Karteikarten
Kleinsatellitenentwurf
Karten in diesem Stapel (52)
- 1Definition KleinsatellitSatelliten mit Gewicht < 500 kg
- 2Constraints bei einer RaumfahrtmissionBudget, Zeitfenster, Masse und Volumen Launch Vehicle, Dokumentation und Risikomanagement, Energieverbrauch , . . .
- 3Subsysteme aufzählenStructure and Mechanisms (SMS), Thermal Control (TCS), On-board Data Handling (OBDH), Communication (COM), Attitude and Orbit Control (AOCS), Eletrical Power (EPS), Payload (PS). Sonstiges: Environmental and Life Support (ECLSS), Propulsion, Extra Vehicular Activity
- 4Was ist ein DatenbusDie interne Kommunikation bzw. Datenaustausch eines Satelliten läuft über seinen Satellitenbus. Beispiele dafür sind standardisierte Bussysteme wie MIL-STD1553, Spacewire oder CANBUS
- 5Was ist ein SatellitenbusAlle Komponenten, die den Betrieb der Payload auf einem Satelliten ermöglichen. Dazu gehören im Prinzip alle Subsysteme außer der Payload. Kategorisierung: Structure and Mechanisms, Thermal, Power Supply, Command & Data Handling (C&DH), Telemetry, Tracking and Commanding (TT&C)
- 6Orbit für ErdabdeckungPolarer Orbit, Erde dreht sich unter Satellit weg
- 7Thermalen Haushalt eine Satelliten im LEO skizzieren, FormelnFormel: Bilanzierung der Quellen und Abstrahlung, Aufteilung Sonnenstrahlung und Wärmestrahlung:
Q_I + F_E-Sat * A_Sat * alpha * q_A + q_S * F_S-Sat* A_sat * alpha + F_E-Sat * A_Sat * epsilon * q_E - epsilon * A_sat * sigma * T^4 = m * c * dT/dt - 8Anforderungen an StrukturBelastungen der Mission durch Launcher/Weltall abfangen,
Unterstützt Satellitenbus mechanisch,
Launch adapter,
mechanische Versteifung,
Schutz gegen Weltall (Strahlung, EM) - 9Struktur: Belastungenstatische und periodische Lasten beim Start,
Akustiklasten durch hohe Lauttstärke,
Schocklasten durch Separation - 10Thermal: Temperatur verringern, StellschraubenRadiatoren verwenden, größere Radiatorenfläche,
Außenbeschichtung mit geringer Absorptivität
Materialien mit hoher Wärmeleitung zu Radiatoren - 11Struktur: TestsVerifikation von dynamischen Lasten: Shakertest
Verifikation von akustischen Lasten:
Akustiktest
Verifikation von Schocklasten:
Schocktest - 123 Typen von Rädern zur Satellitenregelung, Vor- und NachteileDrallräder: Passive Stabilisierung von zwei Achsen, Vorteile: Passive Regelung, Nachteil: Nur zwei Achsen
Reaktionsräder: Aktive Drehzahlregelung, i.d.R. 4 Räder um redundant regeln zu können, hoher Drehzahlbereich und Motormoment, Tradeoff zwischen hohem Gewicht/niedriger elektr. Leistung und andersrum notwendig
Control Moment Gyros: Lagereglung durch Kippen des Drallvektor von einem Rad. komplexe Aufhängung des Rades notwendig, Lageregelung durch Kippen des Drallvektors, hohe Lagerkräfte - 132 Kleinsatellitenmissionen nennenFlying Laptop: Erdbeobachtung, Technologieerprobung
GRACE: Vermessen des Erdgravitationsfeldes
BIRD: Fire detection satellite - 14Sensoren und Aktuatoren für zwei Modi: Fine Pointing Mode und Sun Coarse Pointing ModeSun Coarse Pointing Mode: Sonnensensoren / Magnetorquer / Magnetometer / Reaction Control System
Fine Pointing Mode:
Sonnensensoren / Sternensensor / GPS Sensor/ Reaction Control System / Magnetorquer - 15Aufgaben elektrischer SystemeBereitstellung von Energie -> Power
Ermöglichen von Kommunikation von/zu Erde -> COMM
Interne Satellitenkommunikation und Datenverwaltung -> OBDH - 16Aufgaben SollarzelleGenerierung von Energie
- 17Satellitentypen/aufgabenKommunikationssatelliten, Spionagesatellite, Erdbeobachtungssatelliten,
Astronomiesatelliten, . . . - 18Möglichkeiten, Weltraummüll zu vermeidenEntsorgung im Friedhofsorbit, Wiedereintritt durch Orbitdegradation
