In den letzten 20 Jahren haben Würfelsatelliten eine wichtige Rolle im Bereich der Erforschung und Entwicklung der Luft- und Raumfahrttechnik gespielt. Der Betrieb von CubeSats im Orbit erfordert ein Lagebestimmungs- und Steuerungssystem (ADCS). Der in die Leiterplatte integrierte Magnetorquer ist eines der präzisen und effizienten ADCS, das sich am besten dafür eignet, Satelliten in der erdnahen Umlaufbahn (LEO) mit Drehmoment zu versorgen, um die Richtung des Satelliten zu steuern.
Was sind CubeSats?
CubeSats, auch bekannt als Cube Satellites, sind kleine Satelliten, die in der Regel zum Start kleiner experimenteller Nutzlasten in den Orbit verwendet werden. Aufgrund ihrer geringen Größe, niedrigen Kosten und geringen Leistungsaufnahme werden sie in vielen Bereichen eingesetzt, darunter Luft- und Raumfahrtwissenschaftsexperimente, Bodenumweltüberwachung, GPS usw.
Sie werden in der Regel nach der Anzahl der Einheiten kategorisiert, aus denen sie bestehen, wobei eine Einheit (1U) ein Modul mit den Maßen (10 x 10 x 10) cm3 ist. Üblicherweise sind CubeSats 1U, 2U, 3U oder sogar 6U groß. Eine der häufigsten Herausforderungen beim Betrieb dieser Satelliten ist die Steuerung der Lage des CubeSats, also seiner Ausrichtung im Weltraum. Dies geschieht mithilfe eines Lagebestimmungs- und Steuerungssystems (ADCS).
Was ist Magnetorquer?
Ein Magnetorquer ist ein relativ kostengünstiges Lageregelungssystem (ADCS), das ein externes Drehmoment auf einen CubeSat ausübt. Wir bezeichnen sie manchmal einfach als „Torques“ und unterscheiden zwischen zwei Kategorien: „zylindrische Torquer-Stangen“ und „kompakte magnetische Drehmomentspulen“. Beide funktionieren nach dem Solenoidgesetz und dem Ampere-Gesetz, aber erstere enthalten Ferritmaterial, um ihr magnetisches Dipolmoment zu verstärken.
Da die Drehmomentquelle auf der Lorentzkraft basiert, gibt es eine unkontrollierbare Achse parallel zum Vektor der geomagnetischen Flussdichte. Darüber hinaus können magnetische Torquer nur in Umgebungen mit einem ausreichend lokalisierten Magnetfeld funktionieren, wie z. B. in der erdnahen Umlaufbahn (LEO).
Der Magnetorquer benötigt für seine Lageregelungslogik außerdem lokale Informationen zum magnetischen Flussdichtevektor. Eine einfache Möglichkeit, solche Daten zu erhalten, ist die Verwendung eines Magnetometers. Auch die Ausbreitung unter Verwendung des IGRF-Modells funktioniert. Die drehmomentbasierte Steuerung ist wahrscheinlich der einfachste Ansatz für die aktive Lageregelung. Ihre Steuerungsgenauigkeit beträgt jedoch nur etwa 1 bis 5 Grad.
Magnetorquer-Blockdiagramm
Arten von Magnetorquer
Zylindrische Magnetorquer-Stange
Ein zylindrischer Magnetorquer besteht aus einer zylindrischen Drahtspule und einem Permanentmagneten, der im Inneren des Raumfahrzeugs angebracht ist.
Wenn elektrischer Strom durch die Spule fließt, entsteht ein Magnetfeld, das mit dem Magnetfeld des Permanentmagneten in Wechselwirkung tritt. Diese Wechselwirkung erzeugt ein Drehmoment, mit dem das Raumfahrzeug in die gewünschte Richtung gedreht werden kann.
Einer der Vorteile eines zylindrischen Magnetrimmers ist seine Einfachheit und Zuverlässigkeit. Er lässt sich leicht in die Konstruktion des Raumfahrzeugs integrieren und erfordert nur minimale Wartung. Darüber hinaus ist es ein Gerät mit geringem Stromverbrauch, was für Raumfahrzeuge mit begrenzten Energiequellen wichtig ist.
Der zylindrische Magnetstab ist der beste verfügbare Magnetruder für die Erzeugung höherer Drehmomente und damit für eine bessere Lageregelung. Der Magnetstab ist außerdem so konstruiert, dass er vollständig in die Abmessungen eines CubeSat passt.
Kompakte Magnetorquer-Spule
Die Spule eines kompakten Magnetruders besteht in der Regel aus einem dünnen Draht, der um einen Kern gewickelt ist, der normalerweise aus einem magnetischen Material wie Eisen oder Ferrit besteht. Wenn elektrischer Strom durch den Draht fließt, erzeugt er ein Magnetfeld, das mit dem Magnetfeld der Erde in Wechselwirkung tritt und das Raumfahrzeug in Rotation versetzt.
Die kompakte Bauweise der Magnetorquer-Spule ist wichtig, da der Platz in den meisten Raumfahrzeugen und Satelliten begrenzt ist. Daher ist ein kleineres Gerät, das dennoch ein ausreichendes Magnetfeld erzeugen kann, sehr wünschenswert. Darüber hinaus kann eine kompakte Magnetorquer-Spule das Gewicht und die Kosten des Gesamtsystems reduzieren.
Es gibt mehrere Unternehmen, die kompakte Magnetorquer-Spulen herstellen, darunter CubeSatShop, Sinclair Interplanetary und Blue Canyon Technologies. Diese Unternehmen bieten eine Reihe von Größen und Designs an, um den spezifischen Anforderungen verschiedener Raumfahrzeuge und Satellitenmissionen gerecht zu werden.
Magnetorquer-Leiterplattenlösungen
Es gibt nur wenige Anbieter, die Magnetorquer-Leiterplatten für Cubesat auf dem Markt verkaufen, einer davon ist ISISPACE.
Wenn Sie das Magnetorquer-Board selbst gestalten möchten, helfen wir Ihnen gerne dabei!
