Passive Lagestabilisierung mit Magneten - gibt es Studien auf Basis realer Flugdaten?

Gerade bei den Kleinsatelliten und Cubesat-Leuten kursiert eine ziemlich „alte“ Idee: Passive Lagestabilisierung auf Basis von Permanentmagneten.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein
Schematische Darstellung der Magnetfeldlinien der Erde und der Kameraausrichtung im gesamten Polarorbit (Bildnachweis: University of Michigan)

Das Konzept ist ziemlich einfach. Ein Magnet, der auf einem Satelliten montiert ist, wird immer versuchen, sein Magnetfeld mit dem Erdmagnetfeld auszurichten. Das ist faszinierend, weil es keine Computer, Strom, bewegliche Teile oder irgendeine Form von Steuerung benötigt.

Für mich gibt es in diesem Konzept zwei kritische Schwachstellen. Erstens, wenn es funktioniert, stabilisiert es einen Satelliten nur auf einer einzigen Achse. Zweitens ist das Erdmagnetfeld kein sauberer Dipol – sowohl in Bezug auf seine Intensität als auch auf die Ausrichtung der Magnetfeldlinien. Aber selbst wenn man ihn als einfachen Dipol betrachtet, erfolgt die relative Rotation der magnetischen Feldlinien entlang zB einer Polbahn nicht in einer geometrischen Ebene oder mit konstanter Winkelgeschwindigkeit. Für mich sollte das Ganze intuitiv zu einem ziemlich seltsamen Taumelverhalten eines solchen Satelliten führen.

Wie soll es funktionieren? Gibt es Studien zu diesem Konzept, die auf Lagedaten von Satelliten basieren, die tatsächlich im Weltraum sind? Wenn ja, was wurde gefunden?

Ergebnisse aus detaillierten Computersimulationen sind für mich auch interessant, aber ich bevorzuge eindeutig Ergebnisse auf Basis von Flugdaten. Es gibt eine ganze Reihe von Projekten, die beabsichtigen, Magnete zu verwenden oder sie verwendet haben (während der Satellit versagte), daher finde ich es ziemlich schwierig, Aussagen zu finden, die über „es wird funktionieren“ hinausgehen.

@ernestopheles UNISAT-4 wollte Magnete zur passiven Lagestabilisierung verwenden, aber der Start schlug fehl.
Ich sehe ein Problem bei dieser Methode. Da die Kompassnadel hin und her schwingt, bevor sie sich stabilisiert und nach Norden zeigt, wenn sich ihre Reibung und ihr magnetisches Drehmoment aufheben, hat ein Satellit keine Reibung, um die Schwingungen zu neutralisieren. Ein passiver Magnetorquer - eine Spule mit Widerstand - könnte verwendet werden, um eine elektrodynamische Kraft bereitzustellen, die als Reibung wirkt, aber dann würde er die Umlaufbahn in fortschreitender Bewegung mehr abfallen lassen, als die Schwingungen aufzuheben.
@SF Deshalb würde ich mir gerne einen echten Datensatz ansehen, um dies besser zu verstehen. Wenn ich nur einen bekommen könnte...
@SF Es gibt eine gewisse Dämpfung von Schwingungen durch Wirbelströme. Wenn sich die Magnetfelder periodisch ändern, wird der induzierte Stromfluss durch den elektrischen Widerstand beeinflusst und die Energie der Schwingungen in Wärme umgewandelt.

Antworten (5)

Erkundigen Sie sich bei Kentucky Space. Sie haben KySat-2 im Orbit mit passiver magnetischer Steuerung.

Hier ist eine Beschreibung des Kontrollsystems von ihrer Website :

Passive magnetische Stabilisierung: KySat-2 ist mit einem passiven Lageregelungsschema ausgestattet, das als passive magnetische Stabilisierung bekannt ist. Diese passive Steuerungstechnik verwendet Permanentmagnete und magnetisches Hysteresematerial, das am Chassis von KySat-2 befestigt ist. Die Permanentmagnete liefern ein Drehmoment bei Versuchen, sich auf das Magnetfeld der Erde auszurichten (so wie eine magnetische Kompassnadel auf den magnetischen Norden zeigt). Die Permanentmagnete werden so am Chassis des Raumfahrzeugs montiert, dass die Kamera von KySat-2 bei Ausrichtung auf das Erdmagnetfeld über der Nordhalbkugel auf die Erde und über der Südhalbkugel ins All zeigt.

Permanentmagnete liefern das geringe Drehmoment, das erforderlich ist, um das Raumfahrzeug korrekt ausgerichtet zu halten, aber im Vakuum des Weltraums gibt es keine Dämpfungswirkung (wie etwa den Luftwiderstand, den wir auf der Oberfläche haben). Aus diesem Grund würde KySat-2 um seine [sic] gezielte Ausrichtung oszillieren, anstatt sich reibungslos darauf einzustellen. Außerdem können Permanentmagnete nur zwei Achsen steuern, während die dritte Achse ungesteuert ist und sich frei drehen kann. Um diese Probleme zu mildern, ist KySat-2 auch mit Hysterese-(Speicher-)Material ausgestattet. Dieses Material „merkt“ sich das aktuelle Magnetfeld und widersteht somit Änderungen in der Ausrichtung von KySat-2. Dieser Effekt ist klein und viel weniger durchsetzungsfähig als die Permanentmagnete, aber er liefert den erforderlichen Dämpfungseffekt, um KySat-2 auf den beiden Steuerachsen zu stabilisieren und auch Änderungen auf der ungesteuerten Achse zu widerstehen.

