Reaktionsrad

Ein Reaktionsrad ist ein Aktor zur Lageregelung eines Satelliten. Es besteht in der Regel aus einem Motor, einer Schwungmasse, der Ansteuerungselektronik und einigen Kleinteilen. Das Reaktionsrad bringt ein Drehmoment auf, um den Satelliten in der gleichen Achse, aber in Gegenrichtung zu drehen. Der Gesamtdrall des Systems Satellit bleibt dabei konstant, im Gegensatz zu Triebwerken oder Magnetspulen, die den Drall des Systems verändern. Bildlich gesprochen wird also der Drehimpuls nur zwischen Satellitengehäuse und Reaktionsrad hin und her geschoben (Drehimpulserhaltungssatz).

Reaktionsräder sind nicht mit Drallrädern zu verwechseln:

• Ein Drallrad läuft ständig mit einer hohen Drehzahl und erzeugt dadurch einen stabilisierenden Drall, d.h., die Reaktion auf Störmomente quer zur Drehachse des Drallrades wird minimiert. Deshalb gibt es typischerweise nur ein Drallrad (ggf. zwei redundante) pro Satellit. Drallräder werden zum Beispiel bei klassischen drallstabilisierten GEO-Satelliten eingesetzt.
• Ein Reaktionsrad ist im Normalfall im Stillstand und wird nur zur Lageänderung des Satelliten oder zum Ausgleich äußerer Störmomente auf eine entsprechende Drehzahl gebracht. Wenn nach mehreren Lageänderungen die Maximaldrehzahl erreicht ist, müssen die Reaktionsräder drallentsättigt (gestoppt) werden. Magnetspulen oder Lageregelungsdüsen bringen hierfür ein äußeres Moment auf, welches dem der herunterfahrenden Reaktionsräder entgegengesetzt wirkt. So wird sichergestellt, dass der Satellit trotz der Drehzahländerung seine definierte Orientierung im Raum beibehält und nicht in eine unerwünschte Taumelbewegung übergeht. Danach steht das Reaktionsrad wieder für Lageänderungen zur Verfügung.

Reaktionsräder in Tetraederanordnung

In der Raumfahrt werden dabei hauptsächlich zwei Anordnungen von Reaktionsrädern verwendet. Bei einem achsenmäßig entkoppelten System wird in jeder geometrischen Hauptachse des Satelliten jeweils ein Reaktionsrad eingesetzt, insgesamt also drei Stück. Um eine Redundanz zu erreichen, werden in den letzten Jahren Reaktionsräder immer häufiger in der Tetraederanordnung eingebaut. Dies hat den Vorteil, dass bei Ausfall eines Rades das System immer noch voll funktionsfähig bleibt. Nachteil ist die Verkopplung der einzelnen Räder untereinander: Die Drehung um eine geometrische Achse des Satelliten hat immer die Änderung der Drehzahl mehrerer Reaktionsräder zur Folge.

Ein Beispiel für die Drei-Achsen-Anordnung ist der LAPAN-TUBSAT und für die Tetraederanordnung der BIRD-Satellit.

Kenndaten

Ein typisches Reaktionsrad für einen mittelgroßen kommerziellen Satelliten hat einen Durchmesser von 20 bis 30 cm, eine Höhe von ca. 10 cm und eine Gesamtmasse von 5 bis 10 kg. Bei einer Drehzahl von ca. 5.000/min erzeugt es einen Drehimpuls von 20 Nms. Die Obergrenze für das Drehmoment liegt typischerweise bei 0,2 bis 0,5 Nm.

Der Drehimpuls $ L $ ist mit der Winkelgeschwindigkeit $ \omega $ und dem Massenträgheitsmoment $ J $ verknüpft:

$ L=J\,\omega $

Für das Drehmoment $ T $ gilt ($ {\dot {\omega }} $ ist die Winkelbeschleunigung):

$ T=J\,{\dot {\omega }} $

Der Gesamtdrehimpuls ist eine Erhaltungsgröße. Eine Änderung des Drehimpulses des Reaktionsrads durch Verändern von $ \omega $ bewirkt eine entgegengesetzte Drehung des Satelliten um die Rotationsachse der Schwungmasse. Das Drehmoment bestimmt, wie schnell die Rotation verändert und ein Satellit gekippt werden kann. Durch kleine Änderungen der Rotation des Reaktionsrads kann die Orientierung des Satelliten somit sehr genau gesteuert werden.