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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen den Gleichgewichtsausgleich
von Dreheinheiten, und insbesondere den Ausgleich von dynamischem
Ungleichgewicht einer Drehbaugruppe, insbesondere an einem Fahrzeug,
wie ein Raumfahrzeug.
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Raumfahrzeuge
(zum Beispiel Satelliten) sind oft mit einer oder mehreren um die
Achse rotierenden Baugruppen ausgerüstet, die sich um eine Rotationsachse
drehen und die sich durch ein großes Trägheitsprodukt um die Rotationsachse
auszeichnen. Teleskopen und andere Instrumente können zum Beispiel an eine um
die Achse rotierende Plattform an einem Raumfahrzeug angebracht
und gegenüber
dem Raumfahrzeug gedreht sein. Andere Beispiele von Drehbaugruppen
umfassen Parabolantennen und -reflektoren, die ständig an
einer um die Achse rotierenden Plattform rotiert sind, üblicherweise
bei konstanter Geschwindigkeit gegenüber dem Raumfahrzeug. Einige
Drehbaugruppen zeichnen sich durch ein statisches Ungleichgewicht
und/oder ein dynamisches Ungleichgewicht aus. Ein statisches Ungleichgewicht
ist im Allgemeinen ein Ungleichgewicht in einer radialen Richtung
zur Rotationsachse, das als eine Kraft gekennzeichnet ist, die in
Bezug auf den Körper
der Drehbaugruppe fest in der Lage bleibt. Ein dynamisches Ungleichgewicht
ist im Allgemeinen als ein Moment gekennzeichnet, das ein Ergebnis
der Drehbaugruppe um eine andere Achse als eine Hauptachse ist.
Eine um eine Achse gedrehte asymmetrische Baugruppe, oder eine um eine
andere Achse als ihre Hauptachse gedrehte symmetrische Einheit neigt
im Allgemeinen dazu, sich durch ein dynamisches Ungleichgewicht
auszuzeichnen.
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Die
Anwesenheit eines dynamischen Ungleichgewichtsmoments wirkt sich
nachteilig auf die Stabilisierung eines Raumfahrzeuges in der Umlaufbahn aus,
indem es dazu neigt, das Raumfahrzeug dazu zu bringen, sich in Antwort
auf das Drehmoment zu bewegen, zum Beispiel zu schwanken. Folgendermaßen neigt
die Anwesenheit eines dynamischen Ungleichgewichts dazu, einen Ausrichtungsfehler des
Raumfahrzeuges hervorzurufen, der zusätzliche Stabilitätskontrolle
benötigt,
um das Raumfahrzeug in einer gewünschten
Lage in der Umlaufbahn zu halten. Eine Annäherung zur Vermeidung dynamischen Ungleichgewichts
umfasst derartiges Hinzufügen
von Gleichgewichtmasse zur Drehbaugruppe, dass ein gleiches aber
entgegengesetztes Moment bereit gestellt wird, um das dynamische
Ungleichgewichtsmoment auszugleichen. Das Hinzufügen von Gleichgewichtsmasse
weist jedoch verschiedene Nachteile auf, wozu erhöhte Größe und Gewicht
des Raumfahrzeuges zählen.
Außerdem
können
zulässige Hüllkurvenbedingungen
einschränken,
wo die Ausgleichsmasse hinzugefügt
werden kann. Wenn die Hüllkurvenbedingungen
streng sind, muss darüber hinaus
gegebenenfalls die Länge
des Kraftarms der Gleichgewichtsmasse reduziert werden, was folgendermaßen zu einer
Erhöhung
der Ausgleichsgewichte führt.
Als ein Ergebnis davon müssen
die Ausgleichsgewichte gegebenenfalls größer als die Masse sein, die
das anfängliche
Ungleichgewicht erzeugt.
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Demgemäß ist es
unter diesen Umständen erstrebenswert,
ein System bereit zu stellen, das dynamisches Ungleichgewicht einer
Drehbaugruppe an einem Fahrzeug, wie ein Raumfahrzeug, ausgleicht, das
sich nicht durch die Nachteile der bekannten vorherigen Annäherungen
auszeichnet. Es ist insbesondere erstrebenswert ein derartiges dynamisch
ausgeglichenes System bereit zu stellen, das der Drehbaugruppe keine
bedeutende Gewichtsmenge hinzufügt
und das strenge Hüllkurvenbedingungen
erfüllt.
