Fortschritte in der elektrischen Antriebstechnik für CubeSats

In der Welt der kleinen Satelliten, besonders bei den sogenannten CubeSats, gibt's immer mehr Interesse an elektrischen Antriebssystemen. Diese Systeme sind beliebt, weil sie weniger Treibstoff verbrauchen im Vergleich zu traditionellen chemischen Triebwerken, was für den begrenzten Platz und das Gewicht von kleinen Raumfahrzeugen echt wichtig ist. In diesem Artikel geht's darum, wie diese elektrischen Systeme funktionieren, vor allem eine Art, die unidirektionale Niedrigschub-Antrieb genannt wird.

#Hintergrund

Viele kleine Satelliten sind so konzipiert, dass sie in Formationen zusammenarbeiten. Das heisst, sie fliegen in koordinierten Bahnen, um bestimmte Missionen zu erfüllen. Zum Beispiel könnten sie zusammenarbeiten, um detaillierte Bilder der Erde zu erstellen oder um Daten von verschiedenen Punkten im Weltraum zu sammeln. Um das effektiv zu machen, müssen sie oft ihre Positionen umsortieren. Hier kommen unsere Niedrigschub-Antriebssysteme ins Spiel.

Unidirektionaler Antrieb bedeutet, dass der Satellit einen einzigen Triebwerk hat, der in eine Richtung schieben kann. Während der Satellit sich bewegt, muss er vielleicht die Richtung oder Position ändern. Das erfordert eine sorgfältige Planung, um sicherzustellen, dass er genug Treibstoff hat und gleichzeitig die zeitlichen Vorgaben der Mission einhält.

#Stand der Technik

Bisher haben Forscher sich stark darauf konzentriert, wie man die Umlaufbahnen effektiv mit diesen elektrischen Triebwerken ändern kann. Verschiedene Methoden wurden getestet, wie z.B. ein bestimmtes Leitsystem, das es erlaubt, den Triebwerk zur richtigen Zeit in die richtige Richtung zu richten. Allerdings gingen diese frühen Systeme oft davon aus, dass der Triebwerk zu bestimmten Zeiten an und aus sein würde.

Ein Verfahren, das Model Predictive Control (MPC) heisst, wurde für diese Arten von Satelliten entwickelt. Es hilft, die Leistung des Triebwerks während der Umpositionierung der Formation zu steuern, berücksichtigt aber oft nicht, wann der Triebwerk wegen der Missionsvorgaben aus sein muss.

#Neuer Ansatz zur Formationskontrolle

Dieser Artikel stellt einen neuen Ansatz zur Formationskontrolle vor, der sich auf zwei Satelliten konzentriert: einen Hauptsatelliten und einen Stellvertreter-Satelliten. Der Stellvertreter-Satellit ist derjenige, der seine Position nach Bedarf anpassen kann. Bevor der Stellvertreter seinen Triebwerk feuern kann, muss er seine Orientierung ändern, damit der Schub richtig ausgerichtet ist.

Um diese Situation zu bewältigen, schafft die neue Methode ein Optimierungsproblem, das darauf abzielt, den Treibstoff so effizient wie möglich zu nutzen und gleichzeitig Zeiträume zu berücksichtigen, in denen der Triebwerk aus sein muss. Solche Aussetzzeiten können z.B. während Sonnenfinsternissen auftreten, wenn der Satellit keinen Strom erzeugen kann.

Ein wichtiger Vorteil dieses Ansatzes ist die Fähigkeit, mehrere lange Schub-Aussetzzeiten zu berücksichtigen. Durch die Anpassung des Leitsystems kann es in ein Programmierungsproblem umgewandelt werden, das mit Standardtechniken effizient gelöst werden kann.

#Vorteile des neuen Leitsystems

Dieses neue Leitsystem hat mehrere Vorteile. Erstens kann es leicht auf dem Bordcomputer eines Satelliten ausgeführt werden, was es attraktiv für echte Missionen macht. Es erlaubt auch eine flexible Zeitgestaltung der Manöver und kann sich an verschiedene Einschränkungen anpassen, die während der Operationen auftreten könnten.

Das System nutzt auch einen Typ von Kontrolle namens Model Predictive Control, ähnlich wie frühere Methoden, verbessert diese allerdings, indem es nur die benötigte Steuerung neu berechnet, wenn es notwendig ist, anstatt bei jedem Schritt. Das macht es viel effizienter im Umgang mit der Energie- und Treibstoffnutzung des Satelliten.

#Betriebsszenarien

Obwohl der Hauptfokus auf standardmässigen Umkonfigurationen liegt, kann das Leitsystem auch Überlegungen zur Vermeidung von Kollisionen mit anderen Satelliten oder Weltraumobjekten einbeziehen. Durch das Hinzufügen dieser zusätzlichen Einschränkungen bleibt das Leitsystem effizient und lösbar, was Vorteile für verschiedene Missionen im Weltraum bietet.