- 19Kepler's Gesetze1. Die Orbits von Planeten sind Ellipsen, in deren Brennpunkt die Sonne steht
2. Die Verbindunglinie zwischen Planeten und der Sonne überstreicht in gleichen Zeiteinheiten gleiche Flächen
3. Das Quadrat der Umlaufzeit ist proportional zur dritten Potenz der langen Halbachse - 20Potential und Vorteile von KleinsatellitenSchnellere Rückholung von wissenschaftlichen Daten,
schneller Entwicklungszeit,
Risiko- und Kostenreduktion - 21Akutelle TrendsMiniaturisierung,
New Space (Privatisierung der Raumfahrt)
fokusierte Missionen
mehr Launchmöglichkeiten - 22Definition sonnensynchroner Orbit (SSO)Winkel zwischen SSO Orbitebene und Verbindungslinie Erde-Sonne ist immer gleich
- 23Vorteile SSOSatellit überstreicht immer zum gleichen Zeitpunkt gleichen Ort auf der Erde, d.h. konstantes LTAN und LTDN.
Außerdem ist es möglich den Satelliten so zu setzen, dass er konstant Sonnenlicht abbekommt -> stabilere Temperaturbereiche und permanente Stromerzeugung durch S/A - 24LTAN / LTDN / RAAN DefinitionLocal Time of Ascending Node, Local Time of Descending Node: Der Satellit überstreicht zu diesem Zeitpunkt den aufsteigenden oder absteigenden Knoten (Schnittpunkt Orbitebene und Referenzeben)
RAAN: Right Argument of Ascending Node, Winkel zwischen Referenzrichtung Frühlingspunkt und aufsteigendem Knoten - 25Die wichtigsten Aufgaben des Power Subsystem. Durch welche Systeme wird dies üblicherweise bewältigtEnergiegeneration: Solarzellen (S/A)
Energiespeicherung: Batterien/Akkus (Li-Ion Batterie),
Energiewandlung und -distribution: Power Control and Distribution Unit (PCDU) - 26Typischer Effizienzgrad von modernen Solarzellen. Wie heißen diese modernen Solarzellen und auf welcher Techologie basieren diese / was nutzt diese aus?32-34 % bei Verwendung von Multi-Junction Solar Cells.
Stapelung mehrer Schichten, dabei ist jede Schicht für ein anderes Spektrum ausgelegt - 27Formel um Solarzellenleistung zu berechnenP = S * A * eta_EOL * eta_Temp * eta_coverage * cos(beta)
S = solar constant = 1367 W/m^2 auf Erdorbits
eta = wirkungsgrade, coverage gibt an wieviel der Solarzellenfläche Energie erzeugt
beta = Einstrahlungswinkel - 28Welche zwei Methoden bei der PCDU gibt es, um die Energieversorgung zu regulieren. Für welche Konditionen sind diese jeweils gut?Direct-Energy-Transfer (DET)
und MPPT (Maximum Peak Power Point Tracker)
DET: nur benötigt Energie wird Verbrauchern geliefert, gut bei stabilen Konditionen
MPPT: generierte Leistung identisch zu benötigter Leistung, gut bei veränderlichen Konditionen - 29Welche zwei Geräte können ein Hochfrequenzsignal verstärken?Travelling Wave Tube Amplifier (TWTA)
Solid State Power Amplifier (SSPA) - 30OrbitelementeExzentrizität e
Große Halbachse a
Inklination i
Argumenent des Perigäums omega
Argument des aufsteigenden Knotens Omega
Wahre Anomalie v - 31Orbiteinteilung nach Höhe, ungefähre HöheLEO: 180-2000 km
MEO: 2000-35780 km
GEO: >= 35780 km - 32Projektphasen für RaumfahrtmissionenPhase 0: Mision Analaysis
endet mit MDR, Mission Definition Review
Phase A Konzeptphase
endet mit PRR, Preliminary Requirements Review
Phase B: Definitionsphase
endet mit PDR, Preliminary Design Review
Phase C: Design und Entwicklungsphase endet mit CDR, Critical Design Review
Phase D: Fertigung-, Qualifikations- und Testphase
Beinhaltet Flight Readiness, Qualification und Acceptance Review (FRR,QR,AR)
Phase E: Betriebsphase
Operational Readiness Review (ORR)
Phase F: Ausmusterungsphase