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Die
US-Patentschrift
A4458554 offenbart
ein System zum Ausgleich von dynamischem Ungleichgewicht mit Hilfe einer
Masse mit einer Rotationsachse an rechten Winkeln zur Rotationsachse
eines Drehkörpers.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein System mit dem Ausgleich von dynamischem Ungleichgewicht
bereit gestellt, wobei das System Folgendes umfasst:
ein Tragelement;
eine
Dreheinheit, die am Tragelement und drehbar um eine Rotationsachse
hinsichtlich des Tragelements angebracht ist; und eine oder mehrere
Impulseinheiten, die an der Dreheinheit angebracht sind, wobei jede
Impulseinheit derart eine erste Impulsvektorkomponente senkrecht
zur Rotationsachse erzeugt, dass ein Ausgleichsmoment erzeugt wird, wenn
die Dreheinheit derart dreht, dass dynamisches Ungleichgewicht der
Dreheinheit ausgeglichen wird; dadurch gekennzeichnet, dass:
jede
Impulseinheit derart über
eine Kardaneinheit angebracht ist, dass die Anpassung des Lagewinkels ihres
Impulsvektors in einer Ebene parallel zur Rotationsachse der Dreheinheit
möglich
ist, und eine zweite Komponente des Impulsvektors parallel zur Rotationsachse
erzeugt, und wobei sie ebenfalls derart einen Regler für die Regelung
der Drehzahl und der Lage von jeder Impulseinheit umfasst, dass
sie ihren Impulsvektor steuert und den Ausgleich sowohl vom Impulsmoment,
als auch von dynamischem Ungleichgewicht der Dreheinheit erreicht.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Ausgleichen eines dynamischen
Ungleichgewichtssystems bereit gestellt, wobei das Verfahren die
folgenden Schritte umfasst:
Bereitstellen eines Tragelementes
mit einer Dreheinheit, die am Tragelement angebracht ist;
Drehen
der Dreheinheit um eine Rotationsachse hinsichtlich des Tragelements;
und
derartiges Erzeugen einer ersten Impulsvektorkomponente,
mit zumindest einer Impulseinheit, senkrecht zur Rotationsachse,
dass ein Ausgleichsmoment erzeugt wird,
jede Impulseinheit
derart über
eine Kardaneinheit angebracht ist, dass die Anpassung des Lagewinkels ihres
Impulsvektors in einer Ebene parallel zur Rotationsachse möglich ist,
und eine zweite Impulsvektorkomponente parallel zur Rotationsachse
erzeugt; und durch den folgenden Schritt:
derartige Regelung
der Drehzahl und der Lage von jeder Impulseinheit, dass sie ihren
Impulsvektor steuert und den Ausgleich sowohl vom Impulsmoment, als
auch von dynamischem Ungleichgewicht der Dreheinheit erreicht.
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Nachstehend
werden Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen
beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
Perspektivansicht eines Raumfahrzeuges, das mit zwei Drehinstrumentenbaugruppen
ausgerüstet
ist, die daran angebracht sind;
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2 eine
schematische Darstellung einer der Drehbaugruppen, die dynamisches
Ungleichgewicht aufweisen, wenn sich die Baugruppe um eine Rotationsachse
dreht;
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3 eine
schematische Darstellung einer Dreheinheit, die eine Impulseinheit
zum Ausgleich von dynamischem Ungleichgewicht gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung aufweist;
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4 eine
schematische Darstellung einer Dreheinheit, die ein Schnittpaar
von Impulseinheiten gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung aufweist;
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5 eine
schematische Darstellung einer Dreheinheit, die drei Impulseinheiten
gemäß ein dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung aufweist; und
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6 ein
Blockschaltbild, das ein Feedback-Steuersystem zum Kontrollieren von einer
oder von mehreren Impulseinheiten aufweist.
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Unter
Bezugnahme auf 1 wird ein Satelliten-Raumfahrzeug, wie
im Allgemeinen durch Block 18 angezeigt, mit um die Achse
rotierenden Instrumentenbaugruppen gezeigt, die eine um die Achse rotierende
Parabolantennen-Baugruppe 10 und eine um die Achse rotierende
Teleskop-Baugruppe 14 umfassen. Satelliten-Raumfahrzeuge
sind üblicherweise
mit einer oder mehreren um die Achse rotierenden Drehbaugruppen
ausgerüstet,
die um eine Rotationsachse drehen, um einen Abdeckungsbereich abzutasten.
