DE69428531T2

DE69428531T2 - Doppelkardanisches Momentumregelungsgyroskop mit hohem Drehmoment

Info

Publication number: DE69428531T2
Application number: DE69428531T
Authority: DE
Inventors: Harold A. Rosen
Original assignee: Hughes Electronics Corp
Current assignee: AT&T MVPD Group LLC
Priority date: 1994-07-29
Filing date: 1994-07-29
Publication date: 2002-05-23
Anticipated expiration: 2014-07-30
Also published as: EP0916576A3; EP0916576B1; EP0916576A2; DE69428531D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf doppelkardanische Momentumregelungsgyroskope, die in Raumfahrzeugen für eine Stabilisierung der Fluglage verwendet werden, Spezifischer bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Vorrichtung zum Wiederausrichten bzw. Nachjustieren eines Raumfahrzeugs, in welchem Bremsmittel, die beiden Kardanringen bzw. Kompaßringen zugeordnet bzw. hinzugefügt sind, simultan unter der Anwendung eines Drehmoments auf die Kompaßringe bzw. Kardanringe betätigt werden, um eine Verstärkung des Steuer- bzw. Regelmoments, das dem Raumfahrzeug verliehen wird, zu erreichen.
Ein System zum schnellen Positionieren von kardanischen bzw. kardanisch aufgehängten Gegenständen ist aus der US-A 3 795 150 bekannt.
Momentumregelungsgyroskope wurden zahlreiche Jahre sowohl in einfachkardanischen als auch doppelkardanischen Versionen verwendet, um die Fluglage eines Raumfahrzeugs zu steuern bzw. zu regeln. Das einfachkardanische Momentumregelungsgyroskop ist gegenüber dem doppelkardanischen Momentumregelungsgyroskop dahingehend bevorzugt, daß das verwendbare Ausgangs- bzw. Ausgabedrehmoment, das auf das Raumfahrzeug durch das einfachkardanische Momentumregelungsgyroskop ausgegeben wird, um Größenordnungen größer als das Drehmoment sein kann, das durch den Drehmomentmotor angelegt ist. Die Fähigkeit eines hohen bzw. großen Ausgabedrehmoments des einfachkardanischen Momentumregelungsgyroskops resultiert aus der Tatsache, daß das von dem Drehmomentmotor in dem einfachkardanischen Momentumregelungsgyroskop angelegte Drehmoment nur die statische Trägheit des Schwungkreisels überwinden muß, um das Gyroskop zur Präzession zu zwingen.
Im Gegensatz zu dem einfachkardanischen Momentumregelungsgyroskop stellt ein konventionelles, doppelkardanisches Momentumregelungsgyroskop keine Drehmomentverstärkung über jene hinaus zur Verfügung, die durch den Drehmomentmotor bereitgestellt wird. Das konventionelle, doppelkardanische Momentumregelungsgyroskop erfordert in nachteiliger Weise unpraktisch große Drehmomentmotoren, um eine hohe bzw. große Drehmomentsteuerung bzw. -regelung zur Verfügung zu stellen. So ist ein wünschenswertes Merkmal des einzelkardanischen Momentumregelungsgyroskopdesigns gegenüber jenem des konventionellen, doppelkardanischen Momentumregelungsgyroskops jenes, daß kleine Drehmomentmotoren verwendet werden können, um große Steuer- bzw. Regeldrehmomente zu erzeugen. Jedoch erfordert das einzelkardanische Momentumregelungsgyroskopsystem in nachteiliger Weise zwei gesonderte Vorrichtungen, um eine hohe Drehmomentsteuerung bzw. -regelung entlang von zwei Achsen zur Verfügung zu stellen, wohingegen das konventionelle, doppelkardanische Momentumregelungsgyroskopdesign nur einen einzigen, großen Drehmomentmotor erfordert. Dementsprechend verwendet der gegenwärtige Design- bzw. Konstruktionszugang, um hohe Drehmomentregelungsanforderungen in Gyroskopsystemen zu erfüllen, eine Vielzahl von einzelkardanischen Momentumregelungsgyroskopen. Daher wird ein Weg gesucht, welcher die Fähigkeiten eines hohen Drehmoments des einzelkardanischen Momentumregelungsgyroskops mit der Doppelachsensteuerung bzw. -regelung des doppelkardanischen Momentumregelungsgyroskops kombiniert.
