DE2110405C3 - Nutationsdampfer fur ein drallstabilisiertes Raumfahrzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Nutationsdämpfer für ein drallstabilisiertes Raumfahrzeug, der starr an der Struktur des Raumfahrzeuges befestigt ist und von einem Gehäuse umschlossen ist

Es ist bekannt, Raumfahrzeuge aus zwei relativ zueinander drehenden Körpern aufzubauen und einem dieser Körper einen passiven Nutationsdämpfer zuzuordnen (US-PS 34 42 468). Eine wirksame Nutationsdämpfung kann mit dieser bekannten Anordnung nur durch eine spezielle Anpassung des Raumfahrzeuges selbst erreicht werden. Dieser bekannte Nutationsdämpfer kann nicht für beliebig gestaltete Raumfahrzeuge verwendet werden. Bei Nutationsdämpfern anderer Art zur Erhöhung der Nutation von ungelenkten Raketen ist es ferner bekannt, diesen in einem Gehäuse einzuschließen, das fest mit der Rakete verbunden ist (US-PS 33 97 851).

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Nutationsdämpfer zu schaffen, mit dem die Nutation von beliebigen Raumfahrzeugen, beispielsweise von Raumfahrzeugen mit abgeplatteter oder länglicher Form wirksam gedämpft werden kann und irgendwo an dem Raumfahrzeug angebracht werden kann.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Nutationsdämpfer laut Oberbegriff des Hauptanspruches durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen insbesondere auch eines selbstdämpfenden Flüssigkeitsschwungrades ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein erfindungsgemäßer Nutationsdämpfer kann an beliebig gestalteten Raumfahrzeugen und dort auch an beliebiger Stelle exzentrisch zur Rotationsachse des

ίο Raumfahrzeuges angebracht werden und ermöglicht so eine wirksame Nutationsdämpfung, ohne daß hierzu ein nicht-rotierender Teil des Raumfahrzeuges nötig ist. Ein erfindungsgemäßer Nutationsdämpfer kann damit beispielsweise unmittelbar an ein abgeplattetes oder

η länglich gefomtes Raumfahrzeug angebracht werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 ein Raumfahrzeug mit einem erfindungsgemä-

Ki Ben Nutationsdämpfer;

Fig. 2 eine teilgeschnittene Darstellung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Nutationsdämpfers;und

Fig.3 eine teilgeschnittene Darstellung einer zwei-

•r> ten Ausführungsform eines Nutationsdämpfers nach der Erfindung.

Bei einem Raumfahrzeug nach Fig. 1 wird ein im wesentlichen nicht-rotierender Körper bzw. eine nicht-rotierende Plattform 2 mittels eines nicht-rotie-

">o renden Halleteils 2a durch einen sich um eine Rotationsachse z-z drehenden Körper 1 gehalten. Auf der nicht-rotierenden Plattform 2 lassen sich verschiedene Instrumente befestigen, wobei eine dargestellte Nachrichtenantenne 3 als ein typisches Instrument

ν·, dieser Art gilt. In dem rotierenden Körper 1 ist an einer von der Rotationsachse z-z einen bestimmten radialen Abstand aufweisenden Stelle ein Nutationsdämpfer 4 fest mit der Plattform 5 verbunden.

Der Nutationsdämpfer 4, der in Fig. 2 ausführlicher

w) dargestellt ist, weist ein äußeres Gehäuseteil 6 auf, welches dicht verschlossen ist und eine inerte Atmosphäre enthält. Zwei Lagerstützteile 7, 8 des äußeren Gehäuseteils 6 nehmen die Lager 9, 10 zur drehbaren Lagerung einer Welle 11 auf, welche drehfest mit der

(ν. zentralen Nabe 12 eines inneren Gehäuses 13 ■rbunden ist. Zwei zusammengehörige Elektromotore sind zwischen den beiden vorspringenden Teilen der zentralen Nabe 12 und dem äußeren Gehäuse 6

angeordnet, wobei der Rotor 15 der beiden Motoren an der zentralen Nabe 12 befestigt ist, wogegen der Stator 14 der Motoren mit dem äußeren Gehäuseteil 6 verbunden ist Bei einem der Motoren handelt es sich um einen Hochleistungsmotor, der ausschließlich das Anlaufen des im folgenden erwähnten Schwungrades 29 bewirkt und ausgeschaltet wird, sobald das Schwungrad die Rotationsdrehzahl erreicht hat; der andere Motor bleibt eingeschaltet, wodurch die Drehzahl des Schwungrades auf der gewünschten Höhe gehalten wird. Das innere Gehäuse 13 ist mit der Nabe 12 drehfest verbunden und dreht sich zusammen mit dem Schwungrad in einer Richtung, die der Drehrichtung des rotierenden Körpers 1 entgegengesetzt ist Die Mittellinie der Lager 9, 10 verläuft in einem gewissen Abstand parallel zur Rotationsachse z-z.

