orbits or trajectories of increasingly higher energy until the spacecraft eventually moved from low earth orbit to final orbit or escape trajectory.
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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigenIn the following, exemplary embodiments of the invention are described with reference to the drawing; in this show
Fig. 1 eine Darstellung zur Veranschaulichung derFig. 1 is a representation to illustrate the
Beziehungen zwischen der Erde, einem Raumtransporter bzw. einer Raumfähre ("space shuttle1'),, einem in eine niedrige Erdumlaufbahn getragenen Raumfahrzeug zur Überführung in eine hohe Erdumlaufbahn oder eine Erdentweichbahn, sowie den bei zunehmend höherer Energie liegenden Überführungsbahnen oder -trajektorien, über welche erfindungsgemäß die endgültige Umlaufbahn oder (Austritts-)Trajektorie erreicht wird;Relationships between the earth, a space shuttle or a space shuttle ("space shuttle 1 "), a spacecraft carried into low earth orbit for transfer into high earth orbit or an earth escape path, as well as the transfer paths or trajectories at increasingly higher energy which according to the invention the final orbit or (exit) trajectory is reached;
Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung des Platzbedarfs im Laderaum der Raumfähre für ein Raumfahrzeug bzw. einen Satelliten und seinen Antriebsmodul gemäß der Erfindung;2 shows a schematic representation to illustrate the space requirement in the hold of the space shuttle for a spacecraft or satellite and its propulsion module according to the invention;
Fig. 3 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung des Platzbedarfs im Laderaum der Raumfähre, wie er sich für ein Raumfahrzeug bzw. einen Satelliten und seine Antriebsstufe nach den Vorschlägen und Überlegungen gemäß dem Stand der Technik ergeben würde;3 shows a schematic representation to illustrate the space requirement in the hold of the space shuttle, how he looks for a spacecraft or a satellite and its propulsion stage the proposals and considerations according to the state of the art;
Fig. 4 bis 7 jeweils in perspektivischer Ansicht verschiedene Anordnungen des Satellitenantriebsmoduls, wie sie erfindungsgemäß verwendet werden könnten.4 to 7, each in a perspective view, of different arrangements of the satellite drive module, as they could be used according to the invention.
Fig. 1 veranschaulicht in bildhafter Darstellung die Verbringung eines allgemein mit 10 bezeichneten Raumfahrzeugs oder Satelliten in eine Umlaufbahn hoher Energie nach dem Start bzw. Abschuß von der Erde vermittels eines Raumtransportsystem-Fahrzeugs der NASA ("National Aeronautics Space Administration Space Trans-1 is a pictorial illustration of the movement of a spacecraft or satellite, generally designated 10 into high energy orbit after launch from Earth by means of a space transport system vehicle of the NASA ("National Aeronautics Space Administration Space Trans-
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portation System vehicle"), das populär unter der Bezeichnung Raumtransporter bzw. Raumfähre bekannt ist und als Ganzes mit 11 bezeichnet ist.portation system vehicle "), popularly known under the designation Space transporter or space shuttle is known and is designated as a whole with 11.
Die Aufgabe, Satelliten in eine hohe Erdumlaufbahn oder in eine Erdaustritts- bzw. -entweichtrajektorie zu bringen, wurde bisher unter Verwendung verlorener Abschuß- bzw. Startfahrzeuge gelöst. D.h. der Satellit und sein Apogäum-Zusatzmotor waren oben auf einem Abschuß- bzw. Startfahrzeug, wie beispielsweise einer Thor-Delta- oder einer Atlas-Centaur-Raketes angeordnet . Nach dem Einschuß im Perigäum trennte sich der Satellit von seinem Abschuß-bzw. Startfahrzeug; durch anschließende Zündung des Apogäummotors wurde der Satellit in seine endgültige Umlaufbahn oder in seine Erdaustritts- bzw. -entweichtrajektorie gebracht.The task of bringing satellites into high earth orbit or into an earth exit or escape trajectory has so far been achieved using lost launch vehicles. That is, the satellite and its apogee motor additive were on top of a Abschuß- or launch vehicle, such as a gate-delta or an Atlas Centaur rocket placed s. After the entry into the perigee, the satellite separated from its launch or. Launch vehicle; by subsequent ignition of the apogee motor, the satellite was brought into its final orbit or into its earth exit or escape trajectory.
Derzeit plant man, diese Aufgabe der Verbringung von Raumfahrzeugen oder Satelliten in eine hohe Erdumlaufbahn oder in eine Erdaustritts-Trajektorie in der Weise zu lösen, daß man das Raumfahrzeug bzw. den Satelliten in einer Raumfähre in eine niedrige Erdumlaufbahn bringt und sodann unter Verwendung von Peststoffraketentriebwerken den Satelliten in eine Ein-Schußüberführungsbahn ("one-shot transfer orbit") verbringt, damit er steine endgültige Umlaufbahn oder Erd-Entweichtrajektorie erreicht. Bei einem derartigen System, das unter der Bezeichnung STS/SSUS-System bekannt ist ("Space Transportation System/ Spinning Solid Upper Stage"} "Raumtransportsystem/obere Stufe mit Feststoffantrieb und Drallstabilisierung"), dient die Raumfähre zum Transport des Satelliten vom Boden in die niedrige Erdumlaufbahn. Danach wird der Satellit aus der Raumfähre ausgestoßen und bei einer bestimmten ausgewählten Äquatorüberquerung das Perigäum-Triebwerk, nämlich die SSUS ("Spinning , Solid Upper Stage")'bbere Stufe mit Peststoffantrieb und Drallstabilisierung") gezündet. Diese SSUS ist ein Peststoffmotor bzw. -triebwerk hoher Schubkraft, der vor dem Austritt desIt is currently planned to undertake this task of shipments of spacecraft or to solve satellites in high earth orbit or in an earth exit trajectory in such a way that one can do that Places the spacecraft or satellite in a space shuttle into low earth orbit and then using Plague rocket propels the satellite into a one-shot transfer orbit ("one-shot transfer orbit") spends so that he rocks final orbit or earth escape trajectory achieved. In such a system, known as the STS / SSUS system ("Space Transportation System / Spinning Solid Upper Stage "}" Space transport system / upper stage with solid propulsion and twist stabilization "), serves the Space shuttle to transport the satellite from the ground into low earth orbit. After that, the satellite is removed from the space shuttle ejected and at a certain selected equator crossing the perigee engine, namely the SSUS ("Spinning, Solid Upper Stage ") 'bbere stage with pesticide drive and twist stabilization") ignited. This SSUS is a high thrust pesticide engine or thrust propulsion engine that is operated before the exit of the
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Raumfahrzeugs und seines Triebwerks aus der Raumfähre mit einem Drall ausgestattet wird. Die Drallachse ist dabei längs der gewünschten Schubrichtung gerichtet. Die Drallbeaufschlagung gewährleistet die erforderliche Stabilität während der Triebwerkzünd- bzw. -brenndauer. Einige Sekunden oder Minuten nach dem Ausstoß wird der Motor bzw. das Triebwerk gezündet und hierdurch das Raumfahrzeug in eine in größere Höhe führende.iüberführungsbahn gebracht. Nachdem das Raumfahrzeug die Apogäumhöhe erreicht hat, wird ein zweites Peststoff- oder Flüssig-Triebwerk gezündet, um das Raumfahrzeug in eine kreisförmige Umlaufbahn zu bringen und die Neigung der Umlaufbahn zu verringern.Spacecraft and its engine from the space shuttle is equipped with a swirl. The twist axis is longitudinal directed in the desired direction of thrust. The swirl ensures the required stability during the Engine ignition or burning time. A few seconds or minutes after ejection, the engine or power plant is ignited and thereby the spacecraft in a higher altitude leading.iüberführungsbahn brought. After the spacecraft has reached apogee altitude, a second pest or Liquid thruster ignited to bring the spacecraft into circular orbit and tilt the orbit to reduce.