Die Parabolantennen-Baugruppe 10 wird auf einer um die
Achse rotierenden Plattform 12 getragen, die die Parabolantennen-Baugruppe 10 um
eine Rotationsachse 11 hinsichtlich des Raumfahrzeuges 18 dreht.
Desgleichen wird die Teleskop-Baugruppe 14 auf einer um
die Achse rotierenden Plattform 16 getragen, die die Teleskop-Baugruppe 14 um
eine Rotationsachse 11 hinsichtlich des Raumfahrzeuges 18 dreht.
Die um die Achse rotierenden Plattformen 12 und 16 können gemäß einer Ausführungsform
motorangetrieben sein, um eine Spinrate Ω zu realisieren. Um die Achse
rotierende Baugruppen wie die Parabolantennen-Baugruppe 10 und
die Teleskop-Baugruppe 14 verfügen typischerweise über eine
große
Masse und werden bei einer Winkelgeschwindigkeit (das heißt Spinrate Ω) von beispielsweise
zwanzig bis vierzig Umdrehungen pro Minuten (U/Min.) gedreht. Zahlreiche
raumfahrzeugangebrachte um die Achse rotierende Baugruppen sind
typischerweise asymmetrisch um die rotierende Spinachse und zeichnen
sich folgendermaßen durch
ein dynamisches Ungleichgewicht aus. Die vorliegende Erfindung verwendet
eine oder mehrere Impulseinheiten, die an der drehbaren Baugruppe angebracht
sind, um ein Ausgleichsmoment zu erzeugen, um das dynamische Ungleichgewicht
auszugleichen.
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Eine
Darstellung von einer der Drehbaugruppen, wie die Parabolantennen-Baugruppe 10,
ist in 2 mit äquivalenten
Massendarstellungen für
die asymmetrische Konfiguration dargestellt. Die gezeigte Dreheinheit 10 verfügt über eine äquivalente
Masse m1 an einer vertikalen Impulshöhe x1 und eine Länge l1 versetzt
von der Rotationsachse 11. Zusätzlich verfügt die Dreheinheit 10 über eine äquivalente Masse
m2 an einer Impulshöhe x2,
die größer als
x1 ist, und eine Länge l2 versetzt
von der Rotationsachse 11. Es ist offensichtlich, dass,
wenn die Dreheinheit 10 um die Rotationsachse 11 mit
einer Spinrate Ω gedreht
ist, die äquivalente
Masse m1 Kraft F1 bei Impulshöhe x1 erzeugt, und Masse ms Kraft
Fs bei Impulshöhe x2 erzeugt.
Aufgrund des dynamischen Ungleichgewichts der Drehbaugruppe 10,
ist ein dynamisches Ungleichgewichtsmoment erzeugt (unter Verwendung
der Rechte-Hand-Regel). Wenn unausgeglichen verblieben, wird das
dynamische Ungleichgewichtsmoment zum Satelliten-Raumfahrzeug 18 übertragen
und kann folgendermaßen
zu einem Ausrichtungsfehler des Raumfahrzeuges führen.
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Die
vorliegende Erfindung verwendet eine oder mehrere Impulseinheiten
um ein Ausgleichsmoment zu erzeugen, das gleich und entgegengesetzt hinsichtlich
des dynamischen Ungleichgewichtsmoments ist, um das dynamische Ungleichgewicht
auszugleichen, ohne dass der Dreheinheit eine bedeutende Gewichtsmenge
hinzugefügt
werden muss.
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3 zeigt
die Dreheinheit 10 mit einer Impulseinheit, wie ein Drallrad 120,
die gemäß einer zweiten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung orientiert ist. Das Drallrad 120 ist
an der Dreheinheit 10 angebracht, entlang einer versetzten Achse,
die derart um einen Winkel δ vom
Drehwinkel 11 versetzt ist, dass sie den Y-Achsen-Impuls
kontrolliert und ebenfalls den Ausgleich von dynamischem Ungleichgewicht
bereit stellt. Der Impulsvektor h weist eine derartige Größe auf,
dass die Y-Achsen-Impulskomponente gleich h cos δ ist, während der Momentvektor gleich
h sin δ ist,
so dass das resultierende Ausgleichsmoment h gleich und entgegengesetzt
hinsichtlich des dynamischen Ungleichgewichts ist, das durch die
asymmetrische Anordnung der rotierenden Massen m1 und
m2 hervorgerufen ist. Das Drallrad 120 stellt
das notwendige Impulsmoment in der Y-Richtung bereit, um die Dreheinheit 10 zu
drehen, während
eine Komponente des Impulsmoments h den Ausgleich von dynamischem
Ungleichgewicht bereit stellt. Durch die passende Auswahl des Winkels δ und des
Winkelimpulsvektors h, können
sowohl der Ausgleich des Impulsmoments, als auch des dynamischen
Ungleichgewichts erreicht werden.