Die zentrale Nabe 12 ist mit zwei diametral gegenüberliegenden, nach außen vorspringenden Armen 16, 17 versehen, welche mittels flexibLn Drehelementen 18, 19 mit zwei diametral gegenüberliegenden, nach innen gerichteten Armen 20, 21 verbunden sind, die von einem Kreuzgelenkring 22 vorspringen. Der Kreuzgelenkring besitzt zwei weitere, diametral gegenüberliegende Arme 23, 24 — es ist nur ein Arm dargestellt — die nach außen gerichtet sind und gegenüber den Armen 20, 21 um 90° versetzt sind. Die genannten Arme 23, 24 sind mittels flexiblen Drehelementen 25, 26 mit zwei Armen 27, 28 — es ist nur ein Arm dargestellt — verbunden, welche von dem ringförmigen Kreiselschwungrad bzw. Schwungrad 29 nach innen vorspringen, wobei letzteres im inneren Gehäuse 13 konzentrisch angeordnet ist.

Jedes der flexiblen Drehelemente 18, 19 und 25, 26 weist zwei entgegengesetzt geneigte, sich kreuzende, federnd-elastische Metallstreifen auf, die an ihren entgegengesetzten Enden mit den entsprechenden Teilen, die sie aneinanderkoppeln, verbunden, an ihrem Kreuzungspunkt jedoch getrennt sind. Die flexiblen Drehelemente 18,19 und 25,26 sowie der Kreuzgelenkring 22 bilden ein Universalgelenk, welches ermöglicht, daß das Schwungrad 39 relativ zum inneren Gehäuse 13 kippen kann und welches die Antriebskraft der Motoren 14,15 auf das Schwungrad überträgt. Der Kreuzgelenkring 22 rotiert mit dem Schwungrad.

In dem inneren Gehäuse 13 befindet sich eine bestimmte Menge Dämpfungsflüssigkeit 34, welche eine hydraulische Dämpfung der Kippbewegungen des inneren Gehäuses 13 relativ zum Schwungrad bewirkt. Es lassen sich auch andere Dämpfungsmöglichkeiten anwenden, wie beispielsweise die Wirbelstromdämpfung.

Es kann also als selbstverständlich angesehen werden, daß das Schwungrad 29, wenn es mit einer hohen Drehzahl rotiert — beispielsweise 30 000 U/min. — ein Reaktionsorgan darstellt, welches in einer bestimmten Richtung kreiselstabilisiert ist, und dazu dient, die Kippbewegung des inneren Gehäuses 13 und damit die Nutationsbewegungen des äußeren Gehäuses 6 und des rotierenden Teiles des Raumfahrzeuges, mit dem es fest verbunden ist, mittels der Dämpfungsflüssigkeit zu dämpfen.

Das allgemeine Prinzip der Wirkungsweise des Nutationsdämpfers nach den Fig. 1 und 3 ist das folgende.

Führt ein Körper, beispielsweise ein rotierendes Raumfahrzeug, Nutationsbewegungen aus, so kann sich der Vektor der Winkelgeschwindigkeit des eigentlichen Körpers auf beiden Seiten des Drehimpulsvektors befinden, je nachdem ob es sich um einen länglichen oder abgeplatteten Körper handelt Wird jedoch das innere Gehäuse 13 des Nutationsdämpiers 4 — es ist so angeordnet daß die Mittellinie seiner Lager mit der Rotationsachse des Raumfahrzeuges zusammenfällt oder einen radialen Abstand von dieser aufweist — zusammen mit dem Schwungrad in der der Drehrichtung des Raumfahrzeuges entgegengesetzten Richtung mit hoher Geschwindigkeit gedreht so verläuft sein

