Gyroskope in Raketen

Werden Faseroptische Kreisel eingesetzt?


Seminararbeit, 2010

25 Seiten, Note: 2.0


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

1 Einführung und Zielsetzung

2 Bauarten und Funktionsweisen unterschiedlicher Gyroskope
2.1 Das mechanische Gyroskop
2.2 Der Laserkreisel
2.3 Der Faserkreisel
2.4 Der Sagnac Effekt und das Sagnac-Interferometer
2.5 Technischer Vergleich der einzelnen Systeme

3 Einsatzgebiete der Gyroskope

4 Faserkreisel in Raketen
4.1 Einsatz in der zivilen Raumfahrt
4.2 Die militärische Nutzung

5 Fazit und Ausblick

6 Eidesstattliche Erklärung

Literaturverzeichnis und Quellen

Anhang

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Einachsig gefesselter Kreisel

Abbildung 2: Dynamisch abgestimmter Kreisel

Abbildung 3: Typische Mechanische Gyros

Abbildung 4: Mechanischer Gyro im Modellbau

Abbildung 5: Schematische Darstellung eines Laserkreisels

Abbildung 6: Schema eines Faserkreisels

Abbildung 7: Versuchsaufbau von Georges Sagnac

Abbildung 8: Vereinfachte Darstellung des Sagnac-Effektes

Abbildung 9: Fehlerbereiche von Gyros und MEMS

Abbildung 10: Vergleich unterschiedlicher Systeme

Abbildung 11: Der DSP-3000 der Firma KVH

Abbildung 12: Explosionszeichnung der Ariane 5

Abbildung 13: Das Schnellboot S75 ZOBEL beim Verschuss eines RAM Flugkörpers (RIM-116-Rolling Airframe Missle)

Abbildung 14: Das Inertialsystem iIMU-FI-M2 der Firma iMAR

Abbildung 15: FOG IMU der Firma Northrop Grumman LITEF

Abbildung 16: Der µFORS - einachsiger FOG

1 Einführung und Zielsetzung

Ein Kreiselinstrument oder Gyroskop (von gyros für ‚Drehung‘ und skopein für ‚sehen‘) ist ein sich schnell drehender symmetrischer Kreisel, der an einem oder an mehreren Punkten kardanisch aufgehängt ist.[1]

So lautet zumindest die Erklärung von Wikipedia. In der Tat ist dies eine treffliche Erklärung dessen, was einen Teil dieser Seminararbeit darstellt. Ziel ist aber nicht nur die Erläuterung der sogenannten "mechanischen Kreisel", sondern vor allem die Betrachtung der optischen Gyroskope und insbesondere Erkenntnisse der Einsatzgebiete von Faserkreiseln in Raketen. Doch beginnen wir ganz am Anfang mit den Grundlagen:

Ein Gyroskop dient zur Erfassung von Drehbewegungen und/oder räumlichen Orientierungen. Seine Geschichte begann um 1900. Die erste wichtige Anwendung ist der von Anschütz entwickelte Kurskreisel (Kreiselkompass), der zum unentbehrlichen Hilfsmittel für die Navigation von Seeschiffen wurde. In den zwanziger Jahren wurden Kreisel in der Luftfahrt, zum Beispiel für Nachtflüge, als Lagesensor (künstlicher Horizont) und Wendekreisel (Gierraten-Anzeiger) erfolgreich eingesetzt.

Der Einsatz von Drehratengebern in der Inertialnavigation begann in den fünfziger Jahren. In den sechziger und siebziger Jahren erfolgte dann eine Verfeinerung der Kreiselgeräte insbesondere in Hinblick auf erhöhte Genauigkeiten, wobei mit den optischen Kreiseln auch nichtmechanische Systeme zum Einsatz kamen. Ab den achtziger Jahren gab es - aufbauend auf neuen Messprinzipien bei in Massen hergestellten Billigkreiseln - Neuentwicklungen, die in Geräten des täglichen Bedarfs eingesetzt wurden. Dies waren zum Beispiel das Antiblockiersystem in der KFZ-Technik oder der „Verwackelschutz“ in Videokameras.[2]

Im nächsten Kapitel werden der mechanische Kreisel und seine Funktionsweise genauer beschrieben.