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Das
Drallrad 120 kann fest an der Dreheinheit 10 angebracht
sein oder über
eine Kardanbaugruppe (nicht dargestellt) angebracht sein, was die Anpassung
des Lagewinkels δ des
Drallrades 120 ermöglicht.
Demgemäß bestimmen
die Drehgeschwindigkeit des Drallrades 120, die Lage (Winkel δ) des Drallrades 120 und
die Größe des Drallrades 120 sowohl
die Größe des Impulsmoments
um die Y-Achse, als auch den Ausgleich von dynamischem Ungleichgewicht.
Ein Beispiel einer Impulseinheit umfasst eine Reaktionsrad-Baugruppe
(RWA). Es können
andere Drallräder
verwendet werden, um das erstrebte Impulsmoment und den erstrebten
Ausgleich von dynamischem Ungleichgewicht zu erreichen.
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4 zeigt
die Dreheinheit 10 mit einem Paar Impulseinheiten 220a und 220b gemäß einer dritten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Das Paar Impulseinheiten 220a und 220b kann
Drallräder
umfassen, die orientiert sind, um derart ein Schnittpaar zu bilden,
dass ein bedeutendes Kontrollmoment um die Rotationsachse 11 ermöglicht wird,
während
erhöhte
dynamische Ungleichgewichtskontrolle bereit gestellt wird. Die dargestellten Drallräder 220a und 220b sind
an gegenüberliegenden
Seiten der Drehbaugruppe 12 angebracht, und sind folgendermaßen in einem
Winkel von einhundertachtzig Grad (180°) gegenüber der anderen gedreht. Die
Drallräder 220a und 220b können andernfalls
an der Baugruppe 12 angeordnet sein. Das dargestellte erste
Drallrad 220a ist in einem Winkel δ1 hinsichtlich
einer Achse senkrecht zur Rotationsachse 11 orientiert.
Das zweite Drallrad 220b ist im Winkel δ2 hinsichtlich
der Achse senkrecht zur Rotationsachse 11 orientiert. Jedes
der dargestellten Drallräder 220a und 220b ist
an der Dreheinheit 10 über Kardaneinheiten 222 angebracht,
die die Einstellung der Lage (Winkel δ1 und δ2)
von jedem der entsprechenden Drallräder erlaubt. Die Kardaneinheiten 222 umfassen
jeweils ein Paar Kardaneinheitsmontierungen, die fest an der Dreheinheit 10 befestigt
sind und eine Welle, die in Lagern zwischen den Kardaneinheitsmontierungen
und drehbar angebracht ist, um winklig die Impulswelle zu drehen.
Die Drallräder können ein
kardanisch aufgehängtes
Reaktionsrad umfassen, das von einem Motor oder einer Kupplung (nicht
dargestellt) angetrieben wird, um die Lage der Drallräder zu bestimmten.
Das vom Schnittpaar der Drallräder 220a und 220b erzeugte
dynamische Ungleichgewichtsmoment stellt ein Ausgleichsmoment bereit,
das gleich und entgegengesetzt hinsichtlich des dynamischen Ungleichgewichts
ist. Es ist offensichtlich, dass zusätzliche Drallräder die
Möglichkeit bereit
stellen können,
eine verbesserte Momentkontrolle zu erreichen.
