Fagstoff

Fremdriftssystemer

Publisert: 01.09.2010, Oppdatert: 03.03.2017
  • Innbygg
  • Enkel visning
  • Lytt til tekst
  • Skriv ut

Det er flere behov for korreksjon av baneparametre og pekeretning under drift av satellitter i rommet. Det kan også være behov for "flytting" av satellitter til andre baneposisjoner. Her dreier det seg ofte om mindre korreksjoner, og til det brukes små rakettmotorer, trustere, av forskjellig slag. Et viktig hensyn er systemene for fremdrift er enkle, stabile og pålitelige, og at operasjonene er enkle.

Behovet for banekorreksjoner

Satellittbaner påvirkes av forskjellige krefter, i tillegg til det sfæriske tyngdefeltet, slik at baneparametrene forandrer seg. Det blir stadig sterkere krav til nøyaktighet, at satellittene blir i den riktige baneposisjonen.

Den geostasjonære bane er en ettertraktet, begrenset naturressurs. For å få plass til flest mulige satellitter må de holdes på sine tildelte plasser så nøyaktig som mulig. Internasjonale normer er at de skal holdes innenfor en "boks" på ± 0,1°, inklinasjon og øst-vestposisjon, men praksis nå er å holde de innenfor ± 0,05°. Stabil posisjon vil også sikre at større antenner kan operere uten aktiv styring, og det kan gjøre jordstasjoner mye billigere.

Noen ganger er det også nødvendig å forandre baneposisjon. Intelsat, som opererer ca 25 satellitter i geostasjonær bane, vil kunne flytte disse etter som hvordan trafikken i de forskjellige geografiske områdene utvikler seg. Da Telenor kjøpte den britiske TV-satellitten Marco Polo og døpte den om til Thor I, "flyttet" de satellitten fra 31° vest til 1° vest.

I operative systemer er det nødvendig å ha reservesatellitter i bane som kan ta over ved eventuelle feil i aktive satellitter. Da er det viktig å holde antallet reservesatellitter så lavt som mulig. Iridium-systemet, med 11 satellitter i 6 baneplan, har en reservesatellitt i hvert plan. Hvis en operativ satellitt feiler, må reservesatellitten flyttes til riktig plass i konstellasjonen.

Andre operasjoner som krever framdriftsmidler i satellittene, er korreksjon av pekeretninger og forandring av rotasjonshastigheter. Det er også aktuelt å fjerne energi som har samlet seg opp i reaksjonshjul på grunn av usymmetriske krefter som har virket på treaksestabiliserte satellitter. Slik overskuddsenergi kan fjernes i en kombinasjon av oppbremsing av hjul og avfyring av et rakettpar.
Dette kommer i tillegg til det som er behandlet tidligere, overføring av satellitter fra overføringsbane til den geostasjonære bane.

Drivstofforbruk til forskjellige formål

For å sammenfatte de forskjellige operasjonene, og for å få et inntrykk av energiforbruket til de forskjellige operasjonene, kan vi se på hastighetsforandringsbudsjettet for en geostasjonær kommunikasjonssatellitt, INTELSAT IV. På grunn av sammenhengen mellom drivstoffmengde og hastighetsforandring som er gitt av rakettligningen for en bestemt satellitt, kan vi uttrykke forbruket både som drivstoffmengde i kg og som hastighetsforandring Δv m/s.

Budsjett for hastighetsforandring og drivstoff for INTELSAT IV

  Dv (m/s) m (kg)
Øst-vest-korreksjon og forandring av baneposisjon 4,78 1,5
Rotasjon og rotasjonskontroll 14,6 4,7
Korreksjon av pekeretning 0,31 0,1
Korreksjon av bane ved oppskyting 54,9
17,8
Inklinasjonskontroll 358,4 115,9
Total hastighetsforandring (m/s)
433,0 140,

 

Av tabellen ser vi tydelig at det er inklinasjonskontrollen som krever mest energi fra fremdriftssystemet til satellitten. Totalt utgjør drivstoffet ca. 20 % av den totale massen som skytes opp. Det er derfor ikke så rart at det arbeides intenst med å redusere den nødvendige massen for drivstoffet ved å utvikle mer effektive motorer og mer effektive strategier for banekorreksjoner.

I den sammenheng er valg av metode for overføring til geostasjonær bane interessant. De første apogeummotorene benyttet fast brennstoff, og da måtte rakettmotoren brenne i ett strekk. Med flytende brennstoff kan motorene slås av og på. Ved å bruke de samme drivstofftankene både til apogeummotor og til andre korreksjoner, såkalt UPS (Unified Propulsion System), ville ubenyttet drivstoff for apogeummotor kunne benyttes av de andre dysene til å forlenge driftstiden for satellitten. Ariane 4 var en rakett med høy presisjon. Det var mindre behov for korreksjon ved posisjonering i geostasjonær bane. Denne presisjonen kunne dermed utnyttes til å forlenge den tiden satellitten kunne holdes i geostasjonær bane og dermed forlenget levetid.

For korreksjon av baneparametrene under vanlig drift er det også utviklet teknikker for utnyttelse av stråletrykket ved bruk av såkalte solseil.

Fremdriftssystem for treaksestabilisert satellitt

Fremdriftsystemet i Tele-X. Illustrasjon.Fremdriftssystemet i Tele-X
Opphavsmann: Public domain
 

Fremdriftssystemet for en treaksestabilisert satellitt (TELE-X) er vist på figuren. Under satellitten sitter apogeummotoren som har en skyvkraft på 400 N. Den bringer satellitten fra overføringsbane til geostasjonær bane, den har flytende brennstoff, den kan startes og stoppes. Sirkulariseringen av banen ble gjennomført i tre trinn. For forskyvning i x og y-retning er det montert 10 N-motorer på sidene av plattformen, som figuren viser.

Drivgassen er i dette tilfellet MMH med N2O4 som oksydator. Det er to sett tanker, redundans, for å øke påliteligheten. For å presse ut drivstoffet, som er nødvendig for en satellitt i vektløs tilstand, brukes komprimert heliumgass.

Systemet har én apogeummotor. De andre dysene er duplisert. Åpning og lukking av ventilene skjer ved hjelp av fjernstyring fra bakken. Der bestemmes hvor stor mekanisk impuls som skal genereres, og dermed hvilken hastighetsforandring som skal gis.