Clever Geek Handbook

Wie kann man sich auf die Leere stützen?


"Gib mir einen Drehpunkt, und ich werde die Erde auf den Kopf stellen" - so die Legende, erklärte Archimedes das intuitive Prinzip des Hebels wissenschaftlich. Aber es gibt keine Unterstützung im kosmischen Vakuum. Und die Satelliten benötigen die Sonnenkollektoren, um die Sonne zu betrachten, die Antennen zur Erde, die Kamera zum interessanten Teil des Mars und den Motor, um die Umlaufbahn auf den genauen Punkt im Weltraum zu korrigieren. Sie müssen sich etwas einfallen lassen, um sich auf die Leere zu stützen.

Orientierungsmotoren


Die naheliegendste Möglichkeit ist , spezielle kleine Motoren zu setzen , die die Ausrichtung des Geräts steuern: Lunar - Modul


Orientierung

Motoren Motoren leistungsfähiger gemacht werden können schwere Fahrzeuge oder schneller drehen, oder sehr schwach drehen sehr genau zu drehen. Sie sind relativ leicht und benötigen keinen Strom, wenn sie nicht funktionieren. Alles wäre in Ordnung, aber um sich umzudrehen, muss man Treibstoff ausgeben, und es gibt immer eine begrenzte Menge davon. Und die Motoren selbst haben Einschränkungen hinsichtlich der Anzahl der Starts und der Gesamtbetriebszeit.
Orientierungsmotoren können auch für Orbitalmanöver verwendet werden, insbesondere wenn ein Andocken geplant ist. Der Hauptmotor kann das Gerät nur in eine Richtung schieben, und mit Hilfe von Orientierungsmotoren ist es möglich, sich entlang aller Achsen zu bewegen.

Vorteile:
  • Einfachheit.
  • Bietet Orientierung auf allen drei Achsen.
  • Relativ kleine Masse.
  • Flexibilität: Es können leistungsstarke oder sehr präzise Motoren hergestellt werden.
  • Kann zum Manövrieren im Orbit verwendet werden.
  • Sie können für eine lange Zeit ausgeschaltet sein.

Nachteile:
  • Spritverbrauch.
  • Begrenzen Sie die Anzahl der Starts und die Gesamtbetriebszeit.
  • Kontamination der Umgebung des Geräts mit verbranntem Kraftstoff (kann für Teleskope relevant sein).

Orientierungs-Engines werden normalerweise verwendet, wenn eine aktive, relativ seltene oder zeitlich kurze Orientierungsänderung erforderlich ist. Daher befinden sie sich in allen bemannten Fahrzeugen und werden normalerweise für interplanetare Stationen bevorzugt, die monatelang und jahrelang im Schlafmodus fliegen, während die konstruierte Ausrichtung beibehalten wird.


Festmacher und Orientierungsmotoren für das Sojus-Raumschiff bei MAKS-2005. Rot - Schutzhüllen, die vor dem Flug entfernt werden


Betrieb des Sojus-Raumfahrzeugs während des Andockens an die ISS bei beschleunigter Reproduktion

Rotationsstabilisierung


Seit unserer Kindheit kennen wir alle die Fähigkeit der Spitze, eine aufrechte Position zu halten. Wenn Sie das Raumschiff drehen, verhält es sich genauso, während die Stabilisierung entlang der Rotationsachse erhalten bleibt.



Wenn die Stabilisierung auf einer Achse zu uns passt, werden wir das Gerät nicht in verschiedene Richtungen drehen und Langzeitbelichtungen machen. Diese Methode kann sehr wirtschaftlich sein.

Vorteile:
  • Einfachheit.
  • Rentabilität - wir entspannen uns einmal und drehen uns jahrhundertelang.

Nachteile:
  • Stabilisierung nur auf einer Achse.
  • Drehen Sie das Gerät nicht.
  • Die Drehung kann den Betrieb des Geräts beeinträchtigen.

