bevor ich mit kapitel zwei der lageregelung anfange, noch ein kurzes wort zu schubdüsen, die demnächst dann auch ihren eigenen beitrag bekommen: diese sind schwer und energieineffizient und werden deswegen normal nicht in satelliten eingesetzt.
nun aber zum heutigen thema:
magnetorquer
magnetorquer sind ein weiteres mittel zur lageregelung eines satelliten. diese benutzen ein weiteres einfaches grundprinzip der physik: die wechselwirkung von magnetfeldern.
aufbau
wie auch bei reaktionsrädern gibt es hier pro rotationsachse mindestens ein element, genauer eine spule, die für den drehvorgang zuständig ist. diese Spule ist meistens direkt an der außenwand des sateliten platziert und erstreckt sich über die gesamte breite des satelliten. die spulen sind dabei ganz einfache kupferspulen, wie man sie vllt noch aus dem physikunterricht kennt und werden meist mit einem hochmagnetischen kern (z.B. aus eisen) versehen, um das magnetfeld noch zusätzlich zu verstärken. um die wirkende kraft auf den gesamten satelliten zu übertragen, sind die spulen meist direkt mit dem gehäuse des satelliten verbunden.
funktionsprinzip
wie bereits angesprochen, nutzen magnetorquer die wechselwirkungen der magnetfelder um eine rotationswirkung zu erzeugen. Die spulen erzeugen durch einem vom satelliten direkt gesteuerten strom durch die spulen ein eigenes magnetfeld, was mit dem der umgebung interagiert. Da das magnetfeld des umkreisten objektes (meistens die erde) natürlich nicht veränderbar ist, wird eine magnetische kraft auf die spule erzeugt, um das magnetfeld des satelliten mit dem der erde in einklang zu bringen. ziel der kraft ist es, dass die feldlinien der spule und des umgebungsfeldes deckungsleich zu bekommen.
dieses grundprinzip kann man sich eigentlich ganz einfach seolbst vorführen: man braucht nur zwei magneten, vorteilhaft wäre, wenn deren pole bezeichnet sind. diese legt man nun nebeneinander auf einen untergrund mit möglichst wenig widerstand, sodass sie sich frei drehen können. in kürzester zeit werden sie sich dann zueinander ausrichten, wobei die genaue lage von der ausgangsposition abhängt. fixiert man nun einend er magneten, wird der andere sich an dessen lage orientieren, genauso wie der satellit sich durch die spule an dem erdmagnetfeld orientieren wird oder eine kompasnadel es tut.
für alle die keine magneten zur hand haben hier ne kleine simulation die das ganze verdeutlicht:
Der strom durch die spulen wird nicht direkt gesteuert, sondern über ein Pulsweitenmoduliertes (kurz PWM) Spannungssignal, also eine Rechteckspannung bei der die dauer des HIGH-Pegels variiert wird und somit ein fest definiertes verhältnis von LOW zu HIGH vorliegt. Der Strom wird dann durch die Induktivität geglättet, sodass durch die spulen ein nahezu gleichmäßiger Strom fließt, der dann ein gleichmäßiges magnetisches Feld erzeugt (für weitere details bitte nachfragen oder die elektrotechnik vorlesung in der nächsten uni besuchen^^). Dies wird so gehandhabt, da Spannungspegel und rechteckspannungen in der Regel deutlich einfacher bzw. weniger energieintensiv steuerbar sind als Ströme und gerade die energieeffiziez spielt bei satelliten natürlich eine große rolle.
#Vorteile
Der große vorteil zu anderen maßnahmen der lageregelung ist die angesprochene sehr hohe energieeffizienz (der einzige verbrauch des systems ist der Strom durch die Spulen) sowie eine hohe zuverlässigkeit, da keinerlei bewegliche teile vorhanden sind und verschleiß so gut wie nicht auftritt. ein weiterer vorteil ist die „ruhige“ lageregelung, die durch mit ihnen erfolgen kann. rektionsräger und schubdüsen verursachen vibrationen und schwingungen im satelliten, die im ernstfall sensible sensoren entweder stark stören oder sogar zerstören können.
#nachteile
Natürlich benötigt diese art der regleung ein ausreichend starkes elektrisches feld, sodass diese technik meist nur in low earth orbits benutz werden kann. dazu ist die kraftwirkung auf den gesamten satelliten meist nur sehr gering, sodass die rotation insehr langsam erfolgt (meist nur wenige grad pro minute). das system eignet sich also nicht zu schnellen korrekturen oder positionierungen. außerdem sorgt die hphe komplexität des erdmagnetfeldes, verhältnismäßig große ungenauigkeiten für magnetfeldsensoren (späteres thema) und störungen durch den satelliten selbst dafür, dass die berechnung der rotationsparameter zum einem sehr kompliziert und zum anderen auch ungenau ist.
#anwendung
trotz allem wird dieses system für nahezu alle satelliten mit low earth orbits, allerdings immer in verbindung mit anderen systemen benutzt, da der platz- und massenaufwand für das system minimal ist und diesen für die vorteile billigend in kauf nimmt. gängig ist eine kombination mit reaktionsrädern, die dann eine schnelle und genaue endregelung vollziehen, während die magnetorquer eher für größere rotationen des satelliten um mehrere grad verwendet werden.
so ich hoffe das war wiedermal erhellend, für weitere fragen steh ich natürlich wieder bereit