Die vorliegende Erfindung umfaßt eine Modifikation des konventionellen, doppelkardanischen Momentumregelungsgyroskopdesigns, welches die hohe Drehmomentvergrößerungscharakteristik des einzelkardanischen Momentumragelungsgyroskopdesigns zur Verfügung stellt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein doppelkardanisches Momentumregelungsgyroskop zum Steuern bzw. Regeln der Fluglage eines Raumfahrzeugs zur Verfügung gestellt, umfassend:
erste und zweite miteinander verbundene Kardanringe bzw. Kompaßringe, die entsprechend um erste und zweite orthogonale Achsen drehbar sind;
ein Stabilisierungsschwungrad bzw. Momentumrad, das um eine dritte zu jeder der ersten und zweiten Achse orthogonale Achse drehbar ist;
erste Drehmomentmittel zum Aufbringen eines ersten Steuer- bzw. Regeldrehmoments auf den ersten Kardanring um die erste Achse;
zweite Drehmomentmittel zum Aufbringen eines Steuer- bzw. Regeldrehmoments auf den zweiten Kardanring um die zweite Achse;
erste Bremsmittel zum Aufbringen einer ersten Bremskraft auf den ersten Kardanring, um die Trägheit des ersten Kardanrings zu reduzieren, wobei die Reduktion der Trägheit des ersten Kardanrings in einer Verstärkung der Wirkung des Steuer- bzw. Regeldrehmoments, das auf den zweiten Kardanring durch die zweiten Drehmomentmittel aufgebracht wird, resultiert; und
zweite Bremsmittel zum Aufbringen einer zweiten Kraft auf den zweiten Kardanring, um die Trägheit des zweiten Kardanrings zu reduzieren, wobei die Reduktion der Trägheit des zweiten Kardanrings in einer Verstärkung des Effekts des Steuer- bzw. Regeldrehmoments, das auf den ersten Kardanring durch erste Drehmomentmittel aufgebracht wird, resultiert;
gekennzeichnet dadurch, daß
die ersten Drehmomentaufbringmittel und die ersten Bremsmittel an gegenüberliegenden Seiten des ersten Kardanrings angeordnet sind,
die zweiten Drehmomentaufbringmittel und die zweiten Bremsmittel an gegenüberliegenden Seiten des zweiten Kardanrings angeordnet sind,
jedes der ersten und zweiten Bremsmittel eine elektromagnetisch betätigte Bremse, enthaltend Bremsschuhmittel zum reibenden Ergreifen eines entsprechenden der Kardanringe und elektrisch ansprechende Spulenmittel zum Ausbilden eines elektromagnetischen Feldes beinhaltet, das die Bremsschuhmittel in reibenden Eingriff mit dem zugeordneten Kardanring zwingt bzw. beaufschlagt.
Andere Ziele, Merkmale und Vorteile werden während der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausbildung der vorliegenden Erfindung klar werden oder offensichtlich gemacht werden, welche unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben ist, in welchen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Momentumregelungsgyroskops mit hohem Drehmoment ist, welches die bevorzugte Ausbildung der vorliegenden Erfindung bildet;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht der X-Achse Kardanring- bzw. Kompaßringbremse Bx ist, die in Fig. 1 gezeigt ist.