Historisch gesehen ist die Stabilisierung durch Rotation bei Amerikanern sehr beliebt. Alle Sonden des Pioneer-Programms wurden durch Rotation stabilisiert. Bei den ersten Geräten war dies aufgrund der geringen Tragfähigkeit der Raketen der Fall - es war unmöglich, den sechs Kilogramm schweren Pioneer-4 mit den Technologien von 1959 auf andere Weise zu stabilisieren. Die Stabilisierung der „Pioniere“ -10 und -11 durch Rotation scheint eine hervorragende Lösung zu sein. Wenn die Erdumlaufbahnbewegung in das Strahlungsmuster der Antenne passt, ist die Sonde ständig „in Kontakt“, ohne ein einziges Gramm Kraftstoff dafür auszugeben und keine Angst vor einem Ausfall des Orientierungssystems zu haben. Zwei Pioneer-Venus-Sonden wurden durch Rotation stabilisiert, wahrscheinlich schon aus Gewohnheit - auf einer von ihnen drehte sich die Antenne mechanisch, um auf die Erde zu zielen, was nicht mehr sehr rational aussieht.
Neben interplanetaren Stationen nutzten die Amerikaner häufig den Spin der oberen Stufen. In diesem Fall benötigten Festbrennstoff-Boosterblöcke kein separates Orientierungssystem.


Starten eines Satelliten mit einem PAM-D-Booster vom Space Shuttle

Nach dem Beschleunigen war es möglich, die Rotation einfach nach dem Gesetz der Drehimpulserhaltung zu verlangsamen ( ein Beispiel für Schwerelosigkeit , ein Beispiel für Dichtungen ) - kleine Lasten wurden auf Kabeln abgewickelt und verlangsamten die Rotation des Geräts .

Schwungrad (Reaktionsrad)


Genau wie eine Katze, die im Herbst ihren Schwanz entgegen der Körperdrehung dreht, kann das Raumschiff die Ausrichtung mit dem Schwungrad steuern. Zum Beispiel, wenn wir das Gerät im Uhrzeigersinn drehen möchten:
  1. Ausgangszustand: Das Gerät steht still, das Schwungrad steht still.
  2. Wir drehen das Schwungrad gegen den Uhrzeigersinn, das Gerät beginnt sich im Uhrzeigersinn zu drehen.
  3. Wenn auf den gewünschten Winkel gedreht: Wir stoppen die Drehung des Schwungrads, das Gerät stoppt.

Wenn sich das Schwungrad bereits dreht, können wir durch Ändern seiner Geschwindigkeit eine Kraft erzeugen, die das Gerät dreht. Hier in diesem Video können Sie anhand der Drehung des Schwungrads bestimmen, dass durch Verringern der Drehzahl (niedrigeres Geräusch) eine Kraft erzeugt wird, die die Plattform im Uhrzeigersinn dreht, wobei das Erhöhen der Geschwindigkeit (höheres Geräusch) dagegen ist:



Mit den Schwungrädern können Sie mit hoher Genauigkeit drehen und keinen wertvollen Kraftstoff verschwenden. Aber wie jedes andere technische System haben Schwungräder ihre Nachteile. Zunächst kann ein Schwungrad das Gerät nur um eine Achse drehen. Um die Ausrichtung des Geräts vollständig zu steuern, benötigen Sie drei Schwungräder. Und angesichts der Notwendigkeit von Redundanz sechs oder mehr. Auch ist die Drehzahl direkt proportional zur Masse des Schwungrades und seiner Drehzahl und umgekehrt proportional zur Masse der Vorrichtung. In einfachen Worten, je größer die Masse der Vorrichtung ist, desto schwerer sollten die Schwungräder sein. Außerdem hat jedes Schwungrad eine maximale Drehzahl und kann platzen, wenn es mehr abgewickelt wird. Und wenn die Störkraft in einer Richtung auf das Gerät wirkt, erreicht das Schwungrad schließlich die maximale Geschwindigkeit.und Sie müssen es mit einem anderen System entladen. Und schließlich nutzt sich das Schwungrad wie jeder Mechaniker mit der Zeit ab und kann ausfallen.