Betriebsende, eventuelle Entsorgung des Satelliten durch Wiedereintritt oder Transfer in Friedhofsorbit - 33Was sind Requirements und wozu werden sie benötigtSpezifizierung von Anforderungen in einer sprachlich klaren Form, die von Techniker/Designern/Ingenieuren ... verwendet werden kann um die Missionsziele zu erreichen
- 34Wie verläuft eine Satellitenmission nach dem V-Modell?Bis Phase C Entwicklung in die Tiefe, danach Verifikation und Integration. Bei Entwicklung in die Tiefe werden Testdefinitionen festgelegt, bei Verifikation und Integration werden diese Tests durchgeführt
- 35Was ist ein Link Budget und wozu wird es benötigt?Ein Link Budget bilanziert die Gewinne und Verluste eine Telekommunikationsverbindung zwischen Sender und Empfänger. Sie ist für die korrekte Auslegung eines Kommunikationssystem über große Distanzen essentiell
- 36Wie sieht die Bilanzierung bei einem Link Budget aus? Was sind bei einem Link Budget Gewinne, was sind Verluste? BeispieleAuf der linken Seite steht die der energy per bit to noise power ratio (E_b/N_0), auf der rechten Seite die Gains und Losses
Gains: HF Verstärkung durch TWTA oder SSPA, Sender, Empfänger
Losses: Verlust durch Atmosphäre, Free Space Loss - 37Zwei prinzipielle Möglichkeiten, ein AOCS System zu testen, Vor- und NachteileDirektes Testen durch einspannen des vollintegrierten Satelliten in ein dreiachsiges Lager und Testen der Algorithmen. Vorteil: Authentischster Test Nachteil: Extrem teuer
oder: Abnahme der Aktuatorkommandos, Simulation von Satellitendynamik und erzeugen der Stellkommandos im Simulator. Es ist nur der On-board Computer zum Testen notwendig. Auch genannt: Hardware In-the-Loop in closed loop configuration. Durchführung im Real-Time Tesbed (RTB) - 38Zwei Referenzsysteme / Koordinatensysteme zur Beschreibung der Erde. Wozu werden diese verwendetEarth Centered Intertial (ECI):
Nicht rotierendes Koordinatensystem zur Beschreibung von Himmelskörpern / Objekten im Weltall. X-Achse zeigt zur Frühlingspunkt, Y-Achse in die nördliche Richtung des Rotationsachse Erde
Earth Centered Earth Fixed (ECEF):
Rotierendes Koordinatensystem zur Beschreibung der Bewegung von Objekte relativ zur Erde. X-Achse beim Greenwhich Meridian 0°, Y-Achse wie bei ECI - 39Was sind die wichtigsten praktischen Konzepte, um ein Thermalsystem umzusetzen (hardware ...)Thermische Insulierung mithilfe von MLI oder ähnlichem
Hitzeabgabe durch Radiatoren, die in Richtung Deep Space oder Erde abstrahlen
Innenseiten im Satellit mit hoher Emissivität für homogenere Temperaturverteilung
Aktive Temperaturkontrolle mithilfe von Heizern - 40Verifikation von Thermalsystemen, Ablauf in Schritten1. Erste Voraussagen vor dem CDR mithilfe von transienten Thermalsimulationen (ESATAN-TMS)
2. Sensitivitätsanalyse
3. Thermal-Distortion Analysis
4. Launcher Coupled Analysis
5. TB/TV (Thermal Balance / Thermal Vacuum) Voraussage zu Thermal-Vakuum Test Temperaturen
6. Thermal Balance / Thermal Vacuum Test Durchführung
7. Korrelierung der Testergebnisse und Simulationen
8. Anpassung Radiatoren mit korreliertem Thermalmodell
9. Flugtemperatur Voraussage vor Start - 41Stefan-Boltzmann GleichungPlanksches Strahlung Gesetz integriert:
M = sigma * T^4 - 42LTAN/LTDN Kombi für maximale und minimale SonnenzeitenMax: 6h/18h LTAN/LTDN
Min: 12/24h LTAN/LTDN - 43Was sind die wichtigsten Konzepte/Methoden um ein Thermalkontrollsystem auszulegen1. Transiente Simulation z.B. ESATAN-TMS
2. Thermal-Vakuum Test
3. Korellation von Experimente und Simulation
4. Basierend darauf Radiatorsizing/Thermalsystemauslegung - 44Warum treten Orbitstörungen auf.Wie kann man diese modellieren? Wie heißt ein Modell dafürDadurch, dass die Erde keine perfekte Kugel ist sondern Abflachungen und Erhöhungen hat.
