Astronauten können sich durch bloßes Schwingen ihrer Arme umdrehen, aber was ist mit Satelliten ohne Arme?

Am 9. Dezember 2021 gaben die „Weltraumlehrer“ Zhai Zhigang, Wang Yaping und Ye Guangfu jungen Menschen auf der chinesischen Raumstation einen wunderbaren Unterricht in Weltraumwissenschaften. Dies war das erste Mal seit acht Jahren, dass chinesische Astronauten im Weltraum Vorträge hielten.

Die drei Astronauten führten Experimente vor, beispielsweise das Drehen im Weltraum und das Aufblühenlassen von Wasserbällen. Damit zeigten sie uns nur die Spitze des Eisbergs des ungewöhnlichen Lebensstils der Astronauten in einer Umgebung mit Mikrogravitation.

Live-Übertragung des Weltraumunterrichts

(Fotoquelle: Xinhua News Agency B Station)

Teil 1

Warum ist es so schwierig, sich im Weltraum umzudrehen? Es geht um den Drehimpuls

Warum ist das Wenden, das auf der Erde so üblich zu sein scheint, im Weltraum so schwierig?

Dies ist tatsächlich die Auswirkung des Prinzips der Drehimpulserhaltung. Der Drehimpuls ist ein Parameter, der die Rotation eines Objekts beschreibt. Im Allgemeinen gilt: Je größer die Masse eines Objekts, desto schneller ist seine Rotationsgeschwindigkeit, und je größer der Rotationsradius, desto größer ist sein Drehimpuls. Die Erhaltung des Drehimpulses bedeutet, dass bei der Rotation eines Objekts der Drehimpuls unverändert bleibt, wenn keine äußere Kraft auf das Objekt einwirkt oder die gesamte Torsionskraft 0 beträgt.

Wenn eine Person mit einem anfänglichen Drehimpuls von 0 im Raum schwebt (d. h. stationär ist und sich nicht dreht), kann sie sich ohne die Hilfe externer Objekte nicht durch Verdrehen des Körpers umdrehen. Die Experimente des Astronauten Ye Guangfu haben dies bewiesen und wir auf der Erde können die Kraft des Bodens nutzen, um uns zu drehen.

Der Astronaut Ye Guangfu versuchte bei einem Weltraum-Drehexperiment, sich durch Drehen seines Oberkörpers zu drehen, scheiterte jedoch.

(Fotoquelle: Xinhua News Agency B Station)

Dieser Versuch hatte ein Detail. Als Ye Guangfu versuchte, seinen Oberkörper zu drehen, drehte sich sein Unterkörper automatisch in die entgegengesetzte Richtung. Dies liegt daran, dass beim Drehen des Oberkörpers ein Drehimpuls erzeugt wird und der Unterkörper automatisch einen Drehimpuls in die entgegengesetzte Richtung erzeugt, um den durch die Drehung des Oberkörpers erzeugten Drehimpuls auszugleichen und so eine Erhaltung zu erreichen. Doch danach konnte der Oberkörper aufgrund der Einschränkungen der Lendenwirbelsäule und der Taillenmuskulatur nicht weiter rotieren (schließlich kann man Ober- und Unterkörper nicht trennen und getrennt rotieren lassen), und der Versuch schlug fehl.

Dies bringt uns auf eine neue Idee. Wir müssen nur einen Teil des Körpers finden, der sich in allen Winkeln frei drehen kann, und ihn dann rotieren lassen, um einen Drehimpuls zu erzeugen. Dann erzeugt der Hauptkörper einen entgegengesetzten Drehimpuls und rotiert. Später gelang es Ye Guangfu, sich durch Schwingen seiner Arme erfolgreich umzudrehen (Sie können auch versuchen, durch Schwingen Ihrer Oberschenkel Kreise zu zeichnen, aber das könnte zu schwierig sein).

Astronaut Ye Guangfu versucht, seinen rechten Arm zu schwingen und dreht sich erfolgreich um

(Fotoquelle: Xinhua News Agency B Station)

Teil 2

Neben Astronauten stehen sie auch vor dem Problem des "Umdrehens"

Neben Astronauten müssen auch Satelliten im Weltraum das Problem des „Drehens“ lösen. Ihre Situation ist mit der der Astronauten vergleichbar: Wie können Satelliten autonom gesteuert werden, wenn es keine andere Möglichkeit gibt, auf die sie sich verlassen können? Zu diesem Zeitpunkt ist die aus der im letzten Weltraumvortrag besprochenen Kreiselachsenstabilität abgeleitete Einzelspinstabilität nicht mehr ausreichend.

Die Einzelspinstabilisierung ist eine Methode zur Lageregelung, die von frühen künstlichen Satelliten verwendet wurde. Es hält die Lage des Satelliten stabil, indem es dem Satelliten direkt die Rotation als Ganzes ermöglicht. Mit der Ausweitung der Weltraummissionen ist die Methode der Lageregelung mit Einzelspinstabilisierung jedoch nicht mehr in der Lage, die Anforderungen an die Erdorientierung und die hochpräzise Ausrichtung zu erfüllen.

Der Satellit Dongfanghong-1 verwendet zur Lageregelung die Einzelspinstabilisierung.

(Fotoquelle: China Aerospace Museum)

Es gibt immer mehr Lösungen als Probleme, und Wissenschaftler entwickelten bald die Lageregelungsmethode der Doppelspinstabilisierung. Die Einschränkungen des menschlichen Körpers verhindern, dass wir Ober- und Unterkörper getrennt voneinander drehen können. Da Satelliten jedoch von Menschenhand geschaffen sind, können wir Satelliten mit „getrenntem Ober- und Unterkörper“ bauen. Würde das das Problem nicht lösen?

