Fagstoff

Framdriftssystem

Publisert: 06.10.2010, Oppdatert: 03.03.2017

Det er fleire behov for korreksjon av baneparametrar og peikeretning under drift av satellittar i rommet. Det kan også vere behov for "flytting" av satellittar til andre baneposisjonar. Her dreier det seg ofte om mindre korreksjonar, og til det blir det brukt små rakettmotorar, trusterar, av ymse slag. Eit viktig omsyn er at systema for framdrift er enkle, stabile og pålitelege, og at operasjonane er enkle.

Behovet for banekorreksjonar

Satellittbaner blir påverka av forskjellige krefter, i tillegg til det sfæriske tyngdefeltet, slik at baneparametrane endrar seg. Det blir stadig sterkare krav til nøyaktigheit, at satellittane blir i den riktige baneposisjonen.

Den geostasjonære bana er ein ettertrakta, avgrensa naturressurs. For å få plass til flest mogleg satellittar må dei halde seg på dei plassane dei har fått tildelt, så nøyaktig som mogleg. Internasjonale normer er at dei skal haldast innanfor ein "boks" på ± 0,1°, inklinasjon og aust–vest-posisjon, men praksis no er å halde dei innanfor ± 0,05°. Stabil posisjon vil også sikre at større antenner kan operere utan aktiv styring, og det kan gjere jordstasjonar mykje billegare.

Nokre gonger er det også naudsynt å skifte baneposisjon. Intelsat, som opererer ca. 25 satellittar i geostasjonær bane, vil kunne flytte dei etter korleis trafikken i dei ulike geografiske områda utviklar seg. Da Telenor kjøpte den britiske TV-satellitten Marco Polo og døypte han om til Thor I, "flytte" dei satellitten frå 31° vest til 1° vest.

I operative system er det naudsynt å ha reservesatellittar i bane som kan ta over ved eventuelle feil i aktive satellittar. Da er det viktig å halde talet på reservesatellittar så lågt som mogleg. Iridium-systemet, med 11 satellittar i 6 baneplan, har ein reservesatellitt i kvart plan. Dersom ein operativ satellitt feiler, må reservesatellitten flyttast til riktig plass i konstellasjonen.

Andre operasjonar som krev framdriftsmiddel i satellittane, er korreksjon av peikeretningar og endring av rotasjonsfart. Det er også aktuelt å fjerne energi som har samla seg opp i reaksjonshjul på grunn av usymmetriske krefter som har verka på treaksestabiliserte satellittar. Slik overskotsenergi kan fjernast i ein kombinasjon av oppbremsing av hjul og avfyring av eit rakettpar.
Dette kjem i tillegg til det som er behandla tidlegare, overføring av satellittar frå overføringsbane til den geostasjonære bana.

Drivstofforbruk til ulike føremål

For å samanfatte dei ulike operasjonane, og for å få eit inntrykk av energibruken til dei ulike operasjonane, kan vi sjå på fartsendringsbudsjettet for ein geostasjonær kommunikasjonssatellitt, INTELSAT IV. På grunn av samanhengen mellom drivstoffmengd og fartsendring som er gitt av rakettlikninga for ein særskild satellitt, kan vi uttrykkje forbruket både som drivstoffmengd i kg og som fartsendring Δv m/s.

Budsjett for fartsendring og drivstoff for INTELSAT IV

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

 

Av tabellen ser vi tydeleg at det er inklinasjonskontrollen som krev mest energi frå framdriftssystemet til satellitten. Totalt utgjer drivstoffet ca. 20 % av den totale massen som blir skoten opp. Det er derfor ikkje så rart at det blir arbeidd intenst med å redusere den naudsynte massen for drivstoffet ved å utvikle meir effektive motorar og meir effektive strategiar for banekorreksjonar.

I den samanhengen er val av metode for overføring til geostasjonær bane interessant. Dei første apogeummotorane nytta fast brennstoff, og da måtte rakettmotoren brenne i eitt strekk. Med flytande brennstoff kan ein slå motorane av og på. Ved å bruke dei same drivstofftankane både til apogeummotor og til andre korreksjonar, såkalla UPS (Unified Propulsion System), ville ubrukt drivstoff for apogeummotor kunne nyttast av dei andre dysene til å gjere driftstida for satellitten lenger. Ariane 4 var ein rakett med høg presisjon. Det var mindre behov for korreksjon ved posisjonering i geostasjonær bane. Denne presisjonen kunne dermed bli nytta til å lengje den tida satellitten kunne haldast i geostasjonær bane og dermed gi lengre levetid.

For korreksjon av baneparametrane under vanleg drift er det også utvikla teknikkar for utnytting av stråletrykket ved bruk av såkalla solsegl.

Framdriftssystem for treaksestabilisert satellitt

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

Framdriftssystemet for ein treaksestabilisert satellitt (TELE-X) er vist på figuren. Under satellitten sit apogeummotoren som har ei skyvkraft på 400 N. Han tek satellitten frå overføringsbane til geostasjonær bane, har flytande brennstoff og kan startast og stansast. Sirkulariseringa av bana blei gjennomførd i tre steg. For forskyving i x og y-retning er det montert 10 N-motorar på sidene av plattforma, som figuren viser.

Drivgassen er i dette tilfellet MMH med N2H4 som oksydator. Det er to sett tankar, redundans, for å auke pålitsgraden. For å presse ut drivstoffet, som er naudsynt for ein satellitt i vektlaus tilstand, blir komprimert heliumgass brukt.

Systemet har éin apogeummotor. Dei andre dysene er dupliserte. Opning og lukking av ventilane skjer ved hjelp av fjernstyring frå bakken. Der blir det bestemt kor stor mekanisk impuls som skal genererast, og dermed kva fartsendring som skal bli gitt.