User:CM300/sandbox

Ein Magnettorquer ist eine Komponente der Lageregelung von Satelliten. Mittels einer Magnetspule wird ein magnetischer Dipol erzeugt, der mit dem Magnetfeld der Erde interagiert und damit ein Drehmoment auf den Satelliten überträgt. Anwendungen sind die aktive Lageregelung des Satelliten sowie der Ausgleich des Drehimpulses beim Entladen von Drallrädern oder Reaktionsschwungrädern. Weitere gängige Bezeichnungen sind Magnetotorquer und Magnet Torquer Bar.

Funktionsprinzip
Magnettorquer sind im Prinzip Elektromagnete die einen magnetischen Dipol erzeugen. Die Stärke und die Richtung des Moments ist abhängig vom Strom, der Stromrichtung, der Windungszahl und dem Durchmesser der Spule sowie der Permebilität des Kerns. Der erzeugte Dipol \vec m reagiert mit dem Erdmagnetfeld \vec B und erzeugt so ein mechanisches Drehmoment \vec M.


 * $$\vec M = \vec m \times \vec B,$$

Der Magnettorquer ist fest mit dem Satelliten verbunden und überträgt so das Drehmoment um seinen Schwerpunkt. Mit einer geeigneten, orthogonalen Anordnung von drei Magnettorquern kann der Satellit damit frei um alle Achsen gedreht werden. Unter bestimmten Voraussetzungen können auch weniger Magnettorquer verwendet werden, so z.B. wenn eine vollständige Lageregelung nicht notwendig ist oder unsymmetrische Störungen eine unterbestimmte Regelung erlauben.

Bauweisen
Die Effizienz der elektromagnetischen Kenngröße, das Dipolmoment, wird durch die Bauweise bestimmt. Es werden zwei Bauweisen unterschieden.

Kernspulen
Kernspulen sind Zylinderspulen mit einem Kern aus hochpermeablem, weichmagnetischem Material. Sie zeichnen sich durch ein günstiges Verhältnis von Masse zu Dipolmoment aus, was für Raumfahrtanwendungen wichtig ist. Remanenzen im Kern können durch eine günstige Materialwahl vermieden oder durch zusäzliches Umpolen unterdrückt werden.

Luftspulen
Bei Luftspulen wird die Wicklung auf einen Rahmen aus nichtmagnetischem Material aufgewickelt. Die fehlende Permeabilität wird durch zusätzliche Fläche oder höheren Strom ausgeglichen. Dies kommt zum Einsatz wenn die Remanenz des Kernmaterials Instrumente stören würde. Die mangelnde Permeabilität führt dazu, daß Luftspulen bei gleichem Dipolmoment ein Vielfaches schwerer und größer sind als Kernspulen. Das Prinzip der Luftspulen wird häufig bei Kleinstsatelliten und CubeSats angewendet, wo Tiele der Struktur als Rahmen verwendet werden können.

Redundanz kann bei beiden Bauweisen durch eine bifilare Spulenwicklung erzeugt werden. Dabei kann durch geeignete Dimensionierung entweder "kalte Redundanz" (zwei getrennte, gleichwertige Spulen auf einem Kern) oder "heisse Redundanz" (zwei Spulen, die jeweils die Hälfte der Leistung erzeugen) erzielt werden.

Vor- und Nachteile
Magnettorquer haben eine geringe Masse im Verhältnis zum Satelliten, und gelten als zuverlässig und energieeffizient. Im Gegensatz zu Schubdüsen verbrauchen sie keine Treibstoffe und können somit beliebig lange verwendet werden, solange elektrische Energie zur Verfügung steht. Im Erdorbit steht die Energie durch die Sonne zuverlässig zur Verfügung.

Da es keine beweglichen Teile gibt werden Instrumente nicht durch Vibrationen gestört, die von Reaktionsrädern oder Drallrädern erzeugt werden. Das Fehlen beweglicher Teile ist auch der Grund für die hohe Zuverlässigkeit.

Der größte Nachteil ist, daß ein äußeres Magnetfeld benötigt wird, daher ist der Einsatz auf Orbits um Planeten mit eigenem Magnetfeld beschränkt. Im Erdorbit limitiert die Feldstärke den Einsatz auf LEO bis MEO.

Zum schnellen Rotieren wird eine hohe magnetische Feldstärke benötigt. Es wird dafür entweder ein hoher Strom benötigt oder die Feldstärke im Orbit müsste höher sein. Hohe Drehraten werden erst durch längere Schaltzyklen erzielt, die meist für eine genaue Lageregelung zu lang sind.

Weblinks

 * http://www.ralfzimmermann.de/detmold.97/drallrad.html (01.10.2012)
 * http://polysat.calpoly.edu/PublishedPapers/DanGuerrant_thesis.pdf (01.10.2012)
 * http://bass.gmu.edu/~pceperle/WebProjts19xx/st1/mag_torq.htm (01.10.2012)
 * http://www.zarm-technik.de/zt_web_products_torquers.html (01.10.2012)
 * http://smad.com/ie/ieframessr2.html (01.10.2012)
 * http://www.goce-projektbuero.de/8114--~goce~Goce~Mission~Vorgaengermission~Lageregelung.html (01.10.2012)

Magnettorquer