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Ein etwas spezielles Akzelerometer auf einer SS-19

 
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Andreas Müller



Anmeldungsdatum: 28.02.2005
Beiträge: 2493
Wohnort: Altendorf

BeitragVerfasst am: Sa 07 März 2009, 18:26    Titel: Ein etwas spezielles Akzelerometer auf einer SS-19 Antworten mit Zitat

Viele von uns verwenden in ihren Raketen Beschleunigungssensoren. Deren Genauigkeit ist erfreulich, bei einer Auflösung im Mikrosekundenbereich erreicht das Rauschen etwa 10-20mg, braucht aber auch nur etwa 2mA.

Am 16. März soll jedoch eine Rakete gestartet werden, welche diese Werte doch beträchtlich übertrifft. Zugegeben, die ganze Anlage ist etwas grösser, es wurde daher auch eine umgebaute SS-19 Interkontinentalrakete für den Start verwendet (wegen der Sicherheitsabstände ist jetzt auch klar, dass das kein Start am Mini ALRS sein könnte, selbst wenn man MiniALRS etwas vorverschieben würde). Das Gerät schleppt auch eine etwas grössere Batterie mit: 78 Ah in Form eines LiIon-Akku fliegen mit, als Überbrückung für Phasen, in denen die Solarzellen mit weniger als ihrer Nennleistung von 1300W Energie liefern. Diese Leistung wird allerdings nur zu einem kleinen Teil für den Betrieb des Akzelerometers verwendet, der grösste Teil wird von einem Ionen-Triebwerk verbraucht.

Die Beschleunigungssensoren dieses Geräts sind vom Feinsten. Auf einer besonders starren Struktur sind drei Paare von Beschleunigungssensoren montiert, die mit einer Auflösung von 10^-13g messen. Das sind 100fg (femto G). Also etwa hundert Milliarden mal genauer als unsere üblichen Beschleunigungssensoren. Damit kann man die Änderung des g-Feldes in allen drei Richtungen bestimmen.

Natürlich verwendet man ein solches Messgerät nicht nur zur Bestimmung der Scheitelhöhe. Der ESA-Satellit GOCE (Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer) hat die Aufgabe, die Schwankungen des Schwerefeldes der Erde zu vermessen, und damit die Gestalt der Erde so genau wie möglich zu bestimmen. Angestrebt wird eine Genauigkeit im Zentimeterbereich in der Höhe, bei einer "horizontalen Auflösung" von 100km. Und das alles aus einer Höhen von 260km über der Erdoberfläche. Tief genug, dass man fast ständig Schub braucht, um den Luftwiderstand zu kompensieren. Allerdings ist der Luftwiderstand so gering, dass die Schubkraft von 20mN eines Ionentriebwerkes reicht, das entspricht einer Gewichtskraft von etwa 2 Gramm, als nicht einmal einem Fingerhut voller Wasser.

Das Abschmelzen der polaren Eismassen führt zu Massenumverteilungen, die GOCE mit Leichtigkeit feststellen kann. So erhofft man sich auch Aufschlüsse über die globale Meereszirkulation, die ebenfalls zu leichten Unterschieden der Höhe der Meeresoberfläche (1-2m) führt.

Der Gradient der Erdbeschleunigung ist natürlich ausserordentlich gering, über eine Distanz von 1m ändert sich g nur um etwa 10^-9 /s^2 (diese Masseinheit heisst Eötvös (ausgesprochen Ötwösch, Zeichen E), zu Ehren des Erfinders der Torsionsdrehwaage und Pioniers der Schwerefeldvermessung Lorand Eötvös). Würde man eine Rakete ohne Luftwiderstand mit 100m/s Brennschlussgeschwindigkeit in einem Winkel von 45° abschiessen, würde sich durch einen g-Gradienten von 1E nur 0.1mm neben dem Ort landen, den sie bei konstanten g treffen würde. Daher werden diese Schwankungen in den Flugbahn-Nomogrammen nicht berücksichtigt.

Mehr Info über GOCE: http://www.esa.int/esaLP/ESAYEK1VMOC_LPgoce_0.html
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Andi Wirth



Anmeldungsdatum: 27.02.2005
Beiträge: 1279
Wohnort: Sirnach TG

BeitragVerfasst am: Sa 07 März 2009, 20:35    Titel: Re: Ein etwas spezielles Akzelerometer auf einer SS-19 Antworten mit Zitat

Andreas Müller hat folgendes geschrieben:
Daher werden diese Schwankungen in den Flugbahn-Nomogrammen nicht berücksichtigt.


