Was ist das Geheimnis, das dafür sorgt, dass die Raumstation „wie ein Uhrwerk sitzt und sich wie der Wind bewegt“?

Am 24. Juli wurde das Wentian-Labormodul erfolgreich im Wenchang Space Launch Center gestartet. Nachdem Wentian der Raumstation beigetreten war, besteht der aktuelle Raumstationskomplex aus dem Tianhe-Kernmodul, dem Wentian-Labormodul, dem bemannten Raumschiff Shenzhou 14 und dem Frachtraumschiff Tianzhou 4. In diesem Jahr werden auch die Labormodule Mengtian sowie Tianzhou 5 und Shenzhou 15 dort in Betrieb genommen. Der Raumstationskomplex, der im Orbit mehr als 100 Tonnen wiegt, weist Schwierigkeiten bei der Lageregelung auf, die bei den Weltraummissionen meines Landes beispiellos sind. Die sechste Folge von „Fragen zum Himmel“ wird Ihnen das Geheimnis enthüllen, wie man die Raumstation „wie eine Glocke sitzen und sich wie der Wind bewegen“ lässt!

Gibt es eine „Wunderwaffe“ zur Lageregelung von Raumfahrzeugen?

Kontrollierter Momentkreisel zeigt seine Leistungsfähigkeit

Die traditionelle Methode zur Lageregelung von Raumfahrzeugen besteht darin, die Lage über das RCS-Lageregelungssystem (Reaktionskontrollsystem) anzupassen, was eine Aufwärtsbewegung erfordert und große Mengen Treibstoff verbraucht. Die Kosteneffizienz ist sehr gering und es ist nicht für die Lageregelung großer Raumfahrzeuge geeignet.

Während des täglichen Betriebs der Raumstation ändert sich ihre Lage aufgrund des Einflusses vieler Faktoren wie der oberen Erdatmosphäre, der elektromagnetischen Strahlung der Sonne und des Gravitationsfelds. Auch für die zahlreichen Nutzlasten an Bord gelten besondere Ausrichtungsanforderungen, insbesondere für die großen flexiblen Solarflügel gelten dynamische Anforderungen an die Ausrichtung zur Sonne.

⬆️Großer flexibler Solarflügel für Raumstation

Daher ist für den stabilen Betrieb der Raumstation ein leistungsstarkes „Artefakt“ erforderlich, das sie stabilisieren kann – das Steuerdrehmomentgyroskop . Es handelt sich um den Trägheitsaktuator zur Lageregelung von Raumfahrzeugen. Es erhält den Drehimpuls durch ein schnell rotierendes Schwungrad und gibt durch Richtungsänderung des Drehimpulses das Drehmoment nach außen ab. Im Vergleich zum RCS-Lageregelungssystem bietet es neben seinem natürlichen Vorteil des Null-Kraftstoffverbrauchs auch den Vorteil, dass es Störungen der flexiblen Komponenten des Raumfahrzeugs minimiert. Für große Raumstationen ist es eine unverzichtbare technische Kernausrüstung.

⬆️Drehmomentkreisel steuern

Es war einst ein „Stolperstein“ für die technologische Entwicklung!

Jetzt sind wir unabhängig und stellen intelligente Produkte her

Ohne sie ist es unmöglich, einen tausend Meilen langen Faden durch ein Nadelöhr zu ziehen, eine Raumstation zu bauen und schnell manövrierfähige Raumfahrzeuge zu entwickeln. Die technische Forschung und Produktentwicklung des Drehmoment-Kontrollkreisels waren einst der „Stolperstein“ bei der Entwicklung der chinesischen Weltraumtechnologie. Im Jahr 1991 begann mein Land mit der Demonstration von Weltraumlabor- und Raumstationsprojekten, und das Kontrolldrehmomentgyroskop wurde als „schwere Waffe“ vorgestellt. Die Chinesen waren davon überzeugt, dass man „Kerntechnologie nicht kaufen kann“, und entschieden sich daher zu Beginn der Demonstration klar für die Eigenständigkeit.

