XMM Newton (ESA)

XMM Newton (ESA)

Von einem, der auszog, der NASA das Spritsparen beizubringen…
Kein Weltraum-Märchen, sondern harte Realität.
Ingenieursehrenwort.

XMM-Newton

Der ESA-Satellit XMM (X-ray Multi-Mirror = Röntgen-Mehrfachspiegel) trägt ein gewaltiges Röntgenteleskop – seine Bilder und Daten haben schon so manches Wissenschaftler-Hirn erfreut und viele bahnbrechende Forschungsergebnisse geliefert. Der Fokus liegt dabei auf der Beobachtung hochenergetischer Vorgänge wie Schwarzen Löchern und Sternexplosionen, die Röntgenstrahlung freisetzen. Das 10 Meter lange fliegende Weltraumobservatorium XMM ist seit 1999 in Betrieb und sollte mindestens bis 2009 arbeiten.
Er läuft, beobachtet und sendet immer noch.
Ohne Fehler, gut gelaunt und absolut zuverlässig zieht er in einer hoch exzentrischen Umlaufbahn seine Bahnen. Eine hoch exzentrische Umlaufbahn bedeutet, dass er zwischen 5.000 und 110.000 Kilometern Höhe von der Erde entfernt ist.

Die „Steuermänner und –frauen“ im ESOC, dem ESA-Satellitenkontrollzentrum in Darmstadt, richten das Teleskop nach den Wünschen der Projekt-Wissenschaftler aus, um verschiedene Himmelsschauspiele beobachten zu können. Per Computerbefehl setzen sie im Innern des Satelliten Drallräder in Bewegung.
Die Ausrichtung des Satelliten durch Drallräder bietet eine langsame, sehr genaue und äußerst energiesparende Methode zum Steuern des kleinen Raumschiffs. Sie werden mit elektrischer Energie aus den Solarzellen des Satelliten betrieben.
Neben den Drallrädern hat XMM zusätzlich noch Düsen, die mit Treibstoff gezündet werden, an Bord.
Treibstoff ist ein wichtiges Thema in der Raumfahrt: Einerseits soll für eine möglichst lange Betriebsdauer möglichst viel davon an Bord sein – schließlich kann man im All nirgendwo nachtanken. Andererseits muss der Satellit möglichst leicht und klein sein – der Raum für Last ist sehr begrenzt und jedes Gramm Gewicht kostet beim Start ein kleines Vermögen.

Der richtige Drall

Es besteht ein eindeutiger (= unmittelbarer) Zusammenhang zwischen der Drehbewegung des Satelliten und der Geschwindigkeit der Räder.
Drallräder steuern die Lage eines Satelliten nach dem Aktions-Gegenreaktions-Prinzip: Bei der Beschleunigung in die eine Richtung dreht sich der Satellitenkörper in die entgegen gesetzte Richtung. Deswegen reichen drei gegeneinander verwinkelte Räder aus – eines für jede Bewegungsachse im dreidimensionalen Raum.
XMM hat vier Drallräder an Bord: Für den Betrieb im dreidimensionalen Raum braucht er drei, das vierte war als Ersatzrad vorgesehen. „Der Treibstoffverbrauch im Drei-Rad-Betrieb bewegt sich pro Tag so im Bereich eines Schnapsgläschens, also 0,2 cl.“ meint dazu der ESOC-Raumfahrtingenieur Rainer Kresken. Mit diesem Spritverbrauch wäre XMM jetzt bald am Ende gewesen.

Aber die findigen Astro-Ingenieure wollten ihren kleinen Liebling im weiten Weltall nicht verdursten lassen und haben nun eine Methode zum Spritsparen erdacht.
Der Vierrad-Antrieb wäre wesentlich sparsamer!
Das klingt auf den ersten Blick aberwitzig: Bei „Vierrad-Antrieb“ entsteht vor dem inneren Auge automatisch ein SUV mit Vierrad ( = Allrad)-Antrieb. Ein automobiles Ungetüm mit überdimensionierten Proportionen für den innerstädtischen Verkehr, das absolut nicht mit dem Verbrauch fossiler Brennstoffe geizt – auch als „Hausfrauen-Panzer“ oder „City-Bergepanzer“ bekannt.

