Stabilisierung (Raumfahrt)
Die Lageregelung dient dazu, Raumflugkörper (Raumsonden, Satelliten, Raumschiffe) in eine bestimmte Richtung auszurichten, damit sie ihre Aufgabe erfüllen können
Es gibt mehrere Möglichkeiten einen Raumflugkörper zu stabilisieren.
Gravitationsstabilisation
Sie ist die einfachste Form der Stabilisation und wirkt, sobald ein Raumflugkörper, der nicht in alle drei Raumrichtungen gleich lang ist, einen Himmelskörper umkreist. Nur im Schwerpunkt des Raumflugkörpers herrscht dann wirklich, genau betrachtet, Schwerelosigkeit. Die Teile des Raumflugkörpers, die weiter vom Himmelskörper entfernt sind als der Schwerpunkt, umkreisen ihn eigentlich etwas zu schnell, und versuchen deshalb, auf eine höhere Umlaufbahn zu kommen, während die Teile unter dem Schwerpunkt des Raumflugkörpers etwas zu langsam kreisen und versuchen, auf eine niedrigere Umlaufbahn zu gelangen. Dieses führt mit der Zeit bei Raumflugkörpern, die länger als ihr Durchmesser sind, dazu, dass sich ihre Längsachse aufrichtet, und eine Seite zum Planetenmittelpunkt und die gegenüberliegende Seite zum Zenit zeigt. Die Gravitationsstabilisation wird nur selten verwendet (bekannt ist jedoch, dass sie der Space Shuttle zur Treibstoff sparenden Stabilisation verwendet, wenn er keine besondere Lage einnehmen muss).
Spinstabilisation
Die Spinstabilisation nützt aus, dass sich ein sich um seine Längsachse rotierender Raumflugkörper wie ein Kreisel verhält und deshalb normalerweise nicht aus seiner Lage im Raum gebracht werden kann. Dieses gilt auch, wenn sich der Raumflugkörper in dem Schwerefeld eines Himmelskörpers befindet. Die Spinachse kann durch Steuerungstriebwerke beliebig im Raum ausgerichtet werden. So kann die Spinachse des Raumflugkörpers nach den Angaben von Sensoren ausgerichtet werden damit der Raumflugkörper seine Aufgabe(en) erfüllen kann. Ein Beispiel sind drallstabilisierte Nachrichtensatelliten, die ihre Spinachse so ausrichten, dass die Solarzellen auf ihrer Trommeloberfläche, während der Rotation um ihre Achse, nacheinander von der Sonne beschienen werden, während gleichzeitig ihre Antennen, die oben auf der Trommel sitzen, von einem Motor entdrallt werden, so dass sie immer auf dasselbe Zielgebiet auf der Erde zeigen können.
Drallstabilisation
Bei der Drallstabilisation dreht sich nicht der ganze Raumflugkörper um seine Achse sondern ein schnell drehendes Drallrad mit einer, gegenüber dem Raumflugkörper unbeweglichen, Achse im innern des Raumflugkörpers. Die so erzeugte die Kreiselkraft stabilisiert den Raumflugkörper. Der Vorteil der Drallstabilisation ist, dass der Raumflugkörper nicht selbst rotiert und seine Seiten fest ausgerichtet werden können um Antennen und Solarpaddel zum Zielplaneten und zur Sonne auszurichten. Auch bei dieser Stabilisationsart kann der Raumflugkörper, und damit auch die Achse des Drallrades, von Steuertriebwerken beliebig im Raum gedreht werden.
Dreiachsenstabilisation
Sie ist die modernste Stabilisierungsart. Bei ihr stellen Sensoren die Lage im Raum gegenüber der Sonne und dem umkreisten Himmelskörper fest. Die so ermittelten Daten werden in Steuerungsbefehle umgewandelt und von Gyroskopen (Reaktionsschwungrädern) dazu verwendet, den Raumflugkörper in die gewünschte Lage zu drehen. Die Rotationsgeschwindigkeit der Gyroskope und damit der maximal erzeugbare Drehimpuls sind begrenzt. Deshalb sind zusätzlich Lageregelungstriebwerke oder Magnetspulen notwendig, mit deren Hilfe man von Zeit zu Zeit den Gesamtdrehimpuls des Rades wieder auf Null reduziert. Jedoch können auch die Steuertriebwerke allein den Raumflugkörper stabilisieren wenn die Gyroskope ausfallen oder die Stabilisierung einer oder einiger Achsen übernehmen wenn ein Teil der Gyroskope ausfällt. Bei Kommunikationssatelliten mit fester Orientierung zur Erde tragen die Hauptachsen die bei Flugzeugen üblichen Bezeichnungen, siehe roll-pitch-yaw.Ein Beispiel sind 3-achsig stabilisierte Nachrichtensatelliten, die auf diese Art so ihre Antennen ständig zur Erde ausrichten, während die aus dem ständig auf die Erde ausgerichteten Satellitenkörper ragenden Solarpaddeln der Sonne folgen können.
Sonstige Verfahren
- Satelliten, die im LEO fliegen, können das Erdmagnetfeld zur Lageregelung benutzen. Dies kann passiv erfolgen indem die Satelliten einen Stabmagneten mitführen, so dass sich die Satelliten wie Kompassnadeln am Magnetfeld ausrichten können. Anspruchsvoller ist die aktive Regelung mit Magnetspulen oder Magnettoquern (Spule mit Eisenkern). Diese Spulen können auch zum Entdrallen von Reaktionsrädern genutzt werden, wenn diese an ihrer oberen Drehzahlkapazität angelangt sind.
- Eine selten eingesetzte Variante zur Lageregelung sind Solarklappen/segel. Diese bewegbaren Flächen können durch Ausnutzung des Sonnendruckes ein Drehmoment erzeugen und so die Lage des Satelliten verändern.
Lageregelung einer Raumsonde
Die Spin- Dreiachsenstabilisierung kommen auch bei Raumsonden zum Einsatz, wobei die Ausrichtung sich je nach Einsatzzweck und Flugphase der Raumsonde unterscheiden und/oder verändern kann.