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Dokumentenidentifikation DE202005015431U1 13.04.2006
Titel Reaktionsrad für Mikrosatelliten
Anmelder Astro- und Feinwerktechnik Adlershof GmbH, 12489 Berlin, DE
Vertreter Driescher, H., Dr., 12489 Berlin
DE-Aktenzeichen 202005015431
Date of advertisement in the Patentblatt (Patent Gazette) 13.04.2006
Registration date 09.03.2006
Application date from patent application 30.09.2005
IPC-Hauptklasse B64G 1/28(2006.01)A, F, I, 20050930, B, H, DE

Beschreibung[de]
Stand der Technik

Kleinstsatelliten, auch als Mikro- oder Picosatelliten bezeichnet, kommen mehr und mehr für Forschungszwecke und als relativ preiswerte Beobachtungs- und Messmittel zum Einsatz. Durch die ständig voranschreitende Miniaturisierung der elektronischen und optoelektronischen Komponenten, können Kleinstsatelliten heute schon Aufgaben wahrnehmen, die noch vor wenigen Jahren nur mit sehr viel größeren Satelliten durchgeführt werden konnten. Die Einsetzbarkeit von Mikrosatelliten hängt häufig davon ab, ob dieser lageorientiert fliegen kann, d.h. der Mikrosatellit sollte über eine Vorrichtung verfügen, die es gestattet, den Satelliten in den drei Freiheitsgraden der Rotation gezielt auszurichten. Damit ist es möglich, die Ausrichtung des Satelliten für bestimmte Aufgaben zu optimieren, zum Beispiel:

  • • die zur Energiegewinnung erforderlichen Sonnenpaneele auf die Sonne auszurichten,
  • • die Ausrichtung der Sende- und Empfangsantennen des Satelliten auf die Bodenstation zu optimieren
  • • oder optoelektronische Sensoren auf das zu untersuchende Objekt auszurichten

Zur Ausrichtung des Satelliten um seine drei Freiheitsgrade der Rotation gibt es beim derzeitigen Stand der Technik mehrere Möglichkeiten.

Verfahren und Vorrichtungen zur Ausrichtung eines Satelliten durch Abstoßen von Gasen nach dem Prinzip einer Rakete sind für die hier betrachteten Mikrosatelliten auf Grund der extrem geringen Baugröße ungeeignet.

Die Steuerung über künstlich erzeugte Magnetfelder von Nano- oder Picosatelliten ist zu ungenau.

Sehr gebräuchlich sind Reaktionsräder, auch Drallräder genannt. Sie sind gegenüber dem Satellitenkoordinatensystem definiert angeordnet und werden über Kommandos einer Bodenstation bezüglich Drehrichtung, -geschwindigkeit und -beschleunigung für jede Rotationsachse des Satelliten getrennt angesteuert. Beim Anliegen eines Drehmomentes am Reaktionsrad erhält der zu steuernde Satellit ein entgegengesetzt gleichgroßes Drehmoment und versetzt sich damit in eine rotierende Bewegung. Ist der gewünschte Drehwinkel des Satelliten erreicht, wird durch einen entgegengesetzten Drehimpuls des Drallrades die Drehbewegung des Satelliten wieder zum Stillstand gebracht. Das Verfahren ist lange bekannt und wird erfolgreich auf verschiedenen künstlichen Erdsatelliten zur Anwendung gebracht.

Mangel am Stand der Technik

Betrachten wir einen Mikrosatelliten, würfelförmig, mit einer Kantenlänge von 10 cm und einer Masse von etwa 1 kg, so sind extrem geringe Drehmomente des Drallrades erforderlich, um eine gezielte Rotation um eine Satellitenachse anzusteuern. Um den Mikrosatelliten um eine seiner Rotationsachsen auf eine gewünschte Winkelgeschwindigkeit von 1°/Sekunde zu bringen, bzw. seine Winkelgeschwindigkeit um diesen Betrag zu verändern, bedarf es eines Drehmomentes von etwa 3·10–6 Nm. Eine weitere Besonderheit besteht darin, dass das Drallrad mit Ansteuer- und Ausleseelektronik ein maximales Volumen von 20 cm3 bei einer maximalen Gesamtmasse von 50 g und einem maximalen Leistungsbedarf von 0.2 W nicht überschreiten sollte. Die wenigen handelsüblichen Motoren, die bezüglich Baugröße, Leistung und Lebensdauer im Suchfeld liegen, sind nicht geeignet, eine relativ große Schwungmasse aufzunehmen und dann den extremen Belastungen beim Start der Trägerrakete des Satelliten standzuhalten. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, dass die Elektronik zur Umsetzung des bei Drallrädern üblichen Boden-Steuerkommandos für das Drehmoment, bezüglich Volumen, Masse und Energiebedarf nach dem bekannten Stand der Technik nicht realisierbar ist.