Vorteile:
  • Es erfordert keinen Kraftstoffverbrauch.
  • Ermöglicht es Ihnen, das Gerät sehr genau auszurichten.

Nachteile:
  • Für aktives Manövrieren ungeeignet, ist die Drehung relativ langsam.
  • Zum Entladen der Schwungräder ist ein weiteres Orientierungssystem erforderlich.
  • Mit der Zeit nutzen sie sich ab und versagen.
  • Jede Achse benötigt mindestens ein Schwungrad.

Schwungräder sind sehr vorteilhaft, wenn wir das Gerät häufig umleiten müssen, ohne seine Umlaufbahn zu ändern. Daher befinden sich die Schwungräder auf Orbitalteleskopen. Zum Beispiel hat der Hubble vier Schwungräder, die eine redundante Steuerung auf zwei Achsen ermöglichen. Hubble hat keine Aufgabe, sich um seine Achse zu drehen, daher werden die Schwungräder verwendet, um das Teleskop "nach oben / unten" und "nach links / rechts" zu drehen.


Eines der Schwungräder des Hubble-Teleskops

Gyrodin (Kontrollmomentgyroskop)


Die Eigenschaft der Oberseite, eine vertikale Position beizubehalten, kann auf andere Weise verwendet werden - Sie können sich darauf verlassen:



Wenn Sie ein solches Verdeck in ein Aufhängungssystem einsetzen, können Sie sich "darauf verlassen" und in die richtige Richtung drehen. Solche Konstruktionen werden Kraftgyroskope oder Gyrodynamik genannt. Der Hauptunterschied zwischen einem Gyrodin und einem Schwungrad besteht darin, dass das Schwungrad starr auf einer Achse montiert ist und die Ausrichtung durch Ändern der Drehzahl steuert. Gyrodin ist in einer Aufhängung installiert, die sich in einer oder mehreren Ebenen drehen kann und die Drehzahl möglicherweise nicht ändert. In diesem Video ist die Bewegung der Aufhängung deutlich sichtbar, obwohl sich die Tonhöhe des Gyrodins nicht ändert.



Gyrodin ist in Bezug auf die Funktionalität ein „fortschrittliches“ Schwungrad. Gyrodines sind effektiver als herkömmliche Schwungräder, aber auch schwieriger. Sie können die Ausrichtung von viel schwereren Geräten steuern, teilen jedoch die Vor- und Nachteile von Schwungrädern. Dieses Video zeigt, dass Gyrodines wie Schwungräder entladen werden müssen - wenn sich die Aufhängungsachse nicht mehr drehen kann, beginnt das Fahrrad zu fallen:



Vorteile:
  • Gleich wie Schwungrad.
  • Effektiver als ein Schwungrad - ein Gyrodin gleicher Masse kann die Ausrichtung eines viel schwereren Geräts steuern.

Nachteile:
  • Gleich wie Schwungrad.
  • Härter als das Schwungrad.

Gyrodine werden aufgrund ihrer Wirksamkeit an Orbitalstationen eingesetzt. Auf der ISS gibt es beispielsweise vier Gyrodinen mit jeweils 300 kg.


ISS Gyrodin Ersatz

Elektromagnetisches Orientierungssystem


Das Erdmagnetfeld kann die Kompassnadel drehen, was bedeutet, dass diese Kraft verwendet werden kann, um die Ausrichtung des Raumfahrzeugs zu steuern. Wenn Sie Permanentmagnete auf den Satelliten setzen, ist die wirkende Kraft unkontrollierbar. Und wenn Sie Magnetspulen einsetzen, können Sie durch Anlegen von Strom das gewünschte Steuermoment erzeugen:



Mit drei in senkrechten Ebenen montierten Magneten können Sie die Ausrichtung des Satelliten entlang aller drei Achsen steuern. Genauer gesagt bieten sie eine gute Kontrolle über zwei Achsen und versuchen, das Gerät als Kompassnadel zu installieren. Die Steuerung entlang der dritten Achse erfolgt durch Ändern der Richtung des Erdmagnetfelds, wenn das Fahrzeug in der Umlaufbahn fliegt.