Ich frage mich, wie praktikabel es wäre, das System halbpassiv zu machen: Montieren Sie den Magneten an einem Motor / Aktuator. Drehen Sie es auf die Position mit maximalem Drehmoment, um die Oszillation zu bremsen, drehen Sie es zurück auf neutral, wenn Sie in die neutrale Position zurückkehren, usw. Ähnlich wie bei der Verwendung von Magnetorquers, außer mechanischer Drehung anstelle der Manipulation des Felds und Null-Leistungsbedarf, sobald die Position eingestellt ist; Stabilisierung tritt immer noch ein. (plus ermöglicht die Stabilisierung in jeder Position, nicht nur voreingestellt, plus Leistungsbedarf eines sehr schwachen Motors anstelle eines ziemlich starken Elektromagneten.)
Es gibt ein etwas ähnliches Papier über semi-passive Schwerkraftgradientenstabilisierung . Ich weiß, dass ChargerSat-1 eine vollständig passive Stabilisierung des Schwerkraftgradienten verwendet hat.
Und für ungefähr äquatoriale Umlaufbahnen wirkt es in einer Achse, die senkrecht zum Magnetfeld steht! Und das würde bedeuten, dass die beiden eine vollständige 3-Achsen-Stabilisierung bieten!
Ich weiß nicht, ob das funktionieren würde, @SF, aber Ihre Idee lässt mich darüber nachdenken, einen Permanentmagneten an einer Schraubenfeder anzubringen, um eine Art Dämpfungseffekt zu erzielen.

Ja, es funktioniert. Der erste australische Satellit, Australis OSCAR 5, verwendete einen Magneten, um ungefähr eine Achse mit dem Erdmagnetfeld auszurichten UND Stäbe mit einer großen magnetischen Hystereseschleife, um Spinenergie zu entfernen. AO5 wurde 1966-7 gebaut und 1970 von der NASA auf einer Delta-Rakete mit einem Tiros-Satelliten gestartet. Roh, passiv und effektiv.

Interessant. Haben Sie einen Link zu einer detaillierteren Beschreibung des Systems?
@Hobbes Das Beste, was ich finden konnte, war über Wikipedia im NASA Space Science Data Coordinated Archive . Beides sagt nicht viel. WinOrbit verweist jedoch auf das Mitgliedermagazin QST von ARRL , einschließlich eines Artikels mit dem Titel Australis Oscar – Its Design, Construction and Operation in der Ausgabe vom Juli 1969, der eine vernünftige Referenz sein könnte, wenn man eine Kopie bekommen kann.

Wenn Sie dies versuchen, koordinieren Sie sich unbedingt mit den anderen Cubesat-Teams, die Ihren Deployer-Pod teilen. Im Jahr 2011 fanden die Teams von MCubed und HRBE auf die harte Tour heraus, dass es zu unbeabsichtigten Wechselwirkungen zwischen CubeSats kommen kann, die eine passive magnetische Lagestabilisierung verwenden.

Ich wusste, dass mir dieser Ansatz nicht gefällt, aber was mit diesen beiden Satelliten passiert ist, ist einfach scheiße – danke fürs Teilen. Ich sollte am Anfang meiner Frage einen Warnhinweis hinzufügen ...

Der Swayam-Satellit, der von Studenten des COEP (College of Engineering), Pune, Indien, hergestellt wurde, arbeitet nach diesem Prinzip und hat sich als stabil erwiesen. Es wurde im Juni oder Juli 2016 eingeführt (das genaue Datum ist mir jetzt nicht mehr bekannt). Versuchen Sie, sie zu kontaktieren, wenn Sie möchten.

Kannst du einen Link finden? Hört sich interessant an!

Es ist mir gelungen, einen Scan der ARRL QST Juli-Ausgabe von 1969 zu erhalten, wo der Betrieb des Satelliten Australis-Oscar 5 beschrieben wird. Dazu gehören die Spinreduzierung durch Permalloy-Stäbe und die Stabilisierung durch einen Stabmagneten:

Wenn Australis in die Umlaufbahn gebracht wird, dreht sie sich mit etwa 4 Umdrehungen pro Minute. Dieses Drehen verursacht ein Fading im Signal. Um die Spinenergie zu entfernen, wurde ein Satz Permalloy-Stäbe mit einer sehr großen Hystereseschleife bei der niedrigen Flussdichte aufgenommen. Der Hystereseverlust zusammen mit dem Wirbelstromverlust im Gehäuse tendiert dazu, den Spin zu entfernen, was eine Ausrichtung entlang des lokalen Magnetfeldvektors durch einen kleinen Magneten (siehe Fig. 3) ermöglicht, der ebenfalls enthalten ist. Da die UKW-Antenne auf der gleichen Achse wie der Stabmagnet (der X-Achse) liegt, sollte das Fading der UKW-Signale reduziert werden. Alle Antennen bestehen aus flexiblem Stahlband.

Australis-Oscar-Elektronik mit einem dünnen Stabmagneten, der sich über die gesamte Länge der X-Achse erstreckt

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