Das SSUS-System weist die folgenden Vor- und Nachteile auf:The SSUS system has the following advantages and disadvantages:
Vorteile:Advantages:
(a) Einfachheit des Systems(a) Simplicity of the system
(b) Es wird derzeit bereits an verlorenen Abschuß- bzw. Startfahrzeugeη verwendet .(b) It is currently used on lost launch vehicles or launch vehicles .
(c) Es handelt sich um ein stark publiziertes Verfahren.(c) It is a widely published procedure.
Nachteile:Disadvantage:
(a) Es ist nur Drall-(Spin-)Stabilisiert.(a) It is only twist (spin) stabilized.
(b) Hohe Schubpegel(b) High thrust levels
(c) Es muß alsbald nach dem Ausstoß aus dem Abschuß- bzw. Startfahrzeug eingeschaltet bzw. ausgelöst werden.(c) It must be switched on as soon as it is ejected from the launch vehicle or triggered.
(d) Es nimmt 8 bis 9 Fuß der Raumfähren-Laderaumlänge in Anspruch.(d) It takes 8 to 9 feet of the space shuttle hold length.
(e) Es bietet nur geringe Möglichkeiten der Erkennung von Pehlabschußproblernen vor der Entfernung aus der Raumfähren-Umlaufbahn. (e) It offers only a small number of possibilities for the detection of faulty shooting problems prior to removal from space shuttle orbit.
(f) Es benötigt ein Apogäum-Triebwerk im Raumfahrzeug.(f) It requires an apogee thruster in the spacecraft.
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(g) Das Gewicht des Raumfahrzeugs muß sehr frühzeitig innerhalb des Programms festgelegt werden, um die Peststoff-Triebwerke entsprechend auszulegen und zu dimensionieren.(g) The weight of the spacecraft must be taken very early in the program must be specified in order to design and dimension the pesticide engines accordingly.
Ein weiteres System, das derzeit in Betracht gezogen wird, ist das sogenannte IUS-System oder "Interim Upper Stage System" ("System mit Zwischen-Oberstufe"); hierbei finden Peststoff-Triebwerke für die überführung des Raumfahrzeugs aus der Raumfähren-Umlaufbahn in eine Äquatorial-Synchron-Umlaufbahn Anwendung, bei durchgehender Drei-Achsen-Stabilisierung.Another system that is currently being considered is the so-called IUS system or "Interim Upper Stage System" ("System with intermediate upper level"); this is where pesticide engines are found for releasing the spacecraft from space shuttle orbit in an equatorial synchronous orbit application, with continuous three-axis stabilization.
Das IUS-System besitzt folgende Vor- und Nachteile:The IUS system has the following advantages and disadvantages:
Vorteile:Advantages:
Nachteile:Disadvantage:
(a) Es vermag 5000 US-Pfund in eine Synchro-Äquatorial-Umlaufbahn zu bringen.(a) It can put 5000 pounds in synchro-equatorial orbit bring.
(b) Drei-Achsen-Stabilisierung(b) three-axis stabilization
(a) Hohe Schubpegel(a) High levels of thrust
(b) Es nimmt 16 Fuß 4 Zoll der Raumfährenladeraumlänge ein.(b) It takes 16 feet 4 inches of space shuttle hold length a.
(c) Es bietet nur geringe Möglichkeiten zur Aufdeckung von Fehlabschußproblemen vor der Entfernung aus der Raumfährenumlaufbahn.(c) It offers little opportunity to detect misfire problems prior to removal from space shuttle orbit.
(d) Das Gewicht des Raumfahrzeugs muß sehr frühzeitig innerhalb des Programms festgelegt werden, zur Auslegung der Peststofftriebwerke.(d) The weight of the spacecraft must be taken very early in the program for the design of the pesticide engines.
Der vorliegenden Erfindung liegen, im Sinn einer maximalen Ausnutzung der Möglichkeiten der Raumfähre und weitestmöglicherThe present invention is aimed at maximum utilization the possibilities of the space shuttle and as far as possible
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Verringerung der Abschußkosten3 folgende Forderungen zugrunde:Reduction of the launch costs 3 based on the following requirements:
(a) Sämtliche Ansätze bzw. Anhängsel des Raumfahrzeugs bzw. Satelliten sollen noch in der Raumfährenumlaufbahn ausgefahren werden können. Das Raumfahrzeug kann dann entweder von der Raumfähre aus oder vom Boden aus durchgeprüft werden. Falls die Kontrolle nicht zur Freigabe führt, kann das Raumfahrzeug wieder aufgenommen und zur Reparatur zurückgebracht werden. Falls alles in Ordnung ist, kann das Raumfahrzeug mit niedrigen Schubpegeln im weiterhin ausgefahrenen Zustand der Ansätze bzw. Anhängsel in Umlaufbahnen höherer Energie gebracht werden.(a) All attachments or appendages of the spacecraft or satellite are to be extended while still in space shuttle orbit can be. The spacecraft can then be tested either from the space shuttle or from the ground. If the inspection does not result in clearance, the spacecraft can be resumed and returned for repair. If everything is in order, the spacecraft can operate at low thrust levels with the approaches still extended or appendages are brought into orbits of higher energy.