Die elektromagnetische Ausrichtung ist aufgrund zufälliger Schwankungen des Erdmagnetfelds möglicherweise nicht genau und ihre Wirksamkeit nimmt mit der Höhe ab. Und im Allgemeinen sind die von den Magneten erzeugten Kräfte gering. Ihre Verwendung ist auch auf Himmelskörper mit einem ausreichend starken Magnetfeld beschränkt, beispielsweise in der Umlaufbahn des Mars sind sie praktisch unbrauchbar. Die Magnete enthalten jedoch keine beweglichen Teile, verbrauchen keinen Kraftstoff und sind energieeffizient.

Vorteile:
  • Einfachheit.
  • Benötigen Sie keinen Kraftstoff.
  • Leicht.
  • Sie enthalten keine beweglichen Teile und nutzen sich praktisch nicht ab.

Nachteile:
  • Kleine Kontrollkräfte.
  • Geringe Genauigkeit.
  • Für den Himmelskörper, um den sich der Apparat dreht, ist ein Magnetfeld erforderlich.
  • Der Wirkungsgrad hängt von der Höhe ab.

Die elektromagnetische Ausrichtung wird hauptsächlich bei Cubsats und anderen kleinen Geräten verwendet. Es wird auch häufig zum Entladen von Schwungrädern oder Gyrodinen verwendet. Beispielsweise verwendet das Hubble-Teleskop Schwungräder als Hauptorientierungssystem und entlädt sie mit einem elektromagnetischen System.


Ein Beispiel für einen Magneten für Raumfahrzeuge. Auf der Website des Herstellers wird behauptet, dass bereits mehr als 80 Magnetspulen auf verschiedenen Satelliten installiert sind.

Schwerkraftstabilisierung


Die Anziehungskraft zweier Körper ist umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes zwischen ihnen. Wenn unser Satellit daher einen langen Pol mit einer Last vorlegt, nimmt die resultierende "Hantel" tendenziell eine vertikale Position ein, wenn ihr unterer Teil etwas mehr von der Erde angezogen wird als der obere. Hier ist eine Computersimulation von 1963 (!), Die diesen Effekt zeigt:



Im ersten Teil des Videos befindet sich der Satellit in einer stabilen Position entlang der Erdachse. In der Realität stören zufällige Störungen das perfekte Gleichgewicht, und der Satellit schwingt um seine Achse. Daher werden solche Systeme normalerweise mit einem Dämpfer ergänzt. Ein kleiner Behälter mit Flüssigkeit wandelt die Schwingungsenergie in Wärme um und „beruhigt“ den Satelliten.

Vorteile:
  • Sehr einfaches System.
  • Die Orientierung erfolgt passiv ohne Steuerungssystem.

Nachteile:
  • Die Orientierung wird aufgrund der Schwäche der auf den Körper einwirkenden Kräfte langsam aufgebaut.
  • Geringe Genauigkeit.
  • Nur eine Art der Ausrichtung - Achse zum Erdmittelpunkt.
  • Der Effekt nimmt mit der Höhe ab.
  • Der Satellit kann relativ zur gewünschten Ausrichtung auf den Kopf rollen.

Das Gravitationsorientierungssystem wird hauptsächlich bei kleinen Geräten verwendet, die keine genaue Stabilisierung erfordern. Es ist gut für einige Arten von Cubsats geeignet, zum Beispiel wurde auch der Satellit Yubileiny damit ausgestattet:



Aerodynamische Stabilisierung


Spuren der Erdatmosphäre sind auch über hundert Kilometer erkennbar, und die hohe Geschwindigkeit der Satelliten bedeutet, dass sie stärker gehemmt werden. Normalerweise ist diese Kraft ein großes Hindernis, da die Satelliten ziemlich schnell langsamer werden, noch tiefer sinken und in dichten Schichten der Atmosphäre ausbrennen. Trotzdem ist es eine Kraft, die immer gegen den Orbitalgeschwindigkeitsvektor wirkt und verwendet werden kann. Die ersten Experimente wurden bereits in den 60er Jahren durchgeführt. Hier zum Beispiel der 1967 gestartete heimische Cosmos-149:



Niedrige Umlaufbahn, in der die aerodynamischen Kräfte maximal sind, ein unwirtlicher Ort. Manchmal ist es jedoch notwendig, für eine genauere Messung da zu sein. Eine sehr schöne Lösung wurde im GOCE-Satelliten verwendetder das Gravitationsfeld der Erde studierte. Eine niedrige Umlaufbahn (~ 260 km) machte das aerodynamische Stabilisierungssystem effektiv und um zu verhindern, dass der Satellit zu schnell ausbrennt, wurde er ständig von einem kleinen Ionenmotor beschleunigt. Das resultierende Gerät ähnelt nicht den üblichen Satelliten, jemand nannte es sogar „Satelliten-Ferrari“:



Dank der Ionen-Engine konnte GOCE von 2009 bis 2013 arbeiten und die detaillierteste Gravitationskarte der Erde erstellen.

Vorteile:
  • Die aerodynamische Kraft ist frei und erfordert kein spezielles Steuerungssystem.


Nachteile:
  • Es muss etwas getan werden, damit der Satellit in den dichten Schichten der Atmosphäre nicht schnell ausbrennt.
  • Die Stärke hängt von der Höhe ab.
  • Es ist nur eine Achsenausrichtung möglich.


Sonnensegel


Um die Ausrichtung zu verbessern, können Sie weiterhin den Druck des Sonnenlichts verwenden . Das Sonnensegel wird normalerweise als Bewegungsart betrachtet, aber die Sonne wirkt auch auf einen Satelliten komplexer Form mit Antennen und Sonnenkollektoren. Dies kann als Hindernis für andere Orientierungssysteme angesehen werden. Wenn die Entwickler die Kraftmomente im Voraus berechnet haben, kann dies dazu beitragen, die Orientierung des Satelliten zu verbessern. Bereits 1973 nutzte die Mariner-10-Sonde, die an Venus und Merkur ging, den Sonnendruck, um die Ausrichtung des Geräts zu bestimmen. Inspiriert den Erfindungsreichtum des Labors für Atmosphären- und Weltraumphysik- Als zwei der vier Schwungräder am Kepler-Teleskop ausfielen, entwickelte das Labor eine Methode zur Konstruktion der Orientierung unter Verwendung der beiden verbleibenden Schwungräder und des Solardrucks, sodass das Teleskop nacheinander vier Abschnitte des Weltraums pro Jahr untersuchte:



Das russische Regatta-Plasma-Projekt , das 90 entwickelt wurde x Jahre. Mit Hilfe eines Sonnenstabilisatorsegels und rotierender Ruder nahm der Apparat eine Position in Richtung der Sonne ein und konnte bei Bedarf verdreht werden:



Selbst jetzt wäre ein solches System einzigartig und sehr interessant, es ist schade, dass das Projekt abgeschlossen wurde.

Vorteile:
  • Absolut freier Solardruck.

Nachteile:
  • Sie können keine beliebige Ausrichtung entlang drei Achsen erstellen.
  • Es funktioniert nicht im Schatten, was beispielsweise für eine erdnahe Umlaufbahn wichtig ist.


Fazit


Für Kräfte, die von der Flughöhe abhängen, gibt es eine ungefähre Grafik:



Ein weiteres Video mit Robben und echten NASA-Gyrodynes.
Ein komplexeres Video zum gleichen Thema ist „Entwerfen eines Orientierungs- und Stabilisierungssystems“ aus der Community „Your Space Sector“.

Unter dem Motto „Unsichtbare Schwierigkeiten“ sind Veröffentlichungen über Motoren, Kraftstoff, Tanks, Startstrukturen und dergleichen interessant, aber aufgrund ihrer Vertrautheit nicht sehr auffällig.

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