Very Happy

_________________
Das Leben an sich ist lebensgefährlich und endet unweigerlich mit dem Tod. Es sollte verboten werden.
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Neil



Anmeldungsdatum: 08.01.2007
Beiträge: 120
Wohnort: Delft

BeitragVerfasst am: Mi 18 März 2009, 13:11    Titel: Antworten mit Zitat

Hi,

jetzt habe ich dazu mal ein paar Fragen.
1. In einer Umlaufbahn gleichen sich Anziehungskraft und Fliehkraft aus. Daher fallen Objekte nicht herunter oder verschwinden in unendliche Weiten. Wenn jetzt die Anziehungskraft sich ändert (das soll ja gemessen werden) so würde sich doch direkt der Orbit ändern. Anstatt ideal elliptisch bekommt er jetzt ein paar Beulen. Das bedeutet das der Satellit plötzlich einen Orbit fliegt der nicht mehr zu der Fliehkraft paßt. Die Zeit bis der Satellit seinen Orbit angepaßt hat hängt dann doch nur von seiner Massenträgheit ab. Wäre da nicht ein sehr schwerer Satellit von Vorteil?

2. Wenn etwas 10^-13g messen kann, wie schützt man es davor nicht beim Start kaputt zu gehen? Selbst wenn den Sensor versucht mechanisch durch eine Transportsicherung zu schützen, so kann ich mir vorstellen das bei 10^-13g selbst das Eigengewicht im Sensor da schon eine große Rolle spielen.

3. Wenn 20mN ausreichen den Satelliten davor zu bewahren herunter zu fallen weil er durch die Luft abgebremst wird, wie groß ist dann der Einfluß der Wetterlage unter dem Satelliten? Die Lufthülle ist ja nicht überall gleich dick und es gibt z.B. bei Gewittern Phenomene die weit in den Weltraum hinein reichen können. Stört sowas nicht das Messergebnis?

4. Wie sieht es mit dem Strahlendruck der Sonne aus?

Gruß

Neil
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Andreas Müller



Anmeldungsdatum: 28.02.2005
Beiträge: 2493
Wohnort: Altendorf

BeitragVerfasst am: Mi 18 März 2009, 23:25    Titel: Antworten mit Zitat

Neil hat folgendes geschrieben:
1. In einer Umlaufbahn gleichen sich Anziehungskraft und Fliehkraft aus. Daher fallen Objekte nicht herunter oder verschwinden in unendliche Weiten. Wenn jetzt die Anziehungskraft sich ändert (das soll ja gemessen werden) so würde sich doch direkt der Orbit ändern. Anstatt ideal elliptisch bekommt er jetzt ein paar Beulen. Das bedeutet das der Satellit plötzlich einen Orbit fliegt der nicht mehr zu der Fliehkraft paßt. Die Zeit bis der Satellit seinen Orbit angepaßt hat hängt dann doch nur von seiner Massenträgheit ab. Wäre da nicht ein sehr schwerer Satellit von Vorteil?

Nein. Wegen des Äquivalenzprinzipes erfahren alle Massen genau die gleichen Beschleunigungen.

Zitat:
2. Wenn etwas 10^-13g messen kann, wie schützt man es davor nicht beim Start kaputt zu gehen? Selbst wenn den Sensor versucht mechanisch durch eine Transportsicherung zu schützen, so kann ich mir vorstellen das bei 10^-13g selbst das Eigengewicht im Sensor da schon eine große Rolle spielen.

Ich habe noch die mechanischen Plattenspieler erlebt, die hatten einen schweren Plattenteller (grosse Trägheit) federnd gelagert. Für den Transport musste der Plattenteller mit Schrauben gesichert werden. Auch heute werden zum Beispiel bei einem Drucker die beweglichen Teile während des Transportes gesichert. Genauso machen es die Satelliten, ob sie jetzt in eine niedrige Erdumlaufbahn fliegen oder zum Mars.

Zitat:
3. Wenn 20mN ausreichen den Satelliten davor zu bewahren herunter zu fallen weil er durch die Luft abgebremst wird, wie groß ist dann der Einfluß der Wetterlage unter dem Satelliten? Die Lufthülle ist ja nicht überall gleich dick und es gibt z.B. bei Gewittern Phenomene die weit in den Weltraum hinein reichen können. Stört sowas nicht das Messergebnis?

Nein. GOCE misst die zweiten Ableitungen des Gravitationspotentials, also die Ableitungen der Beschleunigung. Da die Bremsung des Satelliten dank der Stabilisierung (= Kompensation der Drehmomente) auf alle Akzelerometer gleich wirkt, ist sie in den zweiten Ableitungen nicht sichtbar.