So paradox es sich zunächst anhört, so wirkungsvoll ist der Vier-Drallrad-Antrieb für XMM.
„Im Dreirad-Antrieb besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der Lage-Rotation und der Rotationsgeschwindigkeit der Räder“ erklärt Rainer Kresken. Die drei Räder entsprechen den drei Bewegungsachsen im dreidimensionalen Raum. Die Räder müssen innerhalb eines spezifischen Geschwindigkeitsbereichs bewegt werden – weder zu schnell noch zu langsam.

„Da die Bewegung des Satelliten durch das geplante Beobachtungsprogramm eines Umlaufs festgelegt ist, bleibt zur Kontrolle der Geschwindigkeit der Räder nur das sogenannte Bias-Manöver zu Beginn des Beobachtungsprogramms: Die Geschwindigkeiten der Räder werden auf die vorher berechneten Werte kommandiert. Gleichzeitig werden Düsen gezündet, die die Gegenbewegung des Satelliten verhindern. Durch diese Anfangswerte der Geschwindigkeit ist der weitere Verlauf eindeutig festgelegt.“ Die Zündung dieser Düsen verbraucht Treibstoff.
„Mit dem Vierradantrieb hat man nicht nur das Bias-Manöver zur Beeinflussung des Geschwindigkeitsprofils. Durch Veränderung eines Programmparameters kann man auch alle Räder gleichzeitig abbremsen oder beschleunigen, ohne dabei die Lage des Satelliten zu verändern. Dadurch kann man die Geschwindigkeitsbeschränkungen einhalten und das Bias-Manöver deutlich kleiner machen.“
Für den Laien nicht ganz einfach zu verstehen, aber: Hauptsache, der Satellit weiß, was er tun soll.

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Kommentare (12)

  1. #1 Phero
    19. Juni 2014

    Zwischen 5000 und 110000 Metern? Da ist aber irgendwo ein Fehler drinnen…

    Aber interessanter Artikel.

  2. #2 werner
    19. Juni 2014

    Sollte das nicht “zwischen 5.000 und 110.000 KILOMetern Höhe von der Erde entfernt” heissen ?

    • #3 Bettina Wurche
      19. Juni 2014

      @Werner und Phero: Vollkommen richtig, es muss natürlich Kilometer heißen. Danke.

  3. #4 Bettina Wurche
    19. Juni 2014

    PS: Auf der verlinkten ESA-Seite steht:
    APOGEE/PERIGEE 110 596 km/10 561 km
    Rainer hat mir erklärt, dass diese Angaben veraltet seien und die aktuelle Umlaufbahn wirklich zwischen 5.000 und 110.000 Kilometern liegt.
    Er muss es wissen, schließlich fliegt er das Ding.

  4. #5 schlappohr
    20. Juni 2014

    Warum wird mit den Steuerdüsen die Gegenbewegung des Satelliten kompensiert? Ich dachte, diese Bewegung ist genau das Ziel des Manövers, um das Teleskop neu auszurichten?

    SUVs (Stupid Useless Vehicles), eine Meisterleistung der Ingenieurskunst, sind übrigens auch außerhalb der Stadt immer gerne gesehen. Hier, wo die Straßen schmal sind, fallen die 15 Liter Verbrauch wegen der vielen frischen Luft ja nicht so ins Gewicht. Zudem sind in der mitteleuropäischen Wildnis die Wege in so miserablem Zustand, dass man ohne Allradantrieb praktisch nirgendwo durchkommt.

    • #6 Bettina Wurche
      23. Juni 2014

      @ schlappohr: Manchmal ist nur eine Geschwindigkeitsänderung des Satelliten gewünscht, ohne eine gleichzeitige Lageveänderung.
      Dann muss im Dreiradantrieb das erwähnte Bias-Manöver angewendet werden: Die Drallräder werden bewegt, daraus erfolgt die Geschwindigkeitsänderung und die gleichzeitige Lageänderung. Da letzteres (in diesem speziellen Fall) nicht erwünscht ist, muss als Gegenreaktion eine zusätzliche Lagesteuerung durch die Lagekontrolldüsen erfolgen.

