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Trägheitsrad
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In der Raumflugtechnik ist ein Trägheitsrad (englisch momentum wheel) oder Drallrad, manchmal auch Gyroskop, ein Kreisel, der die Ausrichtung eines Flugkörpers stabilisiert. Die frühen Satelliten erhielten eine Raumstabilisierung durch eine Eigendrehung. Im einfachen Fall übernimmt diese Aufgabe ein Trägheitsrad. Kleine Änderungen der Umdrehungsgeschwindigkeit drehen den Satelliten entlang der Rotationsachse. Ist der Laufkäfig des Trägheitsrads drehbar (siehe Bilder), lässt sich der Satellit beliebig ausrichten.
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Bezeichnungen
Die Bezeichnungen für Kreiselsysteme sind weder im deutschen noch im englischen einheitlich.
Ein Trägheitsrad ist ein Kreisel mit einem hohen Drehimpuls (je nach Satellit um 500 N*m*s) zur Drallstabilisierung eines Satelliten. Dem gegenüber ist der Drehimpuls eines Reaktionsrads im Ruhezustand 0. Es dient nicht zur Stabilisierung, sondern nur zum Ausrichten des Satelliten. Wenn es anläuft, dreht es aufgrund der Impulserhaltung den Satelliten in Gegenrichtung.
Genau genommen ist erst die Kombination aus Kreisel und Aufhängung ein Gyroskop. Dennoch trägt häufig auch ein kräftefreier Kreisel diese Bezeichnung. Ein mechanischer Kreiselkompass enthält ein kleines Gyroskop. Er trägt aber nichts zur Lagestabilisierung bei. Moderne Laserkreisel nennt man in Erinnerung an den alten Kreiselkompass Gyroskop oder schlicht Gyro, obwohl sie gar keinen Kreisel mehr enthalten.
Dreidimensionales System von Kreiseln
Typischerweise hat ein Flugkörper mehrere Kreiselsysteme, die entsprechend den drei Raumschiffhauptachsen ausgerichtet sind. Wenn eine Änderung der Ausrichtung gewünscht ist, wird durch Beschleunigung oder Abbremsung der Drehgeschwindigkeit ein Drehmoment in die eine oder andere Richtung erzeugt. Bei Erreichen der gewünschten Richtung wird die Bewegung durch einen entgegengesetzten Impuls gestoppt. Um die Ausfallsicherheit zu erhöhen werden meist mehrere Gyroskope (z.B. sechs im Hubble-Weltraumteleskop, vier in der Internationale Raumstation) in langlebige Raumflugkörper installiert. Dabei kann jedes Gyroskop jede Grundrichtung einnehmen.
Diese Gyroskope sind üblicherweise als spezielle Art von Elektromotoren ausgebildet, so dass eine elektronische Computersteuerung möglich ist. Die Beschaffenheit des Kreisels bestimmt die Bewegungsgeschwindigkeit des Kreisels und damit das speicherbare Winkelmoment. Da die Kreisel nur einen kleinen Teil der Gesamtmasse des Raumflugkörpers ausmachen, können mit genau bestimmbaren Geschwindigkeitsänderungen sehr feine Winkeländerungen erreicht werden. Darum kommen Trägheitskreisel oft bei Flugkörpern mit Kameras oder Teleskopen zum Einsatz.
Probleme von Kreiselsystemen
Im Lauf der Zeit summieren sich die in den Kreiselsystemen gespeicherten Energien, das heißt die Drehzahlen der Räder nehmen zu. Durch den Einsatz von Triebwerken müssen diese von Zeit zu Zeit ausgeglichen werden, damit die Drehzahlen nicht in Bereiche kommen, in denen sich das Rad selbst zerstören könnte. Entwickler kombinieren daher Kreisel mit anderen Lageregelungssystemen.
Die effektivste Art von Zusatztriebwerken sind nach heutigem Kenntnisstand möglicherweise hocheffiziente Steuerungstriebwerke mit Ionenantrieb oder kleine, leichte Sonnensegel an Auslegern oder am Ende von Solarzellenflächen.
Die meisten Raumflugkörper müssen aber auch schnellere Ausrichtungsänderungen bewerkstelligen können während sie sich die Zusatzmasse von drei Orientierungssystemen oftmals nicht erlauben können. Daher nutzen die Entwickler in diesen Fällen auch oft kleine, konventionelle Raketenantriebe mit einer Treibstoffkomponente die speziell zum Ausgleich der Winkelmomente und zur Durchführung schnellerer Ausrichtungsmanöver vorgesehen sind.
Besonders bei kleinen Satelliten, deren Bahn elliptisch ist und die sich weiterhin auch phasenweise über den magnetischen Polregionen der Erde aufhalten, ist es möglich in diesen Flugphasen per Interaktion mit dem dort stärkeren Erdmagnetfeld wieder Drallradenergien abzubauen. Damit kann zumindest ein Teil der Drallradenergie mit relativ geringem Aufwand wieder abgebaut werden. Die Flugbahn des Objekts sollte im Idealfall dadurch nicht beeinflusst werden. Ein Beispiel hierzu ist der experimentelle Amateursatellit AMSAT-OSCAR 40, der während seines Baus auch als Phase 3D (kurz: P3D) bekannt war.