Indem nun auf die Zeichnungen Bezug genommen wird, worin gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um idente Komponenten in verschiedenen Ansichten zu bezeichnen, zeigt Fig. 1 ein doppelkardanisches Momentumregelungsgyroskopsystem, das allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist, welches einen drehenden Rotor beinhaltet, der als ein Stabilisierungsschwungrad bzw. Momentumrad 12 bezeichnet ist, welches sich um die Drehachse Z dreht. Sobald das Momentumrad 12 in Bewegung gesetzt ist, tendiert die Trägheit des Momentumrads 12 dazu, jedem Versuch zur Änderung seiner Rotationsrichtung unabhängig davon, wohin sich der Support bzw. Träger des Momentumrads 12 bewegt, zu widerstehen, eine Eigenschaft, welche das Gyroskopsystem 10 zum Führen bzw. Leiten von Satelliten und Raumfahrzeugen nützlich bzw. verwendbar macht.
Die zentrale Welle 14 des Momentumrads 12 ist auf einem x-Kardanring bzw. -Kompaßring 16 festgelegt, welcher um die x-Koordinatenachse rotiert. Der x- Kardanring 16 wiederum ist an einem y-Kardanring 18 montiert, welcher um die y- Koordinatenachse rotiert. Wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, stehen sowohl der x- Kardanring 16 als auch der y-Kardanring 18 senkrecht zueinander und zu der Drehachse Z, welche in der Richtung der z-Koordinatenachse ausgerichtet ist. Diese Standardkonfiguration von x- und y-Kardan- bzw. -Kompaßringen 16 bzw. 18 nutzt eine Eigenschaft von Gyroskopen, die Präzession genannt wird. Präzession ist die Tendenz eines sich drehenden Körpers, sich in rechten Winkeln zu der Richtung von jeder Kraft zu bewegen, welche versucht, seine Rotationsrichtung zu verändern.
In der vorliegenden Erfindung ist eine elektromagnetisch betätigte Kardanringbremse Bx 20 dem x-Kardanring 16 zugeordnet bzw. hinzugefügt, um ein Mittel zum Bremsen oder Be- bzw. Verhindern der Rotation des x-Kardanrings 16 um die x- Achse zur Verfügung zu stellen. In einer analogen Weise ist eine elektromagnetisch betätigte Kardanringbremse By 22 auf dem y-Kardanring 18 vorgesehen und wirkt als ein Mittel zum Bremsen oder Verhindern der Rotation des y-Kardanrings 18 um die y-Achse. Ein X-Drehmomentmotor 24, der auf dem x-Kardanring 16 vorgesehen ist, wirkt als ein Mittel zum Aufbringen eines Drehmoments auf den x-Kardanring 16. In einer analogen Weise ist ein Y-Drehmomentmotor 26 auf dem y-Kardanring 18 vorgesehen, der als ein Mittel zum Aufbringen eines Drehmoments auf den y- Kardanring wirkt. X- und Y-Drehmomentmotoren 24 und 26 sind die Standardsteuer- bzw. -regelmomentvorrichtungen, die als ein Teil von jedem doppelkardanischen Momentumregelungsgyroskopsystem 10 vorgesehen sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein hohes Drehmoment oder ein verstärktes Kontroll- bzw. Regelmoment entweder um die x- oder y-Achse durch ein simultanes Anregen oder Betätigen von beiden der X- bzw. Y-Drehmomentmotoren 24 bzw. 26 und der orthogonalen X- bzw. Y-Kardanringbremsen Bx 20 bzw. By 22 erzeugt werden. Beispielsweise resultiert ein Anlegen eines Drehmoments Tx an dem x-Kardanring 16 durch Anregen des X-Drehmomentmotors 24, während zur selben Zeit die Y-Kardanringbremse By 22 betätigt oder verriegelt wird, in der Ausbildung eines verstärkten Steuer- bzw. Regelmoments, das auf den x-Kardanring 16 durch die verriegelte Kardanringbremse By 22 übertragen wird, was bewirkt, daß der x-Kardanring 16 um die x-Achse rotiert. Daher verleiht in diesem Beispiel anstelle, daß dem y-Kardanring 18 ermöglicht wird, frei um die y-Achse zu präzedieren bzw. eine Präzession aufzuweisen, wie dies der Fall wäre, wenn ein Drehmoment Tx auf den x-Kardanring 16 eines Standardgyroskops angelegt würde, eine simultane Betätigung des X-Drehmomentmotors 24 und der Y- Kardanringbremse By, 22 ein hohes Drehmoment durch die Y-Kardanringbremse By 22 auf das Raumfahrzeug. Ein Steuer- bzw. Regelmoment um die y-Achse wird analog erzeugt, indem gleichzeitig der Y-Drehmomentmotor Ty 26 und die X- Kardanringbremse Bx 20 angeregt werden. So produziert die vorliegende Erfindung zwei große, orthogonale Drehmomente durch die Verwendung von zwei kleinen Drehmomentmotoren und einem einzelnen Gyro bzw. Kreisel.