Mögliches Modell: J2-Peturbations.
Variation von omega und Omega (Argument des perigäums und Argumente des aufsteigenden Knotens)
Höhere J-Terme für andere Störungen wie dritte Körper oder Gezeitenkräfte - 45Auslegung von Drallräder: Was sind die wichtigsten Parameter?Reaktionsmoment:
Bestimmung, wie schnell der Satellit maximal schwenken kann und wieviele Störungen gespeichert werden müssen
Motortorque:
Um zu bestimmten, wie lang es braucht bis der Satellit seine maximale Drehgeschwindigkeit erreicht hat
Busspannung und Leistungsverbrauch:
geregelt oder ungeregelt, Energieverbrauch - 46Durch welche Auslegungskriterien wird die die Wahl des Drallradtypes und dessen Leistungsparameter wie z.B. Reaktionsmoment abgeleitetGewünschte Motortorque Auflösung, Masse/Gewicht, verfügbares Volumen, maximal aktzptierte Vibrationen, Temperaturbereich
- 47Es gibt bei der PCDU prinzipiell zwei Möglichkeiten, den Power Bus (Busspannung) zu regeln. Welche sind das und was sind Vor- und NachteileMan kann die Busspannung regeln und ungeregelt lassen.
Das Design der PCDU ist für den ungeregelten Fall sehr einfach, dafür schwankt die Heizerleistung und das EMC muss aufwändiger designt werden. Außerdem sinkt die Effizienz bei Verbrauchern aufgrund von Transformationsverlusten - 48Welche Aufgaben hat die PCDU bei dem EPS SubsystemLeistungsregelung durch Methoden die MPPT oder S3R/DET,
Batteriemanagement und Busfilterung - 49Was ist bei Batterien der sogennante Depth of Discharge (DoD)Er gibt an, wie sehr sich die Batterie pro Zyklus (Licht/Schattenphase) entlädt. Dabei muss sichergestellt und nachgewiesen werden, das sich die Batterie in Schattenphasen nicht komplett entlädt
- 50Newton's Gesetze1. In einem Intertialsystem wird sich ein Körper mit konstanter Geschwindigkeit immer weiterbewegen, solang keine Kraft auf ihn wirkt
2. F = m*a
3. Actio = Reactio - 51Was sind die wichtigsten Frequenzbänder für die Satellitenkommunikation und was ist deren ungefährer Wellenlängenbereich. Welche Organisation ist zuständig für die FrequenzallokationS-Band (2-2,4 GHz)
X-Band (7,3-8,4 GHz)
Ku-Band (13,75-15,35 GHz)
Ka-Band (22,55-27,5 GHz)
International Telecommunication Union (ITU) - 52Welche Aufschlagsfaktoren / Margins gibt es bei der Auslegung von ThermalkontrollsystemenBerechneter Temperaturbereich + Ungenauigkeiten (5-10K) + Akzeptanzmargin (5K) +
Qualifikationsmargin (5K)