(b) Die obere oder Schubstufe soll nur eine pringstmögliche Länge des Laderaums einnehmen, unter maximaler Ausnutzung der auf einen Durchmesser von 15 Fuß standardisierten Raumfähren-Laderaumbucht .(b) The upper or thrust stage should only be as quick as possible Take up the length of the hold, making maximum use of the space shuttle hold bay standardized to a diameter of 15 feet .
In den Figuren 4 bis 7 sind vier Konfigurationen bzw. Anordnungen eines SPM-Satellitenantriebsmoduls ("Satellite Propulsion Module") veranschaulicht, der mit flüssigem Treibmittel arbeitet und entweder als integrale Einheit oder als Anhängeeinheit an ein Raumfahrzeug bzw. einen Satelliten 10 angekoppelt werden kann, anstelle der derzeit geplanten IUS ("Zwischen-Oberstufe") mit Feststofftriebwerken. Gemäß Fig. besteht der mit 12 bezeichnete obere Stufenmodul aus einer Anzahl von Treibstoff und Oxydationsmittel ("oxidizer") enthaltenden Treibstofftanks 13, welche in die Hülle der Abschußraumfähre passen und gleichzeitig nur einen sehr geringen Teil der Länge der Raumfährenladebucht einnehmen. In der Mitte oder nahe der Mitte der Stufe ist ein Schubtriebwerk oder ein Bündel von Schubtriebwerken angeordnet. Treibstoff und Oxydationsmittel werden dem Schubtriebwerk-Bündelaggregat über geeignete Ventile zugeführt, welche durch ein in Gestalt des Kastens 15 angedeutetes elektronisches Führungs- bzw. Leitsystem gesteuert werden.In Figures 4 through 7 are four configurations an SPM satellite propulsion module ("Satellite Propulsion Module ") illustrates the one with liquid propellant works and either as an integral unit or as an attachment unit to a spacecraft or a satellite 10 can be coupled instead of the currently planned IUS ("intermediate upper stage") with solid fuel propulsion systems. According to Fig. the upper stage module, designated 12, consists of a number of fuel and oxidizing agents ("oxidizer") containing Fuel tanks 13, which fit into the shell of the launch space shuttle and at the same time only a very small one Occupy part of the length of the space shuttle cargo bay. In the middle or near the middle of the stage is a thrust engine or a bunch of thrusters arranged. Fuel and oxidizing agent are transferred to the thrust engine bundle unit suitable valves supplied, which by an indicated in the form of the box 15 electronic guidance or control system being controlled.
Die Zufuhr von Treibstoff und Oxydationsmitteln aus den TanksThe supply of fuel and oxidants from the tanks
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13 zum Triebwerk erfolgt mittels Gas, das in Hochdruckgastanks 16 gespeichert ist. Die Freisetzung und der Druck des Gases werden in Abhängigkeit vom Treibstoffverbrauch gesteuert. Das Oxydationsmittel, beispielsweise Stickstofftetraoxid (NpO11), und der Treibstoff, beispielsweise Monomethylhydrazin (MMH), werden in der Kammer des Schubtriebwerks gemischt, wo eine hypergolische Reaktion stattfindet. Das hierbei erzeugte Gas hohen Drucks und hoher Temperatur wird sodann durch die Schubdüsen unter Schuberzeugung ausgestoßen. Durch Steuerung der Treibstoff- und Oxidizerströmung mittels Ventilen kann das Schubtriebwerk viele Male abgeschaltet und wieder gezündet werden.13 to the engine takes place by means of gas that is stored in high-pressure gas tanks 16. The release and the pressure of the gas are controlled depending on the fuel consumption. The oxidizing agent, for example nitrogen tetraoxide (NpO 11 ), and the fuel, for example monomethylhydrazine (MMH), are mixed in the chamber of the thrust engine, where a hypergolic reaction takes place. The high pressure and high temperature gas generated in this way is then ejected through the thrust nozzles while generating thrust. By controlling the flow of fuel and oxidizer by means of valves, the thrust engine can be switched off and re-ignited many times.
Die Fluglage der Stufe wird durch Fluglage-Schubgeber bzw. -erzeuger 17 gesteuert. Die Bestimmung der Fluglage und die Betätigung der Schubgeber erfolgen durch die Leitsteuerelektronik. Falls dies für bestimmte Missionen erwünscht ist, könnte auch eine Drallstabilisierung vorgesehen werden.The attitude of the stage is controlled by attitude thrusters 17. The determination of the attitude and the The thrusters are actuated by the control electronics. If this is desired for certain missions, a twist stabilization could also be provided.
An dem den Schubtriebwerken 14 gegenüberliegenden Ende des Satellitenantriebsmoduls kann ein oder mehrere Raumfahrzeug^) mit dem Antriebsmodul gekoppelt sein. Sobald der Antriebsmodul und das Raumfahrzeug aus der Raumfähre 11 ausgestoßen sind, können die Raumfahrzeuganhängsel bzw. -ansätze, wie beispielsweise Solarzellenaggregate 18, Antennen 19 oder beliebige sonstige Aggregate, ausgefahren werden und das Raumfahrzeug durchgeprüft werden. Führt die Kontrolle nicht zur Freigabe, so kann das Raumfahrzeug wieder in die Raumfähre aufgenommen und zur Reparatur auf die Erde zurückgebracht werden. Falls das Raumfahrzeug ordnungsgemäß arbeitet, würde dann der Satellitenantriebsmodul das Raumfahrzeug bei niedrigem Schubpegel in eine Umlaufbahn höherer Energie anheben, wie w.u. noch im einzelnen erläutert wird, d.h. bei einem Schubpegel, bei welchem die ausgefahrenen Raumfahrzeuganhängsel nicht beschädigt würden.At the end of the satellite drive module opposite the thrust engines 14, one or more spacecraft ^) be coupled to the drive module. As soon as the drive module and the spacecraft ejected from the space shuttle 11, the spacecraft appendages such as Solar cell units 18, antennas 19 or any other units, are extended and the spacecraft be checked. If the control does not lead to clearance, the spacecraft can be taken back into the space shuttle and brought back to earth for repair. If the spacecraft is working properly, then the satellite propulsion module would Raise the spacecraft into a higher energy orbit at low thrust, as shown below. will be discussed in detail, i.e. at a thrust level at which the deployed spacecraft appendages are not would be damaged.
