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Lageregelung
Aus Kefk.
Die Lageregelung stabilisiert die Ausrichtung eines Gegenstandes.
Lageregelung eines Satelliten
Ein Satellit besitzt sechs Freiheitsgrade. Als Bahnregelung bezeichnet man die Translationsbewegungen entlang der drei Raumachsen. Die Lageregelung richtet den Satelliten durch Rotation um die drei geometrischen Hauptträgheitsachsen aus.
Die Lageregelung erlaubt es, die Antennen des Satelliten zur Erde und die Solarpanele zur Sonne hin auszurichten. Ohne Stabilisierung erfolgt die Kommunikation über leistungsarme Rundstrahlantennen.
Aufgrund der Störmomente im Orbit, das sind die Restatmosphäre (im Low Earth Orbit, LEO), Gravitationsgradienten, Magnetische Dipole (z.B. durch Leiterschleifen), den Sonnendruck und ungenau ausgerichtete Triebwerksachsen, wird die Lage eines Satelliten ständig gestört und muss aktiv geregelt oder passiv stabilisiert werden.
Ein typischer Lageregelungskreis besteht aus einem oder mehreren Sensoren, der Regelelektronik und einem oder mehreren Aktoren. Dabei gibt es mehrere Lageregelungsverfahren, wobei man von Spin-, Drall- oder Drei-Achsen-Stabilisierung spricht. Als Sensoren für die aktuelle Ausrichtung des Satelliten dienen in der Raumfahrt relative Sensoren, wie z.B. Laserkreisel, und absolute Sensoren, wie Sonnen- oder Erdsensoren, Magnetfeldsensoren und Sternensensoren.
Bei spin- und drallstabilisierten Satelliten nimmt eine Hauptachse eine inertial feste Orientierung im Raum ein, bei geostationären Satelliten die senkrecht zur Bahnebene stehende Achse. Dies nennt man eine passive Vorstabilisierung, da diese Achse nur sehr schwer von ihrer Lage abzubringen ist. Bei spinstabilisierten Satelliten dreht der Satellit sich um diese Achse (wie ein Kinderkreisel) und erzeugt dadurch den stabilisierenden Drall. Praktisch alle frühen geostationären Kommunikationssatelliten waren so gebaut. Bei drallstabilisierten Satelliten dreht sich um diese Achse (im innern des Satelliten) ein Drallrad und erzeugt so den stabilisierenden Drall. Ein Beispiel dafür ist der deutsche DFS Kopernikus.
Die dritte Lageregelungsklasse ist die Drei-Achsen-Stabilisierung. Hier wird mit Düsen, Magnetspulen, Magnettorquern oder Reaktionsrädern (KEINE Drallräder) der Satellit aktiv frei um seine Achsen gedreht und den Anforderungen entsprechend ausgerichtet. Ein Beispiel dafür ist der LAPAN-TUBSAT. Mit drei Reaktionsrädern, eines für jede Raumrichtung, lässt sich der Satellit zu jedem Zeitpunkt nach Wunsch ausrichten. Die Rotationsgeschwindigkeit der Reaktionsräder und damit der maximal erzeugbare Drehimpuls sind begrenzt. Deshalb sind zusätzlich Lageregelungstriebwerke oder Magnetspulen notwendig, mit deren Hilfe man von Zeit zu Zeit den Gesamtdrehimpuls des Rades wieder auf Null reduziert. Bei Kommunikationssatelliten mit fester Orientierung zur Erde tragen die Hauptachsen die bei Flugzeugen üblichen Bezeichnungen, siehe roll-pitch-yaw.
Weist der Satellit eine ungleiche Masseverteilung auf, richtet er sich im Schwerefeld der Erde aus. So dreht sich beispielsweise die schwere Antriebseinheit des Space Shuttles zur Erde und das gesamte Space-Shuttle orientiert sich radial zur Erde. Nutzt man dieses Prinzip gezielt, so wird es als Gravitationsgradientenstabilisierung bezeichnet.
Satelliten, die im LEO fliegen, können das Erdmagnetfeld zur Lageregelung benutzen. Dies kann passiv erfolgen indem die Satelliten einen Stabmagneten mitführen, so dass sich die Satelliten wie Kompassnadeln am Magnetfeld ausrichten können. Anspruchsvoller ist die aktive Regelung mit Magnetspulen oder Magnettoquern (Spule mit Eisenkern). Diese Spulen können auch zum Entdrallen von Reaktionsrädern genutzt werden, wenn diese an ihrer oberen Drehzahlkapazität angelangt sind.
Eine selten eingesetzte Variante zur Lageregelung sind Solarklappen/segel. Diese bewegbaren Flächen können durch Ausnutzung des Sonnendruckes ein Drehmoment erzeugen und so die Lage des Satelliten verändern.
Lageregelung einer Raumsonde
Die Spin- und die Dreiachsenstabilisierung kommen auch bei Raumsonden zum Einsatz, wobei die Ausrichtung sich je nach Einsatzzweck und Flugphase der Raumsonde unterscheiden und/oder verändern kann.
Siehe auch
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