ι« Winkelgeschwindigkeitsvektor im wesentlichen parallel zur Rotationsachse des Raumfahrzeuges, jedoch in entgegengesetzter Richtung (anti-parallel). Es kann also sein Winkelgeschwindigkeitsvektor in eine gleichbleibende Komponente längs des Drehimpulsvekiors und eine Normalkomponente zerlegt werden, welche mit der Nutationsgeschwindigkeit um den Drehimpuh.vektor rotiert, und zwar immer auf der entgegengesetzten Seite des Drehpulsvektors zur Rotationsachse, ob es sich nun um einen länglichen oder abgeplatteten Körper

J» handelt. Der Energieentzug des Rotationsdämpfers ruft ein dem rotierenden Winkelgeschwindigkeitsveklor entgegenwirkendes Drehmoment hervor. Dieses Drehmoment weist eine Richtung auf, die geeignet ist, die Nutation zu verringern, ob es sich nun um einen

r. länglichen oder abgeplatteten Körper handelt, wobei vorausgesehen werden muß, daß das Schwungrad in der der Rotationsrichtung des Raumfahrzeuges entgegengesetzten Richtung gedreht wird.
Es läßt sich nachweisen, daß sich der Betrag des

iii Dämpfungsdrehmomentes, der bei einem gegebenen Nutationswinkel durch einen derartigen Nutationsdämpfer hervorgerufen wird, näherungsweise aus folgendem Ausdruck ergibt:

l)ä in pfti ngsd ich mo men t

'/>· Wn- I

(vorausgesetzt, daß die Parameter in geeigneter Weise aufeinander abgestimmt sind)

Φ ist der Nutationswinkel; er ist klein,

Wn ist die Geschwindigkeit der Nutationsbewegung in Drehrichtung,

/ ist das Trägheitsmoment des Schwungrades, und
r' ist die Winkelgeschwindigkeit des Schwungrades,

wobei r' groß und gegenüber der Rotationsgeschwindigkeit rdes Hauptkörpers negativ ist.

Aus dem Ausdruck geht hervor, daß, bei einem gegebenen Trägheitsmoment / des Schwungrades, die hervorgerufene Dämpfung der Schwungradwinkelgeschwindigkeit r' und damit der Schwungraddrehzahl proportional ist (negativ gegenüber der Rotation des Raumfahrzeuges). Daraus folgt, daß bei steigendem Wert von r'und gleichbleibendem Dämpfungsdrehmoment das Trägheitsmoment /und damit das Gewicht des erforderlichen Nutationsdämpfers kleiner sein kann. Offensichtlich ist das hervorgerufene Dämpfungsdrehmoment dem Drehimpuls / · r' des Schwungrades proportional. Zur Bildung eines gegebenen Dämpfungsbetrages muß der Nutationsdämpfer einen entsprechenden Drehimpulsbetrag dem rotierenden Hauptkörper entziehen. Zur Erzeugung einer hinreichend großen Dämpfung, die dazu dient, dem destabilisierenden Effekt des Energieentzuges bei einem länglichen, rotierenden Körper entgegenzuwirken, muß eine Verringerung des Impulses des Körpers von ca. 5% hingenommen werden.

Die Geschwindigkeit der NntatirmiVprrintJpriirKT

welche durch den Nutationsdämpfer verursacht wird, ergibt sich aus folgendem Ausdruck

Ahklingzcilkonstanlc der Nutation _ 2/7

Nutalu iisperiode η Ir''

wobei H der ursprüngliche Drehimpuls des rotierenden Hauptkörpers ist.

Der nach F i g. 1 bis 3 beschriebene Nutationsdämpfer weist gegenüber bekannten Nutationsdämpfern bei- ι ο spielsweise folgende Vorteile auf:

a) In denjenigen Fällen, in denen ein Nutationsdämpfer bekannter Bauart für einen länglichen Körper auf einer nicht-rotierenden Plattform befestigt ι ■-, werden muß, benötigt der beschriebene Nutationsdämpfer, welcher mit hoher Drehzahl rotiert (negativ gegenüber der Drehrichtung des Hauptkörpers), keine zusätzliche nicht-rotierende Plattform. 2(1

b) Durch die Vergrößerung des Dämpfungseffektes proportional zur Drehzahl des beschriebenen Nutationsdämpfers kann dessen Gesamtmasse und Gesanuabmessung kleiner sein als bei bekannten Nutationsdämpfern. i>

c) Während ein Nutationsdämpfer bekannter Bauart an einer bestimmten Stelle auf der nicht-rotierenden Plattform angeordnet sein muß, läßt sich dei beschriebene, erfindungsgemäße Nutationsdämp fer an jeder Stelle in dem rotierenden Körpei anbringen, sofern er mit einer hohen negativer Drehzahl rotiert und seine Achse zur Achse dei rotierenden Körpers parallel verläuft.

Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Nutationsdämpfers nach Fig.3 weist ein dicht verschlossenes äußeres Gehäuse 40 auf, welches eine inerte Atmosphäre enthält. Das äußere Gehäuse besitzt einen elektrischen Wechselstrommotor 41, welcher ein zweckdienlich geformtes inneres Gehäuse 42 antreibt das seinerseits in Lagern 43, 44 drehbar gelagert ist. wobei die Drehrichtung derjenigen des äußeren Gehäuses des Nutationsdämpfers 4 und des Raumfahrzeuges entgegengesetzt ist. Die Mittellinie der Lager 43, 44 verläuft in einem Abstand parallel zur Rotationsachse des Raumfahrzeuges.

Innerhalb des Gehäuses 42 befindet sich ein bestimmtes Volumen flüssigen Quecksilbers 45, welches gleichsam ein Schwungrad bildet, wenn das innere Gehäuse 42 rotiert (F i g. 3) Ein derartiges Schwungrad besitzt selbstdämpfende Eigenschaften und benötigt kein Universalgelenk, wie sie in der Ausführung nach Fig. 2 durch die flexiblen Elemente 18, 19 und 25, 26 vorgesehen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Nutationsdämpfer für ein drallstabilisiertes Raumfahrzeug, der starr an der Struktur des Raumfahrzeugs befestigt ist und von einem Gehäuse umschlossen ist, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

a) das Gehäuse (6, 40) ist an einer Stelle angeordnet, die exzentrisch zur Rotationsachse des Raumfahrzeugs liegt,

b) ein Schwungrad (29, 45) ist im Gehäuse (6, 40) um eine zur Rotationsachse parallele Achse gelagert,

c) eine Antriebsvorrichtung (14, 15, 41) versetzt das Schwungrad in eine zur Drehrichtung des Raumfahrzeugs entgegengesetzte Richtung in hohe Drehzahl,

d) eine Schwungradaufhängung (18—26) gestattet Kippbewegungen des Schwungrades in jede Richtung relativ zum Gehäuse,

e) Dämpfungseinrichtungen (34, 45) dämpfen die Kippbewegungen des Schwungrades.

2. Nutationsdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (6) ein Innengehäuse (13) gelagert ist, welches das Schwungrad (29) aufnimmt und dem Vorrichtungen (9, 10, 11) zugeordnet sind, die eine relative Kippbewegung zwischen diesen Gehäusen (6 und 13) verhindern und das Innengehäuse (13) eine relative Kippbewegungen zwischen dem Schwungrad (29) und diesem Innengehäuse (13) dämpfende Flüssigkeit (34) enthält.

3. Nutationsdämpfer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwungrad (29) mittels eines Universalgelenkes (18—26) auf einer im Gehäuse (6) drehbar gelagerten und mit dem Innengehäuse (13) drehfest verbundenen Nabe (12) kippbar gelagert ist und die Antriebsvorrichtung (14, 15) zwischen dem Gehäuse (6) und der Nabe (14) vorgesehen ist.

4. Nutationsdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwungrad durch ein mit einer freibeweglichen Flüssigkeit gefülltes und im Gehäuse (40) um ein parallel zur Rotationsachse drehbar gelagertes Innengehäuse (42) gebildet ist und die Antriebsvorrichtung (41) zwischen dem Gehäuse (40) und diesem Innengehäuse (42) wirkt.

5. Nutationsdämpfer nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Innengehäuse (13, 42) hermetisch verschlossen ist und zusätzlich zu der Dämpfungs- bzw. Schwungmassen-Flüssigkeit (34, 45) eine inerte Atmosphäre enthält.

6. Nutationsdämpfer nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (6, 40) hermetisch verschlossen ist und eine inerte Atmosphäreenthält.

7. Nutationsdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwungrad-Dämpfungseinrichtung eine Wirbelstromdämpfungseinrichtung aufweist, die zwischen Schwungrad (29) und Gehäuse (6) wirkt.