Fagstoff

Rotasjonsstabilisering

Publisert: 06.10.2010, Oppdatert: 03.03.2017

Den første satellitten, Sputnik, hadde kuleform, og han var utstyrt med antenner som var tilnærma omnidireksjonelle. Det vil seie at dei kunne sende og ta imot signal i alle retningar. Dette var lite effektiv bruk av sendeeffekt, men det var naudsynt fordi ein den gongen mangla retningskontroll for satellitten.

For å kunne utnytte satellittar effektivt var det naudsynt å utvikle system for retningskontroll, det som på engelsk blir kalla attitude control, og dei løysingane som blei utvikla var avgjerande for den geometriske utforminga av plattforma. Utviklinga byrja med dei geostasjonære satellittane. Det blei utvikla ein metode basert på rotasjonsstabilisering, som førte til tønneforma satellittar. Denne teknikken blei utvikla langt og kunne brukast for store kommunikasjonssatellittar.

Men rotasjonsstabiliseringa hadde også sterke avgrensingar, ikkje minst når det gjaldt generering av effekt med solcellepanel, og når det gjaldt styring av kompliserte antennesystem. Det leidde til utvikling av full retningskontroll om dei tre ortogonale aksane, treaksestabilisering.

Satelittbilde av Sputnik. Foto.Sputnik 

 

Telstar avbilda på frimerke. Illustrasjon.TELSTAR
Opphavsmann: Public domain
   

Ingen retningskontroll

Den kuleforma som den første satellitten hadde, kom av at teknologien for å halde han i ei bestemd retning i rommet ikkje var utvikla. Ein slik satellitt utan kontrollert orientering eller peikeretning har ikkje mange bruksområde. Som reléstasjon for signal ville han sende effekten i alle himmelretningar, og berre ein liten del ville falle på dei ønskte områda på jordoverflata.

Til observasjonsføremål ville han også vere ueigna dersom oppgåva gjekk ut på å observere spesielle mål, anten det er i verdsrommet eller på jorda. Dei lågaste krava til retningskontroll kan vi berre ha for vitskaplege satellittar som skal måle tilstandar i det rommet dei er i, og overføre mindre datamengder til mottakarstasjonar på bakken.

Ein satellitt som representerte ein milepåle når det gjeld kommunikasjon via satellitt, var TELSTAR, som stod for den første direkte overføringa av TV-signal mellom Europa og Nord-Amerika. Som vist på figuren var han utan retningskontroll. Dermed blei tilgjengeleg effekt låg, og antennevinning for mottaking og sending var låg. Dermed måtte jordstasjonane vere store.

Intelsatelitt. Foto.Intelsat 2
Opphavsmann: Public domain
 

 

Intelsatelitt. Foto.Intelsat 3
Opphavsmann: Public domain
 

.

NutasjonNutasjon
Opphavsmann: Narom
 

Rotasjonsstabilisering

Dei første kommersielle telesatellittane var rotasjonsstabiliserte, og dei blei utstyrte med ei antenne som sende effekten i ei vifteform rundt rotasjonsaksen. Da ville uvegerleg ein stor del gå ut i verdsrommet og dermed vere tapt. Dette var tilfellet med INTELSAT II, som blei brukt til telefontrafikk mellom Europa og USA.

Det var ei stor betring av effektiviteten da satellittane kunne bli utstyrte med eit antennesystem som roterte i motsett retning med same fart slik at det var kontinuerleg retta mot jordkloden. Etterfølgjaren, INTELSAT III, hadde eit antennesystem som hadde form av ein spegel som reflekterte signalet mot jorda. Denne betringa auka overføringskapasiteten mykje.

Seinare er antennesystema utvikla vidare og blitt stadig meir avanserte, men kravet har vore at dei har ein nøye kontrollert motrotasjon som held peikeretninga fast. Ei stor teknologisk utfordring er å overføre signala i åtskilde kanalar med minst moglege tap mellom ei roterande satellittplattform og eit motroterande antennesystem. Typisk omdreiingsfart for å oppnå tilstrekkjeleg gyroskopisk stivleik er 60 til 120 omdreiingar per minutt.

Bruk av motroterande antenner skaper eit stabilitetsproblem. Den motroterande massen i antennesystemet reduserer tregleiks-momentet om symmetriaksen og set større krav til massefordelinga i sjølve plattforma.

Ein annan stabil tilstand er nutasjon, det vil seie at rotasjonsaksen beskriv ei kjegle omkring denne aksen, slik vi ser det for ein snurrebass der aksen ikkje har ei fast retning. Denne nutasjonen er det ønskjeleg å fjerne da han fører til peikefeil. Det må gjerast ved å fjerne "overflødig" rotasjonsenergi, og dette er generelt eit problem i rommet. Energitap kan skje ved å utstyre satellitten med masse som kan bevege seg innbyrdes på ein slik måte at det fører til friksjon som forbruker energi, slik som hjul med friksjonskopling til hovudstrukturen, kuler som skvalpar i væskefylte røyr, og solcellepanel som vibrerer.

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

Måling av retning for rotasjonsstabiliserte satellittar

Korleis kan ein registrere at rotasjonsaksen er normalt på ekvatorialplanet, og at antennesystemet roterer med nøyaktig fart og fase? Her blir ofte infraraude (IR) detektorar nytta. Det er halvleiarkomponentar som verkar som mottakarantenner for infraraude signal. Da infraraude signal har kort bølgjelengd, vil sjølv små IR-sensorar ha stor retningsselektivitet. Når ein slik sensor blir retta mot ein lekam, vil utgangseffekten vere proporsjonal med den fysiske temperaturen i det infraraude bandet.

Jordkloden har ein temperatur på typisk 250 K, mens det kalde verdsrommet har ein temperatur på typisk 4 K. Når ein slik detektor blir montert på ein roterande satellitt, og når strålen passerer jordhorisonten sett frå satellitten, vil det skje ei markert endring i effekten som blir motteken. Figuren viser motteken effekt frå to IR-sensorar som sit overfor kvarandre på den roterande satellitten, men som har litt ulik retning nord–sør. Dersom satellittaksen er nøyaktig perpendikulær ekvatorialplanet, vil pulsane frå begge IR-sensorane vere akkurat like lange. Ei helling av satellittaksen i planet jordakse–satellitt vil føre til at pulsane får ulik lengd, og denne ulikskapen vil gi informasjon om både feilretning og storleik på vinkelfeilen. Ein detektor på det motroterande antennesystemet vil fortelje når det peikar mot jorda, og det skal vere sentrert i høve til dei signala som er viste på figuren.

Intelsatelitt. Foto.Intelsat 4a
Opphavsmann: Public domain
  

Store rotasjonsstabiliserte satellittar

Teknikken med rotasjonsstabiliserte satellittar har vore utvikla langt og er blitt brukte for store kommunikasjonssatellittar, mellom anna for Hughes plattform 376, som er nytta for Intelsat 4a. For å betre stabilitetseigenskapane er det mogleg å nytte momenthjul. Desse kan auke tregleiksmomentet om ein ønskt akse. Sidan tregleiksmomentet for eit gitt hjul er proporsjonalt med kvadratet av omdreiingsfarten, og sidan ein ønskjer så låg masse som mogleg innanfor eit avgrensa volum, ønskjer ein så stor omdreiingsfart som høver med effektforbruk og driftstryggleik. Slike hjul kan ha rotasjonsfart på typisk 3000 til 4000 omdreiingar per minutt.

Relatert innhald