Der Satellit besteht aus zwei Teilen: der Plattform und dem Rotor, die durch Lager verbunden sind. Auf der Plattform werden die auszurichtenden Nutzlasten platziert, während andere Hilfssysteme des Satelliten im Rotor untergebracht werden. Im Betrieb rotiert der Rotor selbst, während die Plattform durch den Motor in die entgegengesetzte Richtung rotiert und so eine Derotation erreicht wird. Diese Methode der Lageregelung ist bei Kommunikationssatelliten im Allgemeinen üblicher. Die vom Satelliten getragene Kommunikationsantenne kann durch eine doppelte Spinstabilisierung eine Bodenausrichtung erreichen.

Der Satellit Fengyun-2 nutzt eine Doppelspin-Stabilisierung

(Fotoquelle: National Satellite Meteorological Center)

Teil 3

Die Doppelspin-Stabilisierung ist keine langfristige Lösung, wir müssen uns weiterhin auf den „Armschwung“ verlassen.

Obwohl die Dual-Spin-Stabilisierung gut funktioniert, zeigen sich mit der Zeit ihre Nachteile. Da die Plattform relativ klein ist, ist auch die installierbare Last geringer. Darüber hinaus können bei Satelliten mit doppelter Spinstabilisierung die Solarzellen nur auf der Oberfläche des Satelliten installiert werden, was zu einer geringen Effizienz bei der Nutzung der Solarenergie und einer geringen Satellitenleistung führt. Da diese Methode des „Umdrehens“ offenbar nicht die optimale Lösung ist, haben sich die Wissenschaftler eine neue Idee ausgedacht.

Ähnlich wie beim Schwingen unserer Arme benötigen wir als Ersatz für den ursprünglichen riesigen Rotor lediglich eine Komponente, die rotieren und einen Drehimpuls liefern kann, sodass sich die Plattform als Hauptteil kontrolliert drehen kann. Dies ist das Prinzip der stabilen Lageregelung mit festem Bias-Impuls auf drei Achsen. Satelliten, die diese Methode der Lageregelung verwenden, verfügen über ein eingebautes Schwungrad mit Vorspannung. Beim Arbeiten dreht sich das Impulsrad weiter und „hält“ einen bestimmten Drehimpuls. Die Satellitenplattform kann bei Bedarf Drehimpulse mit dem Impulsrad austauschen, genau wie Astronauten die Geschwindigkeit ihrer Armschwünge anpassen, um die Rotationsgeschwindigkeit ihres Körpers anzupassen und so die Ausrichtung und andere Anforderungen an die Lageregelung für die Erde oder andere Himmelskörper zu erfüllen.

Die Funktion des Schwungrads ähnelt der des Arms, der die Haltung durch Austausch von Drehimpulsen mit dem Hauptkörper steuert, mit der Ausnahme, dass sich der Arm außerhalb des Körpers befindet, während das Schwungrad innerhalb der Satellitenplattform aufgenommen werden kann.

(Bildquelle: vom Autor anhand von Video-Screenshots erstellt)

Diese Methode lässt sich noch erweitern: Wir können die Anzahl der Schwungräder erhöhen und sie sinnvoll anordnen, sodass der Satellit in jede dreidimensionale Richtung einen „freien“ Drehimpuls zur Rotationsausrichtung und Lageregelung erzeugen kann. Diese Methode verbessert die Steuerungsgenauigkeit erheblich und macht den Satelliten flexibler, sodass sie häufig in Lageregelungs-Subsystemen verschiedener Satelliten eingesetzt wird.

ATS-6 ist der erste Satellit, der die Lageregelungsmethode „Dreiachsenstabilisierung“ verwendet.

(Bildnachweis: NASA)

In der Mikrogravitation des Weltraums erscheinen viele Dinge, die auf der Erde alltäglich erscheinen, anders. Sogar eine scheinbar unbedeutende Sache wie das „Umdrehen“ enthält grundlegende Prinzipien der Satellitenlageregelung.

Ich glaube, dass sich unter der „alltäglichen“ Erscheinung des Weltraums noch viele Unbekannte verbergen, die darauf warten, von uns entdeckt und erforscht zu werden.

Danksagung:

Wir möchten dem Associate Researcher Gao Dong vom Key Laboratory of Electronic Information Technology of Complex Space Systems, National Space Science Center, Chinese Academy of Sciences für die wissenschaftliche Überprüfung dieses Artikels danken.

Quellen:

[1] Bao Miaoqin. Vergleich von vier Entwicklungsplänen für die spinstabilisierten Kommunikationssatelliten meines Landes[J]. Chinesische Weltraumwissenschaft und -technologie, 1992(02): 30–37.

[2] Li Qing. Fortschritte des geostationären Wettersatelliten Chinas[J]. Weltraumrückführung und Fernerkundung, 2001(01): 13–19.

[3] Lü Jianting, Ma Guangfu, Song Bin. Lageregelung eines Satelliten mit vorgespanntem Schwungrad [J]. Regelungstechnik, 2007(06): 569-571+575.

[4] Zhang Renwei. Dynamik und Steuerung der Satellitenumlaufbahn[M]. 1. Auflage. Peking: Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press, 1998.

Produziert von: Science Popularization China

Produziert von: Xu Penghui

Autoreinheit: National Space Science Center, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Hersteller: Computer Network Information Center, Chinesische Akademie der Wissenschaften

(Die in diesem Artikel angegebenen Bilder mit Quellenangabe wurden autorisiert)

Der Artikel gibt nur die Ansichten des Autors wieder und repräsentiert nicht die Position der China Science Expo

Dieser Artikel wurde zuerst in der China Science Expo (kepubolan) veröffentlicht.

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