Können wir mit nur DREI Reaktionsrädern und EINEM chemischen Triebwerk irgendwohin im Weltraum fliegen?

Ich hatte neulich eine Diskussion mit einigen meiner Kollegen und sie waren sehr begeistert von der Tatsache, dass es möglich ist, Ihre Umlaufbahn mit einem einzigen Triebwerk und drei Reaktionsrädern nach Wunsch zu ändern. Die Idee war, dass Sie das Triebwerk mit den Reaktionsrädern in jede gewünschte Richtung richten und es antreiben.

Meine Intuition sagt, dass die Stabilität (das Beibehalten einer bestimmten Fluglage) ein Problem sein wird, da die Reaktionsräder den Kräften des Triebwerks nicht standhalten können.

Unter der Annahme, dass ausreichend Treibstoff verfügbar ist und Magnetoren zur Entsättigung des Rades verfügbar sind, ist es möglich, Orbitalmanöver mit einem einzigen Triebwerk auf dreiachsig stabilisierten Raumfahrzeugen durchzuführen?

Könnten Sie darauf eingehen, dass "die Reaktionsräder den Kräften des Triebwerks nicht standhalten können"? Ist nicht ein System für Rotationsbewegung und das andere für Translationsbewegung?
"Angenommen, Räder sind nicht gesättigt" bedeutet, dass Sie nur an einer Antwort für hypothetische ideale Reaktionsräder interessiert sind, die niemals gesättigt sind? Denn das ist hier die zentrale Annahme. Das von Ihnen vorgeschlagene Setup bedeutet, dass es absolut keine Möglichkeit gibt, die Sättigung zu verringern. Sobald dies geschieht, ist das Fahrzeug nutzlos.
@OrganicMarble stimmt, aber wenn Sie mit einer externen Kraft in eine bestimmte Richtung stoßen, ändert sich auch die Haltung, wenn nicht dagegen vorgegangen wird, da das Triebwerk definitiv nicht die Kraft vom Massenmittelpunkt ausübt.
@Adham Ich bin an kardanische Triebwerke gewöhnt, also zeigen sie immer durch das CG! Aber danke für die Antwort.
@TooTea Ich habe diesen Teil hinzugefügt, um die Frage auf das Verhalten des Fahrzeugs zu konzentrieren, bevor die Räder gesättigt sind. Aber ich kann es bearbeiten, um es besser zu verdeutlichen.
@OrganicMarble sind kardanische Triebwerke, die üblicherweise in kleinen Satelliten verwendet werden? Meines Wissens ist eine Schubsteuerung verfügbar, aber um eine Schubvektorsteuerung (wie bei kardanischen Triebwerken) zu erreichen, ist eine Gruppe von Triebwerken erforderlich. Die Technologie des Schubvektorierens wie bei kardanischen Triebwerken wird hauptsächlich in Raketen verwendet.
Einige Weltraumfahrzeuge verwenden einzelne kardanisch aufgehängte Triebwerke 1 , viele verlassen sich jedoch stattdessen auf ausgewogene Gruppen 2 , 3
Abstrakt kann ein einzelnes festes Triebwerk so montiert werden, dass es durch den Massenmittelpunkt zeigt; Der Schwerpunkt ändert sich nicht, wenn Sie das Raumschiff drehen. Wenn Sie Kraftstoff verbrauchen, verschiebt sich das CoM, aber wenn die Tanks auch entlang der Schublinie montiert sind, erfolgt die Verschiebung auch entlang der Schublinie. Befürchtungen aus der realen Welt wie Treibmittelschwappen werden sich natürlich darauf auswirken; Mir ist nicht klar, wie abstrakt unser Raumschiff ist.
Wenn ein kardanischer Truster verwendet wird, warum sollten Sie sich mit den Reaktionsrädern beschäftigen.
Während das Triebwerk nicht perfekt mit dem CoM übereinstimmen kann, kann es nahe sein. Die Reaktionsräder können verwendet werden, um das Fahrzeug in Fahrtrichtung zu drehen, wodurch verhindert wird, dass die leichte Fehlausrichtung das Fahrzeug vom Kurs abdrängt.
Ja?? Das ist im Grunde die ganze Idee von ADC-Systemen. 3 Drehregler und ein Strahlruder für. Sie brauchen nicht einmal ein kardanisch aufgehängtes Triebwerk, reduzieren Sie zuerst den CofM-Positionsfehler auf Null und orientieren Sie sich dann neu. Stellen Sie sich einen Rollstuhl vor, Sie treten sich durch einen Raum, um an die richtige Stelle zu gelangen, und drehen sich dann, um in die richtige Richtung zu schauen. Der Kick ist der Thruster und der Wheelie-Teil sind Ihre Reaktionsräder. Braucht viel Sprit, ist aber machbar.
Magneto-Drehmomente funktionieren nicht im Weltraum.

Antworten (1)

Ich habe mal grob gerechnet.

E(Engine Force).             = 800 N
m(Mass of reaction wheel)    = 10 kg
r(radius of reaction wheel)  = 0.2 m
w(max spin rate of wheel)    = 6000rpm * 2pi / 60s
cgo(C.G offset)              = 0.01m 

I     = m * r * r / 2        = 0.2 kgm^2
WheelCapacity = I * w        = 125.6 Nms

Torque experienced during engine firing due to C.G offset
= 800 * 0.01 = 8 Nm

Diese Zahlen sind ziemlich vernünftig für einen mittelschweren Satelliten. Innerhalb von ~15 Sekunden nach dem Zünden kann das Rad also seine volle Kapazität erreichen. Wenn Schwerpunkt und Schubachse genau eingehalten werden können, ist dies möglicherweise möglich.

Außerdem sollte das Rad in dem Beispiel nicht nur das gesamte zusätzliche Drehmoment des Motors absorbieren, sondern auch in der Lage sein, ein ausreichendes Drehmoment bereitzustellen, da der Satellit sonst schnell außer Kontrolle geraten kann. Der typische Wert des Raddrehmoments liegt im Allgemeinen zwischen 0,3 und 3 Nm.

Bearbeiten 1: Ich habe darüber nachgedacht, und es scheint mir, dass Räder wahrscheinlich für ein höheres Drehmoment ausgelegt werden können. Motoren müssen wahrscheinlich nur mit mehr Stromkapazität und stärkeren Magneten hergestellt werden. Aber die Radkapazität bleibt ein Problem.

Wenn sich das Fahrzeug also mit 2 U / min dreht, könnte es die Fluglage auf unbestimmte Zeit beibehalten?
Kein Störmoment gegeben. Aber SRP, Drag Gravity Gradient sind unausweichlich
@Prakhar space.stackexchange.com/questions/21465/… ist eine weitere Frage, die Sie vielleicht gerne beantworten. Scheint leicht verwandt zu sein.
@Prakhar was ist SRP?
SRP = Sonnenstrahlungsdruck
Können wir mit nur DREI Reaktionsrädern und EINEM chemischen Triebwerk irgendwohin im Weltraum fliegen?
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