    • #7 Bettina Wurche
      24. Juni 2014

      @schlappohr
      oops, statt

      Die Drallräder werden bewegt, daraus erfolgt die Geschwindigkeitsänderung und die gleichzeitige Lageänderung

      hätte es in meiner früheren Antwort heißen sollen “die Geschwindigkeitsänderung der Räder”. Wir reden hier nur über die Steuerung der Lage des Satelliten

  5. #8 Matthias Römer
    23. Juni 2014

    An meinen Schnapsgläsern steht 2 cl. Werden in der Raumfahrt kleinere Gläser verwendet, damit es nicht zu “Trunkenheit am Steuer” kommt?

  6. #9 Bettina Wurche
    23. Juni 2014

    Ja – 2 cl ist richtig.

    In der Raumfahrt direkt ist Alkohol an Bord der ISS seitens der NASA untersagt, über die Richtlinien von Roskosmos für Kosmonauten ist mir nichts bekannt.

    Zur Alkoholhandhabung auf den Bodenstationen müsste man dort direkt nachfragen. Nach meinen informellen Informationen ist es zumindest bei den mir bekannten ESA-Stationen für die Leute on duty nicht akzeptiert.
    Nur Kaffee in jeder Stärke und Menge, vorzugsweise in 0,3-Humpen.

  7. #10 Alderamin
    23. Juni 2014

    @Bettina

    Manchmal ist nur eine Geschwindigkeitsänderung des Satelliten gewünscht, ohne eine gleichzeitige Lageveänderung. Dann muss im Dreiradantrieb das erwähnte Bias-Manöver angewendet werden

    Hmm, ist das Biasmanöver nicht das, was im NASA-Jargon “desaturation of the reaction wheels” genannt wird?

    Soweit ich verstanden habe, müssen die Drallräder wegen Reibungsverlusten in den Lagern mit der Zeit immer schneller rotieren, um eine bestimmte Ausrichtung beizubehalten. Um diese Rotation zu vermindern, wird von Zeit zur Zeit per Steuerdüsen ein Drehimpuls der Sonde derart erzeugt, dass er genau dann kompensiert wird, wenn die Drallräder langsamer rotieren. Mit einer Geschwindigkeitsänderung hat des Satelliten hat das nichts zu tun.

    Kann aber auch sein, dass ich hier etwas falsch verstehe.

    • #11 Bettina Wurche
      24. Juni 2014

      @Alderamin:

      Hmm, ist das Biasmanöver nicht das, was im NASA-Jargon “desaturation of the reaction wheels” genannt wird?

      genau.

      Soweit ich verstanden habe, müssen die Drallräder wegen Reibungsverlusten in den Lagern mit der Zeit immer schneller rotieren, um eine bestimmte Ausrichtung beizubehalten.

      Nein, die Reibungsverluste der Räder werden durch Elektromotoren mit Energie aus den Solarzellen kompensiert. Allerdings ändert sich die Geschwindigkeit der Räder durch die Einwirkung äußerer Drehmomente langsam. Solche Drehmomente entstehen durch u.a. durch den Starhlungsdruck der Sonne.

  8. #12 Alderamin
    24. Juni 2014

    @Bettina

    Allerdings ändert sich die Geschwindigkeit der Räder durch die Einwirkung äußerer Drehmomente langsam. Solche Drehmomente entstehen durch u.a. durch den Starhlungsdruck der Sonne.

    Du hast natürlich recht, interne Effekte wie Reibung in den Lagern können wegen der Drehimpulserhaltung nicht den Drehimpuls des Satelliten selbst verändern, sondern das können nur äußere Einflüsse, danke.

    Ich habe eine Präsentation gefunden, da sind die äußeren Einflüsse auf das Drehmoment alle erläutert. Ab Seite 27. Falls es jemanden interessiert.