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Bei der Ausführung gemäß Fig. 4 weist der Oberstufenmodul vier Tanks 13 für Treibstoff und vier Tanks für Oxydationsmittel ("oxidizer") auf. Diese Konfiguration könnte für schwere Raumfahrzeuge Anwendung finden. Beispielsweise könnte mit einer derartigen Anordnung ein Raumfahrzeug von 5000 US-Pfund direkt in eine Synchron-ÄquatorialTÜmlaufbahn gebracht werden. Die derzeitige Feststoffmotor-Zwischen-Oberstufe (Feststofftriebwerk-IUS) besitzt etwa die gleiche Leistungsfähigkeit. Wie aus Fig. 3 ersichtlich nimmt das IUS 16 Fuß 4 Zoll im Laderaum des Raumfährenrumpfes 22 ein. Der SPM oder Satellitenantriebsmodul 12 gemäß der Erfindung nimmt nur 8 Fuß Länge im Raumfährenladeraum ein. Bei einem derzeitig angegebenen Kostenniveau von annähernd $ 500.000 pro Fuß Laderaum und je Abschuß würde durch den erfindungsgemäßen SPM-Modul 12 etwa ein Betrag von US 2 4.000.000 je Abschuß gespart.In the embodiment according to FIG. 4, the upper stage module four tanks 13 for fuel and four tanks for oxidizer ("oxidizer"). This configuration could be used for heavy spacecraft find application. For example, with such an arrangement, a £ 5,000 spacecraft be brought directly into a synchronous equatorial TÜmlaufbahn. The current solid motor intermediate upper stage (Solid propulsion IUS) has about the same performance. As can be seen in FIG. 3, the IUS occupies 16 feet 4 inches in the hold of the space shuttle fuselage 22. The SPM or satellite propulsion module 12 according to the invention occupies only 8 feet in length in the space shuttle hold. With one at the moment stated cost level of approximately $ 500,000 per foot of hold and per launch would be achieved by the SPM module of the present invention 12 saved approximately an amount of US 2 4,000,000 per kill.
Fig. 5 veranschaulicht einen Oberstufenmodul (US Modul) 12a mit vier Tanks; dieser Modul könnte dazu verwendet werden, um eine kleinere oder mittlere Nutzlast in eine Umlaufbahn zu bringen. Auch andere Kombinationen sind möglich. Falls schwere Nutzlasten benötigt werden, könnten zwei Ringe von Tanks zu einem USM (upper stage module) 12b, wie in Fig. ersichtlich, oder drei Ringe von Tanks zu einem USM 12c gemäß Fig. 7 zusammengefügt werden. Auf diese Weise kann durch Entfernung oder zusätzliche Anbringung von Moduleinheiten oder Tanks in einem Modul minimalen bzw. maximalen Nutzlastgewichten Rechnung getragen werden.Fig. 5 illustrates an upper stage module (US module) 12a having four tanks; this module could be used to to put a small or medium-sized payload into orbit. Other combinations are also possible. If heavy payloads are required, two rings of tanks could form a USM (upper stage module) 12b, as shown in Fig. can be seen, or three rings of tanks are joined together to form a USM 12c according to FIG. That way you can get through Removal or additional attachment of modular units or tanks in a module with minimum or maximum payload weights To be taken into account.
Die Verwendung von Zwei-Komponenten-Treibmitteln wie beispielsweise NpOj, und MMH für Raketenantriebe ist selbstverständlich eine bekannte und wohlerprobte Technik. Auch die Anwendung von modulartigen Antriebsaggregaten bzw. Triebwerken ist im Stand der Technik dokumentiert, vgl. US-Patentschrift 3,286,629. Jedoch wurde bisher nicht ins Auge gefaßt, die günstigen Eigenschaften von Flüssigtreibstoffen vorteilhaftThe use of two-component propellants such as NpOj, and MMH for rocket propulsion is of course a known and well-tested technique. The use of modular drive units or engines is also documented in the prior art, see US Pat. No. 3,286,629. However, it has not heretofore been envisaged that the beneficial properties of liquid fuels will be beneficial
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zur maximalen Ausnutzung der Raumfähre und zur Verbringung eines Raumfahrzeugs im ausgefahrenen Zustand in Umlaufbahnen höherer Energie auszunutzen.for maximum utilization of the space shuttle and for placing a spacecraft in orbit when extended utilize higher energy.
Die Vorteile aus der Anwendung des erfindungsgemäßen SPM oder Satellitenantriebsmodulsystems lassen sich wie folgt aufzählen:The advantages of using the SPM according to the invention or Satellite propulsion module systems can be enumerated as follows:
(a) Das erfindungsgemäße System gestattet die Verwendung von Triebwerken niedriger Schubkraft (100 bis 1000 US-Pfund Schubkraft), so daß die Ansätze bzw. Ausklappteile (Anhängsel) des Raumfahrzeugs schon ausgefahren werden können, während das Fahrzeug sich noch in der Raumfähren-Umlaufbahn befindet. Sie brauchen auch vor dem übergang zu Umlaufbahnen höherer Energie nicht wieder eingezogen zu werden.(a) The system of the present invention allows use of low thrust engines (100 to 1000 US pounds of thrust) so that the approaches or fold-out parts (appendages) of the spacecraft can already be extended while the vehicle is in motion is still in space shuttle orbit. You also need to transition to orbits higher energy not to be drawn in again.
(b) Das Raumfahrzeug kann voll durchgeprüft und erforderlichenfalls wieder von der Raumfähre aufgenommen werden.(b) The spacecraft can be fully checked and if necessary to be picked up again from the space shuttle.