Der erste Kreisel, der in meinem Land ins All geschossen wurde, war ein Kreisel mit einem Steuerdrehmoment von 200 Nms (Newtonmeter-Sekunde). Die 2011 erfolgreich in die Umlaufbahn gebrachte Tiangong-1 war mit sechs solcher Drehmomentkreisel ausgestattet. Ihre Anwendung im Orbit wurde zu einem Meilenstein in der Entwicklung elektromechanischer Raumfahrtkomponenten meines Landes und machte mein Land nach den USA und Russland zum dritten Land der Welt, das diese Technologie beherrscht.

⬆️200Nms Steuerdrehmomentkreisel

Seit Tiangong-1 hat das wissenschaftliche Forschungsteam sukzessive Produkte mit Drehimpulsen von 0,1 Nms bis 1500 Nms entwickelt und so eine vollständige Palette von Drehmomentkreiselprodukten geschaffen, die den Anforderungen an Lagemanöver und Lageregelung verschiedener Arten von Raumfahrzeugen in China gerecht werden. Im Vergleich zur ersten Produktgeneration bietet der neu entwickelte Steuermomentkreisel die Vorteile hoher Präzision , schneller Reaktion , langer Lebensdauer und hoher Zuverlässigkeit und kann die Anforderungen an die Lageregelung verschiedener Arten von Raumfahrzeugen in China erfüllen .

Die Raumstationsmission hat den Einsatz von Steuermomentkreiseln in chinesischen Raumfahrzeugen auf eine neue Ebene gebracht. Die Steuermomentkreisel anderer Raumfahrzeuge sind in der Kabine installiert und verfügen über eine relativ einfache Arbeitsumgebung, während sich die Steuermomentkreisel der Raumstation sowohl an die Bedingungen innerhalb als auch außerhalb der Kabine anpassen müssen. Aufgrund von Faktoren wie großen Temperaturunterschieden und Änderungen des Vakuumniveaus stellen die Schmierung wichtiger Produktteile und die Wärmeableitung der gesamten Maschine große Herausforderungen dar. Insbesondere bei einem Temperaturunterschied von mehr als 200 Grad außerhalb der Kabine müssen die Entwickler ein spezielles Wärmekontrolldesign durchführen und gleichzeitig Vibrations- und Geräuschreduzierungsarbeiten an den Produkten in der Kabine durchführen, um die Anforderungen an den Kabinengeräuschindex zu erfüllen.

⬆️Sechs große Steuerdrehmomentkreisel wurden im Kernmodul der Raumstation installiert

Als komplexes elektromechanisches Weltraumprodukt ist das Drehmoment-Steuergyroskop für raue Arbeitsumgebungen geeignet und hat eine lange Lebensdauer. Es muss über viele Jahre hinweg kontinuierlich mit Tausenden von Umdrehungen pro Minute arbeiten und die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls im Orbit ist relativ hoch. Um die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Raumstation zu gewährleisten, muss der Steuerdrehmomentkreisel daher auch im Orbit ausgetauscht werden können .

Der in der chinesischen Raumstation verwendete Steuerdrehmomentkreisel verfügt mit 1500 Nms über den derzeit größten Drehimpuls und verfügt über eine Zwei-Kabinen-Konfiguration „6+6“. Sechs davon wurden an der Außenwand des Kegels installiert, der die große und die kleine Säule des Kernmoduls verbindet, und die anderen sechs werden im Wentian-Experimentiermodul installiert. Diese Konfiguration ist die erweiterte Funktion der kombinierten Systemebene, die bei Bedarf über das Gesamtnetzwerk integriert und neu konfiguriert werden kann.

⬆️Shenzhou 14 Astronauten richten den Kontrolldrehmomentkreisel im Orbit ein

Vom „Stolperstein“ zum technologischen Höhepunkt: Die Entwicklung und Anwendung der Produkte der Serie Control Torque Gyro haben die Fähigkeiten zur Lagesteuerung und Lagestabilitätskontrolle der Raumfahrzeuge meines Landes deutlich verbessert und auch die schnelle Entwicklung der Trägheitsantriebe für die Raumfahrt meines Landes gefördert. Die gemeinsame Nutzung mehrerer Steuerdrehmomentgyroskope reicht aus, um der Raumstation zu helfen, „wie eine Glocke zu sitzen und sich wie der Wind zu bewegen“ und die stetige Entwicklung der bemannten Raumfahrttechnik zu fördern.

(Beijing-Institut für Regelungstechnik, Chinesische Akademie für Weltraumtechnologie)