Jede kleine Taumelbewegung, die durch die Steuer- bzw. Regelausweichbewegungen erzeugt wird, die noch existieren, nachdem das doppelkardanische Momentumregelungsgyroskopsystem 10 mit hohem Drehmoment seine neue Ausrichtungsrichtung erreicht hat, kann unter Verwendung des normalen Modus mit niedrigem Drehmoment des Gyroskopsystems 10 gedämpft werden, d.h. der X- oder Y-Drehmomentmotor 24 bzw. 26 wird jeweils betätigt, während beide X- und Y-Bremsen Bx 20 und By 22 jeweils unverriegelt bleiben.
In einem Einzelgyroskopsystem 10 sind verstärkte Steuer- bzw. Regelmomente oder Drehmomente wie jene, die durch das doppelkardanische Momentumregelungsgyroskopsystem 10 der vorliegenden Erfindung gebildet werden, sequentiell, jedoch nicht simultan erhältlich bzw. verfügbar, Dieses Ergebnis resultiert aus der Tatsache, daß nur eine Bremse Bx 20 oder By 22 zu einem Zeitpunkt betätigt werden kann. Eine sequentielle Betätigung der elektromagnetisch betätigten Bremsen Bx 20 und By 22 kann die Zeit, die zum Wiederausrichten des Gyroskopsystems 10 erforderlich ist, um 41% im Vergleich mit einem konventionellen, doppelkardanischen Momentumregelungsgyroskopsystem erhöhen, in welchem ein simultanes Anlegen von Drehmoment an beide Kompaß- bzw. Kardanringe möglich ist. In dem Fall, daß ein zweites Gyroskopsystem 10 für eine Redundanz zur Verfügung gestellt wird, können jedoch die x-Achse des ersten Gyroskopsystems und die y-Achse des zweiten Gyroskopsystems simultan gesteuert bzw. geregelt werden, um die 41% Erhöhung in der Wiederausrichtungszeit zurückzugewinnen. In einer derartigen redundanten Gyroskopsystem-Konfiguration stellt eine sequentielle Betätigung der X- und Y-Bremsen Bx 20 bzw. By 22, wie dies oben beschrieben wurde, einen Backup-Modus in dem Fall zur Verfügung, daß eines der redundanten Gyroskopsysteme 10 versagt bzw. ausfällt.
Fig. 2 zeigt eine X-Kardanringbremse BX 20, die als elektromagnetische Kardanringbremse ausgebildet ist. Eine X-Kardanringwelle 28 ist durch obere und untere Bremsschuhe 30 und 32 umgeben, welche miteinander an einer Feder 34 angelenkt sind. Festgelegt an dem oberen Bremsschuh 30 ist ein Dipolstück 36. Festgelegt an dem unteren Bremsschuh 32 ist ein Elektromagnet 38, welcher eine Spule 40 umfaßt, die einen Kern 42 und eine nicht-magnetische Spulenplatte 44 umgibt. Wenn elektrischer Strom durch die Spule 40 fließt, wird ein magnetisches Feld erzeugt, das das Dipolstück 36 zu der Spulenplatte 44 zieht, wodurch die Bremsschuhe 30 und 32 um die X-Kompaßringwelle 28 klemmen bzw. eingreifen. Die Bremsschuhe 30 und 32 kontaktieren die X-Kardanringwelle 28 entlang von oberen und unteren Reibungsoberflächen 46 bzw. 48. Die Y-Kardanringbremse By 22 kann auf dieselbe Weise wie die soeben beschriebene X-Kardanringbremse Bx 20 zur Verfügung gestellt werden.
Die vorhergehende, detaillierte Beschreibung zeigt, daß die bevorzugte Ausbildung der vorliegenden Erfindung gut geeignet ist, um die Ziele der vorliegenden Erfindung zu erfüllen.
Es wird selbstverständlich verstanden werden, daß die vorliegende Erfindung oben lediglich beispielhaft beschrieben wurde und daß Modifikationen im Detail innerhalb des Rahmens der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen definiert ist, gemacht werden können.