(c) Die Stufe ist flexibel hinsichtlich der Verbringung der leichtesten und schwersten Nutzlast in die Umlaufbahn, indem entsprechend mehr Brennstoff geladen oder zusätzliche Tanks zugefügt werden.(c) The stage is flexible in terms of placing the lightest and heaviest payload into orbit, by loading more fuel or adding additional tanks.
(d) Die Stufe nimmt für Nutzlasten von bis zu 5000 US-Pfund Synchron-Umlaufbahn oder gleichwertige Nutzlasten weniger als 8 Fuß Länge in der Lastraumbucht der Raumfähre ein. Für höhere Leistungsanforderungen können jeweils zusätzliche Antriebsmodule von jeweils weniger als 8 Fuß Platzbedarf (in der Länge) zugefügt werden.(d) The stage takes for payloads up to 5,000 pounds in synchronous orbit or equivalent payloads less than 8 feet in length in the space shuttle's cargo bay. For higher performance requirements additional drive modules, each less than 8 feet in length, can be installed be added.
(e) Der Satellitenantriebsmodul kann so ausgebildet sein,(e) The satellite propulsion module can be designed in such a way that
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daß er unter der Nutzlast sitzt und so eine vertikale Stapelung in der Lastraumbucht der Raumfähre gestattet.that it sits under the payload and so a vertical stacking in the cargo bay of the space shuttle allowed.
(f) Der Satellitenantriebsmodul kann das Raumfahrzeug direkt in eine Synchron-Äquatorial-Umlaufbahn (oder jede beliebige anderweitige Umlaufbahn) verbringen, ohne daß hierfür ein Apogäum-Triebwerk in dem Raumfahrzeug benötigt wird.(f) The satellite propulsion module can direct the spacecraft into synchronous equatorial orbit (or any other orbit) without the need for an apogee engine in the spacecraft is needed.
(g) Der Satellitenantriebsmodul kann entweder mit Dreiachsenstabilisierung über sein eigenes Steuersystem oder vermittels des Steuersystems einer dreiachsenstabilisierten Satellitennutzlast arbeiten oder schließlich auch mit Drallstabilisierung.(g) The satellite propulsion module can be either with three-axis stabilization via its own control system or by means of the control system of a three-axis stabilized one Satellite payload work or finally with spin stabilization.
(h) Das Nutzlastgewicht braucht erst zu einem sehr spaten Zeitpunkt in dem Programm festgelegt zu werden, nachdem das Raumfahrzeug gebaut ist. Noch zu einem sehr späten Zeitpunkt sind Gewichtsänderungen möglich, durch einfache Änderung der Brennstofflast.(h) The payload weight takes a very long time Time to be set in the program after the spacecraft is built. Another one Weight changes are possible at a very late point in time simply by changing the fuel load.
(i) Unter Zugrundelegung einer Leitsteuerelektronik in Form eines Mikroprozessors und der vorhersehbaren Leistungsfähigkeit eines "Tracking and Data Relay Satellite System (TDRSS)" (Kursfuhrungs- und Daten-Relais-Satelliten-System), kann der Satellitenantriebsmodul jederzeit vorprogrammiert, umprogrammiert bzw. zu direkter Befehlssteuerung übergegangen werden, um jedes denkbare Plugmanöver auszuführen: - Rückkehr in eine Raumfähren-Einfangumlaufbahn, falls nach einem Teil der Fahrt irgendein Störzustand an einem in eine Umlaufbahn zu transportierenden Satelliten auftritt;(i) Based on a master control electronics in the form of a microprocessor and the foreseeable Performance of a "Tracking and Data Relay Satellite System (TDRSS)" (course guidance and data relay satellite system), the satellite drive module can be preprogrammed, reprogrammed or switched to direct command control at any time to perform every conceivable plug maneuver: - Return to a space shuttle capture orbit, if, after a part of the journey, there is any disturbance on one to be transported into orbit Satellite occurs;
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- VT- - VT-
- Aufstieg in die Umlaufbahn eines zuvor plazierten Satelliten, um diesen zurückzugewinnen oder an ihn zur Durchführung einer Fluglagekontrolle anzukoppeln, falls der zuvor in Stellung gebrachte Satellit zwar noch vollständig funktionsfähig ist, jedoch keinen Brennstoff mehr besitzt und/ oder um ihn in eine andere Umlaufbahn oder an irgendeine andere Stelle in der gleichen Umlaufbahn zu verbringen;- Ascent into orbit of a previously placed satellite in order to regain it, or to be coupled to him for carrying out an attitude control, if the one previously brought into position The satellite is still fully functional, but no longer has any fuel and / or to put it in another orbit, or any other place in the same orbit to spend;
- Verbringung von Teilen extrem großer Aggregate an jede beliebige Stelle;- Moving parts of extremely large units to any location;
- Reorientierung des Satelliten während der Aufstiegsphase in eine höhere Umlaufbahn zur Durchführung - Reorientation of the satellite during the ascent phase to a higher orbit for implementation
von Funktionsfähigkeitstests und/oder Wärmekon-of functionality tests and / or heat con-
zu
trollen oder Leistungskonditionierungszwecken.to
trolling or performance conditioning purposes.
(j ) Eine besondere Anwendungsmöglichkeit mit offensichtlichen Vorteilen bestünde darin, daß man den Satellitenantrieb smodul gemäß der Erfindung anstelle der Zwischen-Oberstufe (IUS = Intermediate Upper Stage) für ein Kursführungs- und Daten-Relais-Satelliten-System (TDRSS = Tracking and Data Relay Satellite System) verwendet.(j) A special application with obvious Advantages would be that the satellite drive module according to the invention instead of Intermediate Upper Stage (IUS) for a course guidance and data relay satellite system (TDRSS = Tracking and Data Relay Satellite System) is used.
(k) Der erfindungsgemäße Satellitenantriebsmodul würde die wirtschaftliche Verbringung von Nutzlasten von einer Eastern Test Range (Florida East Coast) Abschüßstelle an der Ostküste von Florida in eine Polar-Umlaufbahn ermöglichen.(k) The satellite propulsion module of the present invention would the economic transfer of payloads from an Eastern Test Range (Florida East Coast) launch site on the east coast of Florida into polar orbit.
