Warum musste New Horizons auf Gramm-Präzision ausbalanciert werden? (Mit Vierteln!)

Diese Geschichte über den Erhalt einer Rolle von Florida State Memorial Quarters mit Weltraumthema vom Gouverneur von Florida erwähnt, dass das Raumschiff New Horizons auf Gramm-Präzision "spin-balanced" sein musste.

Was genau bedeutet das mathematisch? Was genau wird ausgeglichen?

Ich verstehe, dass New Horizons sowohl einen spinstabilisierten (Kreuzfahrt) als auch einen dreiachsstabilisierten (Wissenschaft) Modus hat, der vollständig mit Hydrazin-Monotreibstoff gesteuert wird, aber erfordert die Spinstabilisierung ein sorgfältiges Ausbalancieren? Mir ist aufgefallen, dass diese Antwort zu einem anderen Raumschiff auch ausdrücklich die Notwendigkeit eines sorgfältigen Ausbalancierens erwähnt.

Stern akzeptierte die Rolle vom Gouverneur, erklärte aber, er könne nur eine fliegen. Die anderen wurden als Andenken an die Mission an die Teammitglieder verteilt.

Wenn Sie jedoch nicht glauben, dass das Viertel nur als Geste an den Gouverneur geflogen ist, hat es auf dem Raumschiff einen guten Zweck erfüllt.

„Für die Spin-Balance müssen wir an verschiedenen Stellen [auf New Horizons] eine Reihe von Kilogramm hinzufügen“, erklärte Stern. „Wir wussten, dass dies aufgrund der Trägheitsmomente des Raumfahrzeugs und seiner dynamischen Eigenschaften der Fall war, dass wir es mit Ausgleichsgewichten buchstäblich auf das Gramm-Niveau heruntertrimmen mussten. Natürlich hatten wir eine ganze Reihe davon große und kleine; Sie fangen damit an, hier und dort ein Kilogramm hinzuzufügen, und am Ende erhalten Sie an verschiedenen Stellen immer kleinere Gewichte, bis Sie fertig sind. Wir haben die Münzen zu diesem Zweck verwendet ", sagte er. (Betonung hinzugefügt)

„Da wir ein Gegengewicht zu [dem Florida State Quarter] brauchten, entschieden wir uns, ein zweites State Quarter zu fliegen. Wir entschieden uns für Maryland, weil dort das Raumschiff gebaut wurde. Und weil wir so viele Leute in Maryland bei Applied Physics hatten Lab und bei Goddard war es einfach für jemanden, uns sehr schnell einen Vierteldollar zu schicken."

unten: State of Florida Memorial Quarter, das an der Raumsonde New Horizons angebracht werden soll. Maryland State Quarter war ebenfalls an Bord, befand sich aber aus Gleichgewichtsgründen an einer anderen Position. Von hier .

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

unten: Ein separates Beispiel: LADEE macht einen Testlauf. Sieht erschreckend aus! Abgeschnitten vom LADEE Spin Test :

Um sicherzustellen, dass das Raumschiff für den Flug perfekt ausbalanciert ist, montierten Ingenieure es auf einem Drehtisch und drehen es mit hohen Geschwindigkeiten, etwa einer Umdrehung pro Sekunde. Das Team maß alle Versätze während des Drehens und fügte dem Raumschiff dann kleine Gewichte hinzu, um es auszugleichen. Sobald das Raumfahrzeug trocken balanciert war, belud das Team die Antriebstanks mit Treibstoff, Oxidationsmittel und Druckmittel. Der Schleudertest wurde erneut "nass" oder mit Kraftstoff durchgeführt, um zu sehen, ob sich das Gleichgewicht mit den vollen Kraftstofftanks ändert.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

unten: Ein separates Beispiel: Neugier (?) auf Probefahrt. Sieht verkehrt herum aus! Aus der Weltraumelektronik :

Zwei-Ebenen-Drehauswuchtmaschinen mit Trägheitsmomentfähigkeit. Trägheitsprodukt, dynamische Unwucht, Schwerpunkt und Trägheitsmoment messen.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Antworten (3)

Ich bin mit der Spin-Dynamik sowohl von New Horizons als auch von Ladee vertraut, da ich in meiner Fallturmanlage, den Applied Dynamics Laboratories in Oregon, Nutations-Treibstoff-Slosh-Tests an Modellen des Raumfahrzeugs durchgeführt habe.

In Abwesenheit von Flüssigkeiten an Bord, hauptsächlich Treibmittel, oder anderen flexiblen Elementen, wird die Drehbewegung um die beabsichtigte Hauptachse herum stabil sein. Eine kleine Unwucht erzeugt ein kleines Wackeln (Bewegung einer gewünschten Drehachse um die Hauptachse), aber dies wird nicht zu einer instabilen Bewegung, die eine zunehmende Divergenz zwischen den beiden Achsen verursacht. Natürlich ist in der realen Welt nichts starr und fast alle Raumfahrzeuge führen Flüssigkeiten an Bord.

Ihre Anwesenheit verursacht eine "Nutation", die entweder zu einer stabilen oder instabilen Drehbewegung führen kann, abhängig von der Trägheitsverteilung des Raumfahrzeugs. Bei einer abgeflachten Form (Spin um die Achse des größten Trägheitsmoments) ist die Nutation stabil und stirbt schließlich ab. Die meisten Raumfahrzeuge (einschließlich New Horizons und Ladee) drehen sich jedoch um ihre minimale Trägheitsachse, und eine kleine "Saat" -Nutation wächst, bis sich das Fahrzeug um die größte Trägheitsachse dreht, was zu einem katastrophalen "Flat Spin" -Zustand führt. Um dies zu verhindern, wird ein integriertes System zur aktiven Nutationskontrolle (ANC) verwendet. Diese besteht aus einem Sensor (Beschleunigungsmesser oder Kreisel) und kleinen Triebwerken.

Das ANC muss jedoch robust genug sein, um die zunehmende Nutation zu überwältigen, die hauptsächlich auf das Schwappen des Treibmittels zurückzuführen ist. Dies erfordert ein Verständnis des Schwappeffekts und das wird mit den Modellfalltests erreicht.

Hier können Sie mehr darüber lesen .

Willkommen auf der Space SE!
Sehr schöne Antwort, danke! Es scheint mit meinen Spekulationen in den Kommentaren unter der Antwort von @ Hobbes übereinzustimmen , die sich auf diesen Beitrag beziehen, obwohl ich jetzt noch etwas mehr darüber nachdenken muss. Toll, dass Sie diese Frage gefunden haben!
Interessant, dass Satelliten manchmal immer noch so konstruiert sind, dass sie sich um ihre "falsche" Achse drehen; das Problem des „flat spin“ ist seit langem bekannt .

Während einer drallstabilisierten Reise sollte die Antennenschüssel genau auf die Erde gerichtet sein. Die Rotationsachse sollte die Achse der Antenne sein. Wenn das Raumfahrzeug nicht präzise im Rotationsgleichgewicht wäre, könnten die Rotationsachse und die Antennenachse unterschiedlich sein und es könnte zu Vibrationen kommen. Beide Effekte würden die Antennenausrichtung zur Erde stören und die Datenübertragung in beide Richtungen vom und zum Raumfahrzeug beeinträchtigen. Für eine saubere Rotation ohne Vibrationen sollte das Raumfahrzeug sowohl statisch als auch dynamisch ausbalanciert sein.
Siehe https://en.wikipedia.org/wiki/Tire_balance und https://en.wikipedia.org/wiki/Rotating_unbalance

Auch ein sorgfältiges Ausbalancieren des Raumfahrzeugs ist wichtig, um den kostbaren Treibstoff für die Lageregelung einzusparen. Für die Drehung um die drei Achsen sollten drei Triebwerkspaare vorhanden sein. Jedes Paar sollte symmetrisch zum Massenmittelpunkt montiert werden. Wenn es ein Ungleichgewicht gibt und der Schwerpunkt nicht dort ist, wo er sein sollte, kann das Zünden eines Triebwerkspaars eine Drehung des Raumfahrzeugs um mehr als eine Achse verursachen. Die Stabilisierung der Fluglage würde mehr Kraftstoff als nötig erfordern, wenn auch ungewollte Drehungen kontrolliert werden müssen.

Ich kann verstehen, dass es möglicherweise einfacher ist, Masse hinzuzufügen, um die Hauptachse mit der Antennenachse auszurichten, als die Antenne entlang der vorhandenen Hauptachse neu auszurichten, aber es hört sich so an, als ob etwas Komplizierteres vor sich geht. Geht es beim Auswuchten der Reifen nicht darum , den Radschwerpunkt auf der festen Außenwellenachse zu zentrieren ? Es gibt keine Analogie einer Antriebswelle in einem freien Raumschiff.
Der Schwerpunkt des Raumfahrzeugs sollte auf der Achse der Antenne liegen. Alle Triebwerke zur Lageregelung sollten symmetrisch zum Massenmittelpunkt sein. Wenn die Rotationsachse nicht parallel zur Achse der Antenne ist, würde sich die Richtung der Antenne während der Rotation permanent ändern. Wenn das Raumfahrzeug nicht im Gleichgewicht ist, würde es sich nicht um die Achse drehen, die es sollte.
Unter der Annahme, dass die Antenne am Raumfahrzeug befestigt ist , bin ich mir ziemlich sicher, dass es ausreicht, wenn die optische Achse der Antenne und die Hauptachse des Raumfahrzeugs parallel sind – in einer Entfernung von Hunderten von Millionen Kilometern kann ein Versatz von sogar vielen Metern keinen Unterschied machen .
Beide Achsen können parallel sein, wenn sie nicht identisch sind, aber wenn zwischen ihnen ein Winkel größer als die Strahlbreite besteht, würde die Richtung der Antenne während der Drehung falsch zur Erde ausgerichtet sein.

Wie Uwe sagte, sollte die Rotationsachse mit der Richtachse der High-Gain-Antenne zusammenfallen. Laut Alan Stern (Hauptforscher, New Horizons) ist ein genaues Abwägen erforderlich :

Das s/c muss ausbalanciert sein, damit der Spin stabil und ohne übermäßige Nutation ist.

Die Rotationsachsen an einem bekannten Ort zu haben, sollte auch die Verwendung der Schubdüsen zur Lagekontrolle erleichtern.

Was das Zitat-Snippet angeht, denke ich immer noch an den Teil "... muss ausgeglichen werden, damit der Spin stabil ist ...". Wenn die Massenverteilung natürlich seltsam ist wie bei einem dreiachsigen taumelnden Asteroiden und die Hauptachsen ein Durcheinander sind, wird es sich nicht auf eine schöne stabile Weise drehen. Aber geht es beim Feinausgleich im tiefen Sub-Kilogramm-Bereich wirklich um die Stabilität oder nur um die Minimierung der Nutation?
Wenn ich etwas weiter lese, finde ich diese Aussage, von der ich nicht sicher bin, dass sie wirklich richtig ist, denn nichts ist perfekt, es gibt immer ein gewisses Maß an Ungleichgewicht. „Wenn es spinstabilisiert werden soll (was ich denke), dann ist der Massenausgleich noch wichtiger. Es ist genau wie bei dem Reifenbeispiel, das Sie erwähnt haben – wenn es ein Massenungleichgewicht in einem sich drehenden Objekt gibt, wird das Objekt es tun anfangen zu wackeln, und das Wackeln wird sich verstärken, bis das Objekt auseinanderfliegt oder bis andere Bewegungen in das Wackeln eingreifen und das Ding völlig außer Kontrolle gerät . (meine Betonung)
Ich denke, das auseinanderfliegende Objekt kann eine große und schnell rotierende Turbine oder ein Generator sein, wenn eine seiner Resonanzfrequenzen erreicht wird, aber kein langsam rotierendes, spinstabilisiertes Raumschiff.
Die Rotationsachsen an einem bekannten Ort zu haben, würde auch helfen, Kraftstoff für die Lagesteuerung zu sparen.
Warum musste New Horizons auf Gramm-Präzision ausbalanciert werden? (Mit Vierteln!)
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 0v