Claims

1. Doppelkardanisches Momentumregelungsgyroskop (10) zum Steuern bzw. Regeln der Fluglage bzw. Lage eines Raumfahrzeugs, umfassend:

erste (16) und zweite (18) miteinander verbundene Kardanringe bzw. -aufhängungen bzw. Kompaßringe, die entsprechend um erste und zweite orthogonale Achsen drehbar sind;

ein Stabilisierungsschwungrad bzw. Momentumrad (12), das um eine dritte zu jeder der ersten und zweiten Achse orthogonale Achse drehbar ist;

erste Drehmomentmittel (24) zum Aufbringen eines ersten Steuer- bzw. Regeldrehmoments auf den ersten Kardanring (16) um die erste Achse;

zweite Drehmomentmittel (26) zum Aufbringen eines Steuer- bzw. Regeldrehmoments auf den zweiten Kardanring (18) um die zweite Achse;

erste Bremsmittel (20) zum Aufbringen einer ersten Bremskraft auf den ersten Kardanring (16), um die Trägheit des ersten Kardanrings (16) zu reduzieren, wobei die Reduktion der Trägheit des ersten Kardanrings (16) in einer Verstärkung der Wirkung bzw. des Effekts des Steuer- bzw. Regeldrehmoments, das auf den zweiten Kardanring (18) durch die zweiten Drehmomentmittel (26) aufgebracht wird, resultiert; und

zweite Bremsmittel (22) zum Aufbringen einer zweiten Kraft auf den zweiten Kardanring (18), um die Trägheit des zweiten Kardanrings (18) zu reduzieren, wobei die Reduktion der Trägheit des zweiten Kardanrings (18) in einer Verstärkung des Effekts des Steuer- bzw. Regeldrehmoments, das auf den ersten Kardanring (16) durch erste Drehmomentmittel (24) aufgebracht wird, resultiert;

gekennzeichnet dadurch, daß

die ersten Drehmomentaufbringmittel (24) und die ersten Bremsmittel (20) an gegenüberliegenden bzw. entgegengesetzten Seiten des ersten Kardanrings (16) angeordnet sind,

die zweiten Drehmomentaufbringmittel (26) und die zweiten Bremsmittel (22) an gegenüberliegenden bzw. entgegengesetzten Seiten des zweiten Kardanrings (18) angeordnet sind,

jedes der ersten und zweiten Bremsmittel (20, 22) eine elektromagnetisch betätigte Bremse, enthaltend Bremsschuhmittel (30, 32) zum reibenden Ergreifen eines entsprechenden der Kardanringe (16, 18) und elektrisch ansprechende Spulenmittel (40) zum Ausbilden eines elektromagnetischen Feldes beinhaltet, das die Bremsschuhmittel (30, 32) in reibenden Eingriff mit dem zugeordneten Kardanring (16, 18) zwingt bzw. beaufschlagt.

2. Doppelkardanisches Momentumregelungsgyroskop nach Anspruch 1, worin jedes der Bremsschuhmittel erste und zweite Bremsschuhe (30, 32) enthält und Mittel (34) zum schwenkbaren Verbinden der ersten und zweiten Bremsschuhe (30, 32) in klemmender Beziehung um den entsprechenden Kardanring (16, 18).

3. Doppelkardanisches Momentumregelungsgyroskop nach Anspruch 2, worin jeder der Kardanringe (16, 18) eine Kardanwelle (28) enthält und die Bremsschuhe (30, 32) der zugeordneten Bremsmittel um und in die Welle (28) eingreifbar angeordnet sind, und

die ersten und zweiten Bremsschuhe (30, 32) einander gegenüberliegen bzw. entgegengesetzt sind,

die Verbindungsmittel (34) an einem Ende der ersten und zweiten Bremsschuhe (30, 32) gesichert sind,

die Spulenmittel (40) an dem anderen Ende der ersten und zweiten Bremsschuhe (30, 32) gesichert sind.

4. Plattform mit einem doppelkardanischen Momentumregelungsgyroskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche.