Erdfernerkundung - Numerische Physik: Modellierung

2.5. STABILISIERUNG DES SATELLITEN 55
§ 167 Das einfachste Verfahren zur Stabilisierung eines Satelliten oder eine Raumsonde ist
die Spinstabilisierung: der Satellit rotiert um eine Achse mit großem Trägheitsmoment, meist
um die Figurenachse. Die Rotationsachse �ω ist parallel zum raumfesten Drehimpulsvektor
�L. Auf Grund der Drehimpulserhaltung widersetzt sich der Satellit wie ein Kreisel jeder
Änderung seiner Drehachse. Für praktische Anwendungen reichen zur Stabilisierung Spingeschwindigkeiten
in der Größenordnung von einer Umdrehung pro Sekunde (Beispiele: TIROS
I: 1/6 U/s; Syncom [586] 2.7 U/s; Helios 1 [523, 524] U/s).
§ 168 Spinstabilisierung ist für die Erdfernerkundung unpraktisch: sofern die optische Achse
des Instruments nicht mit der Drehachse des Satelliten zusammenfällt, ergibt sich ein ständig
wechselndes Blickfeld. Für Aufnahmen der Erde ist Spinstabilisierung daher keine geeignete
Form der Lagereglung. Für andere Typen von Instrumenten, z.B. Instrumente zur Messung
energiereicher Teilchen, dagegen sind spinnende Plattformen von Vorteil: durch die Änderung
der Blickrichtung wird der gesamte Raum abgescannt und man kann auf diese Weise die Richtungsverteilung
der einfallenden Teilchen bestimmen und nicht nur die Teilchenintensitäten
aus einer bestimmten Richtung. Ausnahme in der Erdfernerkundung sind auch viele meteorologische
Satelliten: hier wird die Spinstabilisierung (Drehachse senkrecht zur Bahnebene)
gleichzeitig zum Scannen genutzt mit dem Vorteil eines einfachen Instruments ohne bewegliche
mechanische Bestandteile. Die Konfiguration, bei der der Satellit gleichsam seine Bahn
entlang spinnt, wird als Cartwheel bezeichnet (bitte nicht mit dem Cartwheel beim SAR in
§ 509 verwechseln) – TIROS 9 [591] war der erste Vertreter dieser Rad schlagenden Spezies.
§ 169 Da die Drehachse bei spinnenden Raumsonden in der Regel senkrecht auf der Bahnebene
steht, gibt es keine Möglichkeit, eine Richtantenne mit fester Ausrichtung auf eine
Bodenstation auf dem Raumfahrzeug zu montieren. Daher muss zur Gewährleistung der
Funkverbindung die Antenne relativ zum Satelliten rotieren, um eine Ausrichtung auf die
Erde zu gewährleisten. Die Genauigkeit, mit der diese Gegenrotation erfolgt, ist so gross,
dass für Helios 1 erst 12 Jahre nach dem Start des Satelliten eine Abweichung auftrat, die so
groß war, dass der relativ schmale Strahl der Antenne die Erde nicht mehr traf. Bei einer Rotationsperiode
von 1/s heißt das, dass der Antennenstrahl erst nach ca. 360 Mio Rotationen
um wenige Grad von seiner ursprünglichen Richtung abgewichen ist.
§ 170 Bei der Drei-Achsen-Stabilisierung wird die momentane Lage des Satelliten durch Momentenaustausch
mit Stellgliedern, z.B. Schwungrädern [211], gehalten. Dadurch lässt sich eine
feste Ausrichtung von Antennen bzw. Instrumenten erreichen. Drei-Achsen-Stabilisierung
erfolgt bei vielen geostationären Satelliten (Kommunikation), Erdfernerkundungssatelliten
und bei vielen interplanetaren Raumsonden (z.B. Pioneer [499], Voyager [476], ISEE-3 [440]).
§ 171 Passive Stabilisierungssysteme nutzen die Umgebungsbedingungen zur Orientierung,
z.B. Strahlungsdruck, Gravitationsgradienten oder terrestrisches Magnetfeld. Im unteren Teil
von Abb. 2.24 ist als Beispiel die Lagestabilisierung des ersten deutschen Forschungssatelliten,
Azur, durch das Magnetfeld dargestellt. Im Satelliten ist ein starker Permanentmagnet
eingebaut. Da sich der Satellit auf einer polaren Umlaufbahn befindet, dreht er sich während
eines Umlaufs um die Erde auch einmal um seine Achse. Bei Abweichungen aus seiner Lage
parallel zu den Magnetfeldlinien bewirkt der Permanentmagnet ein rücktreibendes Moment,
so dass die Satellitenachse stets parallel zu den Feldlinien bleibt und stets das gleiche Ende
des Satelliten in Richtung auf den magnetischen Nordpol weist.
§ 172 Stabilisierung ist insbesondere auf den frühen Missionen ein interessantes Problem,
wenn diese über einen simplen Tape-Recorder zum Zwischenspeichern der Daten verfügen
(wie z.B. die Voyager und Pioneer Sonden). Drehimpulserhaltung fordert, dass jedes An- und
Ausschalten des Recorders mit einer entsprechenden Ausweichbewegung quittiert wird – was
einem Ausweichen der Antenne aus der Zielrichtung entsprechen kann. Heutige Satelliten
verfügen im Bereich der Datenspeicherung sicherlich über weniger bewegliche Instrumente –
die Stabilisierung bleibt jedoch ein Problem, da sich (a) die meisten Satelliten erst im Orbit
entfalten (insbesondere die Solarpanel) und der sich daraus ergebende Drehimpuls kontrolliert
c○ M.-B. Kallenrode 2. Juli 2008