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5 zeigt
darüber
hinaus die Dreheinheit 10 mit drei Massen m1,
m2, und m3 und drei
Drallradeinheiten 320a–320c,
die gleichwinklig dazu jeden einhundertzwanzig Grad (120°) um die
Dreheinheit 10 angebracht sind. Die drei Drallräder 220a–220c können andernfalls
an der Baugruppe 12 angeordnet sein. Das erste Drallrad 320a ist
in einem Winkel δ1 hinsichtlich einer Achse senkrecht zur
Rotationsachse 11 orientiert und erzeugt Impulsmoment h1. Das zweite Drallrad 220b ist
in einem Winkel δ2 hinsichtlich der Achse senkrecht zur Achse
senkrecht zur Rotationsachse 11 orientiert und erzeugt
ein zweites Impulsmoment h2. Das dritte
Drallrad 220c ist in einem Winkel δ3 hinsichtlich
der Achse senkrecht zur Rotationsachse 11 orientiert und
erzeugt ein Impulsmoment h3. Jedes der Drallräder 320A–320C ist
an einer Kardaneinheit 322 angebracht, die die Anpassung der
Lage (Winkel δ1, δ2, und δ3) von jedem der Drallräder erlaubt. Durch die Verwendung
von drei oder mehr Impulseinheiten können Dreiachsenmoment- und
Impulskontrolle derart erreicht werden, dass jedes ungewollte Quermoment
von der Dreheinheit 10 reduziert oder beseitigt ist und
der Ausgleich von dynamischem Ungleichgewicht bei verschiedenen
Umdrehungsraten erreicht werden kann. Die drei Impulseinheiten 320a–320c können ein
kardanisches Impulssystem bilden, wie eine Kreiselstabilisator (CMG)-Anordnung,
die sowohl die Dreiachsenimpulskontrolle als auch den Ausgleich
von dynamischem Ungleichgewicht erlaubt, ohne der gesamten Struktur
ein ungewünschtes
Moment abzugeben. Die Impulskontrolle eines derartigen Systems kann über die
Rotorgeschwindigkeit der einzelnen Drallräder und/oder durch Ändern der
Kardaneinheitslage der entsprechenden Drallräder 320a–320c kontrolliert werden.
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Es
ist offensichtlich, dass jede der weiter oben beschriebenen Ausführungsformen
der Verwendung von einer oder mehreren Impulseinheiten zum Ausgleich
von dynamischem Ungleichgewicht einer Dreheinheit 10 ferner
ein aktives Kontrollsystem, wie das in 6 dargestellte
Feedback-Steuersystem, verwenden kann, um aktive Kontrolle mit einem
variablen Bereich des Ausgleiches von dynamischem Ungleichgewicht
bereit zu stellen. Das Kontrollsystem kann einen Regler 32,
einen Kardaneinheitsmotor 34, und einen Impulsrotor 36 umfassen und
kann ferner Sensoren, wie ein Rotorgeschwindigkeitssensor und ein
Kardanwinkelsensor (nicht dargestellt) umfassen. Der Regler 32 überwacht
die Winkel δ des
Kardaneinheitsmotors sowie die Rotorgeschwindigkeit ϕ. der Impulseinheit(en) und stellt ein Winkelkontrollsignal Δδ bereit,
um den Winkel δ des
Kardaneinheitsmotors 34 zu kontrollieren, sowie ein Geschwindigkeitskontrollsignal Δϕ., um die Geschwindigkeit ϕ. des Impulsrotors 36 zu kontrollieren. Es
ist offensichtlich, dass durch das Kontrollieren der Rotorgeschwindigkeit ϕ. und der Lage δ der Kardaneinheit, die Impulseinheit(en)
angepasst werden können,
um verbesserten Ausgleich von dynamischem Ungleichgewicht zu erreichen.
Die Regler 32 können
ferner Auftrudeln und Abtrudeln der Nutzlast der Dreheinheit 10 kontrollieren,
während
sie gleichzeitig den Impulsausgleich anpassen, um Änderungen
im dynamischen Ungleichgewicht anzupassen.
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Demgemäß stellt
die Dreheinheit 10 vorteilhaftig dynamischen Gleichgewichtsausgleich
bereit, ohne der Dreheinheit 10 bedeutendes Gewicht hinzuzufügen. Durch
das Reduzieren oder Beseitigen des dynamischen Ungleichgewichts
ist die Dreheinheit 10 weniger Ausrichtungsfehlern ausgesetzt,
die ansonsten bei einem Satelliten-Raumfahrzeug auftreten können. Obgleich
die Dreheinheit 10 mit der Verwendung von zwei oder drei
Impulseinheiten dargestellt wird, ist es offensichtlich, das jede
Anzahl und verschiedene Typen von Impulseinheiten verwendet werden
können,
ohne die Lehren der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Es ist
offensichtlich, dass das Ausgleichssystem von dynamischem Ungleichgewicht
der vorliegenden Erfindung neben der Verwendung am Raumfahrzeug
ebenfalls für
den Bereich der Robotertechnik und Präzisionsinstrumentenkontrolle
nützlich
sein kann.