Zitat:
4. Wie sieht es mit dem Strahlendruck der Sonne aus?

Der Strahlungsdruck ist 4.6μPa, für einen 4m langen und 1m breiten Satelliten bedeutet das eine Kraft von 20μN, also drei Grössenordnungen kleiner als der Luftwiderstand.
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Neil



Anmeldungsdatum: 08.01.2007
Beiträge: 120
Wohnort: Delft

BeitragVerfasst am: Do 19 März 2009, 9:53    Titel: Antworten mit Zitat

Zitat:
Zitat:
Neil hat folgendes geschrieben:
1. In einer Umlaufbahn gleichen sich Anziehungskraft und Fliehkraft aus. Daher fallen Objekte nicht herunter oder verschwinden in unendliche Weiten. Wenn jetzt die Anziehungskraft sich ändert (das soll ja gemessen werden) so würde sich doch direkt der Orbit ändern. Anstatt ideal elliptisch bekommt er jetzt ein paar Beulen. Das bedeutet das der Satellit plötzlich einen Orbit fliegt der nicht mehr zu der Fliehkraft paßt. Die Zeit bis der Satellit seinen Orbit angepaßt hat hängt dann doch nur von seiner Massenträgheit ab. Wäre da nicht ein sehr schwerer Satellit von Vorteil?


Nein. Wegen des Äquivalenzprinzipes erfahren alle Massen genau die gleichen Beschleunigungen.


Hi,

dann stehe ich jetzt etwas auf dem Schlauch wie das Ding dann das Schwerefeld messen soll. Wenn keine Trägheit in der Bahnänderung da ist, wie kann dann der Sensor eine Änderung messen wenn diese direkt durch eine Bahnänderung zu 0 ausgeglichen wird? Confused

Gruß

Neil
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Andreas Müller



Anmeldungsdatum: 28.02.2005
Beiträge: 2493
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BeitragVerfasst am: Do 19 März 2009, 13:05    Titel: Antworten mit Zitat

Neil hat folgendes geschrieben:
dann stehe ich jetzt etwas auf dem Schlauch wie das Ding dann das Schwerefeld messen soll. Wenn keine Trägheit in der Bahnänderung da ist, wie kann dann der Sensor eine Änderung messen wenn diese direkt durch eine Bahnänderung zu 0 ausgeglichen wird? Confused

Die Akzelerometer messen ja auch nicht das Schwerefeld, sondern die Ableitungen davon (also die Matrix der zweiten Ableitungen des Gravitationspotentials). Das Äquivlenzprinzip bezieht sich nur auf den Schwerpunkt, für den starren Körper "Satellit" ist durchaus möglich, dass einzelne Teile verschiedene Beschleunigungen messen. Daher hat man ja auch 6 3-Achs Akzelerometer an Bord.

Um das Gravitationspotential zu bekommen, muss man also zweimal integrieren. Oder ein partielles Differentialgleichungssystem lösen. Das gibt zwar etwas zu rechnen, aber für so eine moderne Rechenkrücke ist das ja bekanntlich die Lieblingsbeschäftigung.
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Neil



Anmeldungsdatum: 08.01.2007
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BeitragVerfasst am: Do 19 März 2009, 13:22    Titel: Antworten mit Zitat

Aha,

jetzt kapiere ich (denke ich zumindest erstmal).
Die These das der Körper 0g ausgesetzt ist trifft nur im Mittel zu. Wenn also eine Abweichung durchflogen wird so trifft die zuerst auf den forderen Sensor und dann erst auf den hinteren Sensor. Die Differenz beider kann gemessen werden.

Gruß

Neil
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Andreas Müller



Anmeldungsdatum: 28.02.2005
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BeitragVerfasst am: So 03 Apr 2011, 12:36    Titel: Antworten mit Zitat

Inzwischen hat GOCE nominal seine Mission erfüllt, letzte Woche wurden Bilder des aus GOCE-Daten errechneten Geoids sogar in Fernsehnachrichten von Stationen gezeigt, die sich sonst nicht durch grosse Aufmerksamkeit für wissenschaftliche Erkenntnisse hervortun. Und wer will, kann sich die Daten sogar selbst herunterladen: http://earth.esa.int/GOCE/. Ausserdem hat GOCE schon im letzten November eine Missionsverlängerung bis Ende 2012 erhalten.

Der Mars-Rover Spirit ist also nicht die einzige Mission, die von seinen Erbauern enttäuscht sein dürfte: http://www.xkcd.org/695/. Spirit ist ja inzwischen so verärgert, dass er keine Antwort mehr gibt...

_________________
ARGOS #56, TRA #10169, L3 TAP
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