Im folgenden wird nun die Anwendung eines erfindungsgemäßen SST/SPM Systems (space shuttle and satellite propulsion module; Raumfähren- und Satellitenantriebsmodulsystem) zur Verbringung eines Raumfahrzeugs oder eines Satelliten in eine hohe Umlaufbahn oder eine Erdentweich-Trajektorie im einzelnen beschrieben.The application of an SST / SPM system according to the invention (space shuttle and satellite propulsion module; Space shuttle and satellite propulsion module system) for shipment of a spacecraft or satellite in high orbit or an earth escape trajectory.
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285Q920285Q920
Hierzu wird wieder auf die bereits zu Beginn der Figurenbeschreibung kurz in Betracht gezogene Fig. 1 Bezug genommen,For this purpose, reference is made to that already at the beginning of the description of the figures Referring to briefly considered Fig. 1,
In Fig. 1 entsprechen die auf die Erddarstellung bezogenen römischen Ziffern I bis V jeweils verschiedene Vorgänge bzw. Stufen im Verlauf eines hypothetischen Starts einer Raumfähre mit Satelliten von einer Abschußstelle sowie die nachfolgenden Umläufe des Satelliten durch eine Reihe von Überführungs-'rbitalbahnen in die endgültige Umlaufbahn. Die Aufeinanderfolge der Vorgänge kann wie folgt programmiert sein:In Fig. 1, the Roman numerals I to V related to the earth representation correspond to different processes or processes. Stages in the course of a hypothetical launch of a space shuttle with satellites from a launch site and the following Orbits the satellite through a series of overpass orbital orbits into final orbit. The sequence of operations can be programmed as follows be:
I.
II.I.
II.
Stunde 0 Abheben der Raumfähre von der Abschußstelle; Hour 0 Lift off of the space shuttle from the launch site;
Stunde 2 Raumfähren-Parkierumlaufbahn in2 hour space shuttle parking orbit in
160 Seemeilen Höhe mit 28,5° Neigung;160 nautical miles high with an incline of 28.5 °;
- Austritt des Raumfahrzeugs bzw. Satelliten aus der Raumfähre;- Exit of the spacecraft or satellite from the space shuttle;
- Ausfahren der ausklappbaren Ansätze bzw. Anhängsel;- Extending the fold-out approaches or appendages;
- überprüfung der Systeme des Satelliten und des SPM (Satelliten-Antriebs-Modul); - Checking the systems of the satellite and the SPM (Satellite Propulsion Module);
Stunde 5-6 Brennzündungen des Haupttriebwerkbündels jeweils - 20° vom Perigäum, etwa 22 Brenndauern von jeweils 9 Minuten;*) Hour 5-6 burnings of the main engine bundle each - 20 ° from the perigee, approx. 22 burn times of 9 minutes each; *)
Tag 3-7 fortgesetzte Kontrollüberprüfung desDay 3-7 continued control check of the
Satelliten während der Zwischen-Umlaufbahnen; Satellites during intermediate orbits;
Tag 4-8 Apogäum-Zündung zur Umwandlung in eine Kreisbahn und Beseitigung der Inklination - 75 Minuten;Day 4-8 apogee ignition to convert to one Orbit and elimination of inclination - 75 minutes;
) Die Dauer der einzelnen Brennzündungen kann auch vergrößert werden, unter gleichzeitiger Verringerung der erforderlichen Anzahl von Brennzündungen. ./.) The duration of the individual burns can also be increased under at the same time reducing the number of burnings required. ./.
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dem Abheben de:taking off de:
Ereignis I - Die Raumfahrtmission beginnt mit dem Abheben der Raumfähre von einer Abschußstelle, wie etwa dem National Aeronautics and Space Administration's Eastern Test Range auf Cape Canaveral, Florida auf einer Breite von 28°28' N nördlich des Äquators.Event I - The space mission begins when the shuttle lifts off from a launch site, such as the National Aeronautics and Space Administration's Eastern Test Range on Cape Canaveral, Florida at a latitude of 28 ° 28'N north of the equator.
Ereignis II - Etwa zwei Stunden nach dem Abheben erreicht die Raumfähre eine Parkier-Umlaufbahn l60 Seemeilen über der Erde mit einer Orbitalneigung von 28,5°. Während sich die Raumfähre in dieser Parkier-Umlaufbahn befindet, wird das Raumfahrzeug oder der Satellit aus der Lastraumluke der Raumfähre ausgefahren bzw. ausgeworfen; man läßt das Raumfahrzeug bzw. den Satelliten etwas von der Raumfähre abdriften. Die ausfahrbaren Ansätze, wie beispielsweise Antennen, Solarzellentafeln, Kameraausleger u.dgl. werden ausgestreckt, während sich der Satellit noch in Sichtbeobachtungsreichweite der Raumfährenbesatzung befindet. Das Satellitsystem und der Satellitantriebsmodul werden einer Kontrollprüfung unterzogen, um festzustellen, ob irgendeine Störung während dem Raumfährenstart aufgetreten ist.Event II - About two hours after take off, the space shuttle enters a parking orbit 160 nautical miles above the earth with an orbital inclination of 28.5 °. While the space shuttle is in this parking orbit, the spacecraft will or the satellite extended or ejected from the cargo hold hatch of the space shuttle; leave the spacecraft or satellite drift away from the space shuttle. The extendable approaches, such as antennas, solar panels, camera booms and the like are extended while the satellite is still in Visual observation range of the space shuttle crew is located. The satellite system and the satellite propulsion module become one Checked to see if any malfunction occurred during the shuttle launch.
Ereignis III - Zu einem vorgegebenen Zeitpunkt, beispielsweise etwa 5 bis 6 Stunden nach Missionsbeginn, werden die Haupttriebwerke 14 des Satelliten gezündet. Die Haupttriebwerksbrenndauer erstreckt sich nominell über einen Bogen entsprechend 20 vor und 20° nach dem Perigäum. Die Brenndauer beträgt nominell 9 Minuten. Die Haupttriebwerkszündung bewirkt, daß der Satellit in die erste seiner elliptischen Überfuhr-Umlaufbahnen verbracht wird, welche ihn schließlich in die gewünschte End-Umlaufbahn führen.Event III - At a specified time, for example about 5 to 6 hours after the start of the mission, the main engines will be activated 14 of the satellite ignited. The main engine burn time extends nominally over an arc corresponding to 20 in front and 20 ° after perigee. The burn time is nominally 9 minutes. The main engine ignition causes the satellite is brought into the first of its elliptical transfer orbits, which will eventually bring it into the desired final orbit to lead.
