Fagstoff

Rotasjonsstabilisering

Publisert: 08.10.2010, Oppdatert: 03.03.2017
  • Innbygg
  • Enkel visning
  • Lytt til tekst
  • Skriv ut
Sputnik 1

Den første satellitten, Sputnik, hadde kuleform, og den var utstyrt med antenner som var tilnærmet omnidireksjonelle. Det vil si at de kunne sende og motta signaler i alle retninger. Dette var lite effektiv bruk av sendeeffekt, men det var nødvendig fordi man den gang manglet retningskontroll for satellitten.

For å kunne utnytte satellitter effektivt var det nødvendig å utvikle systemer for retningskontroll, det som på engelsk kalles attitude control, og de løsningene som ble utviklet var bestemmende for det geometriske utformingen av plattformen. Utviklingen begynte med de geostasjonære satellittene. Det ble utviklet en metode basert på rotasjonsstabilisering, som førte til tønneformede satellitter. Denne teknikken ble utviklet langt og kunne brukes for store kommunikasjonssatellitter. Men rotasjonsstabiliseringen hadde også sterke begrensninger, ikke minst når det gjaldt generering av effekt med solcellepaneler og når det gjaldt styring av kompliserte antennesystemer. Det ledet til utvikling av full retningskontroll om de tre ortogonale aksene, treaksestabilisering.

Satelittbilde av Sputnik. Foto.Sputnik  

Telstar avbildet på frimerke. Illustrasjon.TELSTAR   

Ingen retningskontroll

Den kuleformen som de første satellitten hadde, skyldtes at teknologien for å holde den i en bestemt retning i rommet ikke var utviklet. En slik satellitt uten kontrollert orientering eller pekeretning har begrensede anvendelser. Som reléstasjon for signaler ville den sende effekten i alle himmelretninger, og bare en liten del ville falle på de ønskede områdene på jordoverflata.

Til observasjonsformål ville den også være uegnet hvis oppgaven bestod i å observere spesielle mål, enten det er i verdensrommet eller på jorda. De laveste kravene til retningskontroll kan vi bare ha for vitenskapelige satellitter som skal måle tilstander i det rommet de befinner seg i, og overføre begrensede datamengder til mottakerstasjoner på bakken.

En satellitt som representerte en milepel når det gjelder kommunikasjon via satellitt var TELSTAR, som stod for den første direkte overføring av TV-signaler mellom Europa og Nord-Amerika. Som vist på figuren var den uten retningskontroll. Dermed ble tilgjengelig effekt lav, og antennevinning for mottaking og sending var lav. Dermed måtte jordstasjonene være store.

Intelsatelitt. Foto.Intelsat 2
Opphavsmann: Public domain
 

 

Intelsatelitt. Foto.Intelsat 3
Opphavsmann: Public domain
 

 

-Nutasjon 

Rotasjonsstabilisering

De første kommersielle telesatellittene var rotasjonsstabiliserte, og de ble utstyrt med en antenne som sendte effekten i en vifteform rundt rotasjonsaksen. Da ville nødvendigvis en stor del gå ut i verdensrommet og dermed være tapt. Dette var tilfellet med INTELSAT II, som ble brukt til telefontrafikk mellom Europa og USA.

Det var en stor forbedring av effektiviteten da satellittene kunne utstyres med et antennesystem som roterte i motsatt retning med samme hastighet slik at det var kontinuerlig rettet mot jordkloden. Etterfølgeren, INTELSAT III, hadde et antennesystem som hadde form av et speil som reflekterte signalet mot jorda. Denne forbedringen økte overføringskapasiteten betraktelig.

Senere er antennesystemene utviklet videre og blitt stadig mer avansert, men kravet har vært at de har en nøye kontrollert motrotasjon som holder pekeretningen fast. En stor teknologisk utfordring er å overføre signalene i adskilte kanaler med minst mulige tap mellom en roterende satellittplattform og et motroterende antennesystem. Typisk omdreiningshastighet for å oppnå tilstrekkelig gyroskopisk stivhet er 60 til 120 omdreininger per minutt.

Bruk av motroterende antenner skaper et stabilitetsproblem. Den motroterende massen i antennesystemet reduserer treghets-momentet om symmetriaksen og stiller større krav til massefordelingen i selve plattformen.

En annen stabil tilstand er nutasjon, dvs. at rotasjonsaksen beskriver en kjegle omkring denne aksen, slik vi ser det for en snurrebass hvor aksen ikke har en fast retning. Denne nutasjonen er ønskelig å fjerne da den fører til pekefeil. Det må gjøres ved å fjerne "overflødig" rotasjonsenergi, og dette er generelt et problem i rommet. Energitap kan skje ved å utstyre satellitten med masse som kan bevege seg innbyrdes på en slik måte at det fører til friksjon som forbruker energi, slik som hjul med friksjonskobling til hovedstrukturen, kuler som skvalper i væskefylte rør og solcellepaneler som vibrerer.

Retningskontroll for rotasjonsstabilisert satellitt. Illustrasjon.Retningskontroll rotasjonsstabilisert satellitt
Opphavsmann: Gunnar Stette
  

Måling av retning for rotasjonsstabiliserte satellitter

Hvordan kan det registreres at rotasjonsaksen er normalt på ekvatorialplanet, og at antennesystemet roterer med nøyaktig hastighet og fase? Her benyttes ofte infrarøde (IR) detektorer. Det er halvlederkomponenter som virker som mottakerantenner for infrarøde signaler. Da infrarøde signaler har kort bølgelengde, vil selv små IR-sensorer ha stor retningsselektivitet. Når en slik sensor rettes mot et legeme, vil utgangseffekten være proporsjonal med den fysiske temperatur i det infrarøde bånd.

Jordkloden har en temperatur på typisk 250 K, mens det kalde verdensrommet har en temperatur på typisk 4 K. Når en slik detektor monteres på en roterende satellitt, og når strålen passerer jordhorisonten sett fra satellitten, vil det skje en markert forandring av mottatt effekt. Figuren viser mottatt effekt fra to IR-sensorer som sitter overfor hverandre på den roterende satellitten men som har litt forskjellig retning nord-sør. Hvis satellittaksen er nøyaktig perpendikulær ekvatorialplanet vil pulsene fra begge IR-sensorene være nøyaktig like lange. En helning av satellittaksen i planet jordakse - satellitt vil føre til at pulsene får forskjellig lengde, og denne forskjellen vil gi informasjon om både feilretning og størrelsen på vinkelfeilen. En detektor på det motroterende antennesystemet vil angi når det peker mot jorda, og det skal være sentrert i forhold til de signalene som er vist på figuren.

Intelsatelitt. Foto.Intelsat 4a
Opphavsmann: Public domain
  

Store rotasjonsstabiliserte satellitter

Teknikken med rotasjonsstabiliserte satellitter har vært utviklet langt og er blitt brukt for store kommunikasjonssatellitter, blant annet for Hughes plattform 376, som er benyttet for Intelsat 4a. For å forbedre stabilitetsegenskapene er det mulig å benytte momenthjul. Disse kan øke treghetsmomentet om en ønsket akse. Siden treghetsmomentet for et gitt hjul er proporsjonalt med kvadratet av omdreiningshastigheten, og siden en ønsker så lav masse som mulig innenfor et begrenset volum, ønsker man så stor omdreiningshastighet som er forenlig med effektforbruk og driftssikkerhet. Slike hjul kan ha rotasjonshastigheter på typisk 3000 til 4000 omdreininger per minutt.

Relatert innhold