Vorschlag zur Behebung des Mangels am Stand der Technik

Zum Aufbau eines Mikrodrallrades sind wegen der erforderlichen hohen Lebensdauer und Zuverlässigkeit nur elektronisch kommutierte Antriebe für das Drallrad geeignet. Um den Anforderungen bezüglich Vibrations- und Stoßbelastungen zu genügen, wird unter Beibehaltung des Kommutierungsprinzipes eines elektronisch kommutierten Motors, der Magnetrotor und die Schwungmasse zu einer Einheit integriert. Diese Einheit aus Magnetrotor und Schwungmasse ist auf einer Drehachse statisch und dynamisch ausgewuchtet angeordnet. Die beiden Enden der Achse dieses Rotors laufen in ausgewählten und vakuumfest geschmierten Kugellagern. Der Stator des Drallrades enthält die Antriebsspulen des Drallrades und die Hallelemente zur Detektierung der Drehfeldlage.

Ausführungsbeispiel 1

Ein Ausführungsbeispiel ist in 1 dargestellt. In ein zylindrisches Gehäuse (1) sind an den jeweiligen Enden der gedachten Zylinderachse die vakuumtauglich geschmierten Präzisionskugellager (2) und (3) montiert. Die Drehachse (4) trägt die Schwungmasse (5), die mit der Magnetscheibe (6) starr verbunden ist. Die Anordnung aus den Elementen (4) (5) und (6) ist statisch und dynamisch ausgewuchtet. Die Hallsensoren (7) sind mit dem Gehäuse (1) fest verbunden.

Ausführungsbeispiel 2

Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt 2. In ein zylindrisches Gehäuse (1) sind an den jeweiligen Enden der gedachten Zylinderachse die vakuumtauglich geschmierten Präzisionskugellager (2) und (3) montiert. Die Schwungmasse (4) ist an den Stirnseiten mit Lagerzapfen für die Präzisionskugellager (2) und (3) versehen, wodurch die Fertigung einer hochgenauen Passung an einer Welle und der kleinen und dennoch hochgenauen Bohrung der Schwungmasse gemäß Ausführungsbeispiel 1 entfällt. Die Magnetscheibe (5) wird über einen Absatz der Schwungmasse zentriert und ist mit der Schwungmasse fest verbunden. Die Anordnung aus den Elementen (4) und (5) ist statisch und dynamisch ausgewuchtet. Die Hallsensoren (6) sind mit dem Gehäuse (1) fest verbunden.


Anspruch[de]
  1. Anordnung eines Reaktionsrades für Mikrosatelliten, unter Verwendung eines Schwungrades, einer Magnetscheibe, einer Antriebsspulenanordnung und einer elektronisch kommutierende Ansteuereinheit, dadurch gekennzeichnet, dass:

    Magnetscheibe und Schwungrad eine fest miteinander verbundene Einheit bilden,
  2. Anordnung eines Reaktionsrades für Mikrosatelliten, unter Verwendung eines Schwungrades, einer Magnetscheibe, einer Antriebsspulenanordnung und einer elektronisch kommutierende Ansteuereinheit, dadurch gekennzeichnet, dass:

    gemäß Anspruch 1 die Einheit Magnetscheibe und Schwungmasse auf einer Drehachse angeordnet ist.
  3. Anordnung eines Reaktionsrades für Mikrosatelliten, unter Verwendung eines Schwungrades, einer Magnetscheibe, einer Antriebsspulenanordnung und einer elektronisch kommutierende Ansteuereinheit, dadurch gekennzeichnet, dass:

    gemäß Anspruch 1 die Einheit Magnetscheibe und Schwungmasse auf der Drehachse statisch und dynamisch ausgewuchtet ist.
  4. Anordnung eines Reaktionsrades für Mikrosatelliten, unter Verwendung eines Schwungrades, einer Magnetscheibe, einer Antriebsspulenanordnung und einer elektronisch kommutierende Ansteuereinheit, dadurch gekennzeichnet, dass:

    gemäß Anspruch 1 die Einheit Magnetscheibe und Schwungmasse dadurch gebildet wird, dass die die Magnetscheibe bildenden magnetischen Dipole in die als Schwungmasse ausbildete Trägermasse unmittelbar eingebettet sind.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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