Dieser Ansatz wurde im Rahmen eines umfassenderen Rahmens getestet, der für eine spezifische Mikrosatelliten-Plattform namens Triton-X entwickelt wurde, die verschiedene Arten von Forschungsnutzlasten in niedriger Erdumlaufbahn hosten soll. Frühere Arbeiten in diesem Bereich haben sich mit der Orbitgestaltung und Navigation für diese Arten von Satelliten beschäftigt.

#Technische Details

Der Artikel behandelt, wie die Bewegung von Satelliten in verschiedene Arten von Dynamik zerlegt werden kann, was im Wesentlichen beschreibt, wie sie sich durch den Raum bewegen. Bezugssysteme, oder Positionen im Verhältnis zu anderen Objekten, sind entscheidend dafür, wie man die Satelliten steuern kann.

Die Bewegungen der Satelliten werden mithilfe einer Reihe von Orbitalelementen beschrieben, die Details über ihren Gesamtweg geben, einschliesslich Faktoren wie Form und Neigung. Diese Elemente sind wichtig, um zu berechnen, wie sich ein Satellit im Verhältnis zu einem anderen bewegt.

Die relative Bewegung zwischen dem Hauptsatelliten und dem Stellvertreter kann mathematisch mit dem, was als Relative Orbital Elements (ROE) bekannt ist, beschrieben werden. Diese sind eine Möglichkeit, auszudrücken, wie die Position eines Satelliten im Verhältnis zu einem anderen steht.

Das Leitsystem optimiert dann diese Bewegungen, indem es Schubbefehle für den Stellvertreter-Satelliten plant. Dabei muss es berücksichtigen, dass die Orientierung vor jedem Schub geändert werden muss, und wann der Triebwerk an oder aus ist.

#Optimierungsherausforderungen

Die Herausforderung in diesem Optimierungsproblem ist, den Treibstoffverbrauch mit der Notwendigkeit für Timing und Manövrierbarkeit auszubalancieren. Das Leitsystem kann lange Zeiten bewältigen, in denen der Triebwerk aus bleiben muss. Es kann während dieser Phasen immer noch die Trajektorie anpassen, was dem Satelliten erlaubt, die Kontrolle über seinen Weg zu behalten.

Die Optimierung kann als eine Reihe von Schritten betrachtet werden, wobei der Satellit durch den Raum navigieren und seinen Weg sorgfältig anpassen muss, während er gleichzeitig den Treibstoff spart. Der Artikel beschreibt, wie der Schub verteilt werden muss, um die Gesamtziele der Mission effizient zu erreichen.

#Testergebnisse

Ergebnisse aus Tests zeigen, dass diese neue Leitmethode die Leistung im Vergleich zu früheren Systemen verbessert. Durch Simulationen konnten die Forscher validieren, wie gut das neue Leitsystem unter verschiedenen Szenarien funktioniert.

Sie haben verschiedene Manöver eingerichtet, von denen einige strikte Timing-Anforderungen für den Schub hatten, während andere mehr Flexibilität erlaubten. Es wurde festgestellt, dass der neue Ansatz den Treibstoff effektiver nutzt und gleichzeitig die Kontrolle über die Positionen der Satelliten aufrechterhält.

Die Tests zeigten, dass das neue Leitsystem sowohl mit als auch ohne lange Schub-Aussetzzeiten gut funktioniert, was seine Vielseitigkeit für verschiedene Missionsanforderungen beweist.

#Fazit

Zusammenfassend bietet das neue Leitsystem für kleine Satelliten mit Niedrigschub-Elektroantriebssystemen eine vielversprechende Möglichkeit, den Treibstoffverbrauch zu steuern, während komplexe Manöver durchgeführt werden. Durch die Optimierung von Timing und Schubverteilung ermöglicht es flexible Operationen im Weltraum.

Seine Fähigkeit, lange Zeiten ohne Schub zu berücksichtigen und dabei die Kontrolle aufrechtzuerhalten, ist ein bedeutender Fortschritt in der Satellitentechnologie. Während Satellitenmissionen komplexer werden und die Notwendigkeit für koordinierte Bewegungen wächst, könnte dieser neue Ansatz entscheidend sein, um effiziente und effektive Operationen im Weltraum zu erreichen.

Diese Arbeit trägt zur fortlaufenden Entwicklung von kleinen Raumfahrzeugen und ihren Fähigkeiten bei und stellt sicher, dass sie zukünftige Herausforderungen in der Weltraumforschung und -exploration meistern können.