Der Schubpegel, welchen die für die Zwecke der Erfindung verwendeten Haupttriebwerke dem Satelliten erteilen, ist auf den Bereich von 100 US-Pfund bis 1000 US-Pfund begrenzt, je nach der Satellitennutzlast und der Anzahl und Größe der Triebwerke. Nachdem der Schubpegel für einen speziellen Satelliten einmalThe level of thrust used for the purposes of the invention Powering main engines to the satellite is limited to the range of 100 US pounds to 1000 US pounds, depending on the satellite payload and the number and size of the engines. After the thrust level for a particular satellite once
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festgelegt ist, wird er konstant gehalten, derart daß die Beschleunigung des Satelliten größer als 0,01 g zu Beginn der Schubphase ist, jedoch 0,3 g am Ende der Schubphase nicht übersteigt. Innerhalb dieses Beschleunigungsbereichs brauchen die ausgefahrenen Ansätze bzw. Anhängsel des Satelliten nicht wieder eingezogen zu werden, wenn der Satellit jeweils in die nächst höheren Umlaufbahnen gebracht wird. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß zwar der Schubpegel während der jeweiligen HaupttriebwerksZündungen jeweils konstant bleibt und so die Beschleunigung des Satelliten begrenzt wird, daß jedoch der jeweilige dem Satelliten erteilte Stufen-SchubimpulsZuwachs (incremental thrusting impulse) veränderbar bzw. regelbar ist, durch Änderung der Dauer der Triebwerkszündung oder entsprechende Wahl der verwendeten Anzahl von Triebwerken. Der erwähnte Stufen-SchubimpulsZuwachs ist das Produkt aus dem Schubpegel mit der Dauer der Triebwerkszündung.is set, it is kept constant such that the acceleration of the satellite is greater than 0.01 g at the beginning of the Push phase, but does not exceed 0.3 g at the end of the push phase. Need within this acceleration range the extended approaches or appendages of the satellite not to be retracted again when the satellite is in each case next higher orbits is brought. It should be noted, however, that while the thrust level during the respective Main engine ignition remains constant and so the acceleration of the satellite is limited, however the respective incremental thrust impulse given to the satellite (incremental thrusting impulse) is changeable or controllable by changing the duration of the engine ignition or corresponding Choice of the number of engines used. The mentioned step-thrust-impulse-increase is the product of the Thrust level with the duration of the engine ignition.
Ereignis IV - Während einer Periode von drei bis sieben Tagen wird der Satellit in Umlaufbahnen zunehmend höherer Energie verbracht, wobei jeweils jedes Orbit annähernd das gleiche Perigäum, jedoch ein zunehmend erdferneres Apogäum als das vorhergehende Orbit besitzt. In dem angenommenen hypothetischen Beispiel sind die HaupttriebwerksZündungen mit annähernd 22 Zündungen von jeweils 9 Minuten Dauer tabuliert. Selbstverständlich kann die Dauer der einzelnen TriebwerksZündungen erhöht und hierdurch die erforderliche Gesamtzahl von Triebwerkszündungen verringert werden. Während dieser Periode kann die Kontrollüberprüfung des Satelliten fortgesetzt werden; im Fall einer Punktionsstörung könnte es sogar möglich sein, den Satelliten wieder in die Raumfähren-Parkierumlaufbahn zurückzubringen, zur Wiederaufnahme und Rückführung auf die Eide. Außerdem können in einfacher Weise Pehlerkorrekturen in den -aufeinanderfolgenden Orbits durchgeführt werden, da die Bewegung des Satelliten in Richtung auf seine endgültige Orbitalumlaufbahn oder Erdentweichtrajektorie verhältnismäßigEvent IV - During a period of three to seven days, the satellite becomes progressively higher in energy in orbits spent, with each orbit having approximately the same perigee, but an increasingly distant apogee than that previous orbit. In the assumed hypothetical example, the main engine firings are approximately 22 ignitions of 9 minutes each tabulated. Of course, the duration of the individual engine ignitions increased, thereby reducing the total number of engine firings required. During this period you can the control check of the satellite will continue; in the case of a puncture disorder it might even be possible bring the satellite back into space shuttle parking orbit, for resumption and return to the oath. In addition, error corrections can be made in a simple manner in the successive orbits, as the movement of the satellite is towards its final Orbital orbit or earth escape trajectory proportionally
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langsam erfolgt, im Gegensatz zu einer Em-Schuß-Uberführungs-Umlaufbahn (one-shot transfer orbit). Schätzungsweise bewirken die dem Satelliten jeweils unter konstantem Schubpegel und konstanter Brenndauer erteilten Stufen-Schubimpulszuwachse jeweils einen Geschwindigkeitsanstieg in der Größenordnung von 300 Fuß pro Sekunde; dies hat den Vorteil, daß eine, zwei, drei oder sogar noch mehr ungenaue Brenndauern nicht zu einer nicht mehr beherrschbaren, nicht mehr wiedergutzumachenden Situation führen.done slowly, as opposed to an Em-shot transfer orbit (one-shot transfer orbit). It is estimated that they cause the satellite to have a constant thrust level and constant burning time given incremental thrust pulse increases each an increase in speed on the order of 300 feet per second; this has the advantage that one, two, three or even more imprecise burning times do not result in one that is no longer controllable, irreparable Lead situation.
Gegebenenfalls kann während der letzten Perigäum-Triebwerkszündung ausreichend Energie zur Erzielung der Entweichgeschwindigkeit zugeführt werden.If necessary, during the last perigee engine ignition sufficient energy to achieve the escape speed can be supplied.
Ereignis V - Nach 4 bis 8 Tagen wird eine elliptische Umlaufbahn mit einem Apogäum erreicht, das im wesentlichen der von dem Satelliten einzuhaltenden endgültigen gewünschten Umlaufbahnlage entspricht. In diesem Apogäum werden die Haupttriebwerke gezündet, um den Satelliten in eine kreisförmige Umlaufbahn zu bringen und die Orbitalneigung zu beseitigen. Dies kann 75 Minuten in Anspruch nehmen.Event V - After 4 to 8 days, an elliptical orbit is reached with an apogee essentially that of corresponds to the final desired orbit position to be maintained by the satellite. In this apogee the main engines become detonated to bring the satellite into circular orbit and remove orbital tilt. This can take up to 75 minutes.
Kurz zusammengefaßt lassen sich einige der hauptsächlichen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens der Verbringung eines Satelliten aus einer Raumfähre in seine Umlaufbahn mittels eines Satellitenantriebsmoduls niedriger Schubkraft wie folgt darstellen:Briefly summarized, some of the main advantages of the inventive method of moving a Satellite from a space shuttle into orbit using a low thrust satellite propulsion module as follows represent:
1. Die Nutzlastkonstruktion des Satelliten wird keinen durch hohe Beschleunigung induzierten Belastungen ausgesetzt und kann daher leichter als bei Verwendung mit anderen Oberstufen ausgebildet werden.1. The payload structure of the satellite is not and can not be subjected to loads induced by high acceleration therefore more easily trained than when used with other advanced levels.
2. Alle Satelliten-Ansatzvorrichtungen bzw. Anhängsel bzw. ausklappbare Teile,.wie beispielsweise Antennen, Solarzellen-Paneele oder dergleichen, können ausgefahren werden, während2. All satellite attachment devices or attachments or fold-out parts, such as antennas, solar cell panels or the like, can be extended while
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sich die Raumfähre in einer nahegelegenen Parkierungs-Umlaufbahn befindet, aus welcher die Raumfährenbesatzung das Ausfahren der Ansätze beobachten kann, wobei während dieser Zeit mechanische und elektrische Kontrollprüfungen durchgeführt werden. Dies ermöglicht erforderlichenfalls einen Wiedereinfang des Satelliten zur Reparatur oder Rückführung zur Erde, was nicht möglich ist, wenn ein Satellit in eine einzige überführung3Umlaufbahn hoher Energie zur überbringung in die endgültige UmI ufbahn oder eine Entweichtrajektorie gebracht wird.the space shuttle is in a nearby parking orbit is located, from which the space shuttle crew can observe the extension of the approaches, during which time mechanical and electrical control tests are carried out. This enables recapture if necessary of the satellite for repair or return to Earth, which is not possible when a satellite is in a single transfer3 orbit high energy is brought into the final orbit or an escape trajectory for transfer.
3. Die langsame, schrittweise Überführung des Satelliten aus der niedrigen Erdumlaufbahn in die endgültige Umlaufbahn oder Entweichtrajektorie verringert die Auswirkungen und ermöglicht die Korrektur von Ungenauigkeiten in der räumlichen oder zeitlichen Auslösung und in der Dauer der Haupttriebwerkszündung .3. The slow, gradual transfer of the satellite from low earth orbit to final orbit or escape trajectory reduces the impact and allows the correction of inaccuracies in the spatial or temporal triggering and in the duration of the main engine ignition .
4. Die Gesamtdauer der Mission von 4 bis 8 Tagen liegt noch weit unterhalb der Grenze von zwei Wochen, die als optimales Maximum für den Durchgang durch die die Erde umgebenden van-Allen-Strahlungsgürtel gilt, wodurch Auswirkungen der Strahlung auf elektronische Bauteile des Satelliten weitgehend verringert werden.4. The total duration of the mission of 4 to 8 days is still left well below the limit of two weeks, which is considered to be the optimum maximum for passage through those surrounding the earth van Allen radiation belt applies, eliminating effects of the Radiation on electronic components of the satellite can be largely reduced.
Die Erfindung wurde vorstehend anhand bevorzugter Ausführungen beispiele erläutert, die jedoch selbstverständlich in mannigfachen Einzelheiten abgewandelt werden können, ohne daß hierdurch der Rahmen der Erfindung verlassen wird.The invention has been described above on the basis of preferred embodiments examples explained, which of course can be modified in many details without this the scope of the invention is left.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren, nach welchem ein Raumfahrzeug Umlaufbahnen und/oder Trajektorien zunehmend höherer Energie einnimmt, indem dem Raumfahrzeug stufenweiseThe invention relates to a method according to which a spacecraft orbits and / or trajectories increase higher energy occupies by gradually moving the spacecraft
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Claims (1)
der Satellit von der Raumfähre gegebenenfalls für Reparaturzwecke oder Zurückführung zur Erde wieder aufgenommen
werden kann, daß man den Satelliten ohne die ausgefahrenen Ansätze wieder einzuziehen in die erste (III) einer Reihe von zunehmend größeren Überführungsumlaufbahnen verbringt und aufeinanderfolgend die Umlaufbahnen durch stufenweise oder inkrementelle Schubimpulsbeaufschlagung des Satelliten während jedes Umlaufs mit einem kontrollierten Schubpegel vergrößert, wobei der Schubpegel so kontrolliert wird,
daß die Beschleunigung des Satelliten bei Beginn der Schuberzeugung größer als 0,01 g und bei Beendigung der Schuberzeugung nicht größer als 0,3 g ist.Satellite moves out for visual observation from the launch vehicle, so that in the event of a puncture fault
the satellite will be picked up again from the space shuttle for repair purposes or return to Earth, if necessary
This can be achieved by taking the satellite into the first (III) of a series of increasingly larger transfer orbits without retracting the extended approaches and successively increasing the orbits by applying a controlled thrust level to the satellite during each orbit, whereby the thrust level is increased so is controlled,
that the acceleration of the satellite at the start of the thrust generation is greater than 0.01 g and at the end of the thrust generation is not greater than 0.3 g.
Stelle der Perigäumshöhe erfolgt.9. The method according to claim 8, characterized in that the individual transfer orbits are each elliptical orbits with substantially the same perigee height, and that the stepwise or incremental thrust pulse application in each case
Place of the perigee height takes place.
zwischen 100 und 1000 US-Pfund besitzt, je nach der Satellitenmasse und der Anzahl und Größe der Schubtriebwerke.10. The method according to one or more of the preceding claims, in particular according to claims 8 and 9, characterized in that the drive device has one or more engines with liquid fuel and that the amount of the thrust level has a value
Between 100 and 1,000 US pounds, depending on the mass of the satellites and the number and size of the thrusters.
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