2 Bauarten und Funktionsweisen unterschiedlicher Gyroskope

2.1 Das mechanische Gyroskop

Abbildung 1 zeigt einen "einachsig gefesselten Kreisel". Seine Funktion stellt das Grundprinzip aller mechanischen Kreisel dar. Sie lässt sich mit der „U-V-W-Regel“ beschreiben: Wird ein Drehmoment auf die Eingangsachse i ausgeübt (Ursache), versucht der um die Drehachse S (Vermittler) rotierende Kreisel diesem Moment auszuweichen. Das kann er aufgrund seiner Fesselung nur durch eine Präzession um die Ausgangsachse o (Wirkung).[3]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Das Moment in der Ausgangsachse ist, konstante Rotordrehzahl vorausgesetzt, bei

kleinen Auslenkungen von der Ruhelage direkt proportional zur Eingangsdrehgeschwindigkeit. Ein Gegenmoment wird durch eine Hebel-

Feder-Anordnung oder, wie in Abbildung 1, durch einen Torque-Motor mit Regelschleife aufgebracht.[4]

Dieses System hat aber konstruktionsbedingt eine beachtliche Schwäche:

Die Lagerung der Ausgangsachse o muss einerseits alle auftretenden Momente und Gewichtskräfte auffangen, also entsprechend stabil sein, andererseits ist o die sensitive Achse, und die Lager müssen möglichst reibungsfrei sein, um Messfehler zu minimieren. Diese widersprüchlichen Forderungen führen zu einem immensen Aufwand bei der Ausführung der Mechanik.[5]

Um diese Schwäche zu umgehen, wurde der "dynamisch abgestimmte Kreisel" entwickelt. Er umgeht auf elegante Weise die Schwächen des einachsigen Kreisels. Weiterhin ermöglicht er eine Messung in zwei Achsen mit nur einem System.

Abbildung 2: Dynamisch abgestimmter Kreisel

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Ein ringförmiger Rotor ist zweiachsig kardanisch aufgehängt, wobei die Kardangelenke durch Blattfedern gebildet werden. Der Ring ist damit frei beweglich und vom Antrieb entkoppelt, solange die Auslenkungen um die zentrale Antriebsachse klein bleiben. Im Betrieb wirken auf den Ring die Trägheitsmomente

durch die Rotation. Dem entgegen stehen die Federmomente der Gelenke. Da die Trägheitsmomente vom Quadrat der Drehzahl n abhängen, die Federmomente aber konstant sind, ergibt sich bei einer charakteristischen Resonanz-Drehzahl N ein

Gleichgewichtszustand, in dem sich alle auf den Rotor wirkenden Momente aufheben. Der Rotor „schwimmt“ frei im Raum und widersetzt sich jeder aufgezwungen Drehbewegung senkrecht zur Rotorachse. Durch Torquer wird die relative Lage des Rotors zum Kreiselgehäuse nachgeführt, das dazu notwendige Moment, messbar über den Torque-Strom, ist ein direktes Maß für die Rate

der Gehäusedrehung.[6]

Dank intensiver Forschung in den siebziger Jahren sind mechanische Gyros sehr präzise geworden:[7]

- Messbereich: bis 6 Dekaden
- Signalbandbreite: bis 100 Hz
- Genauigkeit: bis unter 1°/h

Die Nachteile mechanischer Gyros sind:[8]

- teilweise hohes Gewicht und Größe
- durch Verschleißteile regelmäßige Wartungen nötig
- anfällig gegen starke Stöße.

Abbildung 3 zeigt mechanische Gyros wie sie in Flugzeugen oder auf Schiffen verwendet werden. Abbildung 4 zeigt einen sehr kleinen Gyro der Marke Graupner, wie er im Modellbau zum Beispiel in Hubschraubern zum Einsatz kommt. Er hat die Größe einer Streichholzschachtel. Die Miniaturisierung geht auf Kosten der Präzision, die in diesem Bereich aber dennoch ausreichend ist.

In nachfolgenden Kapiteln werden weitere Einsatzgebiete von Gyros erläutert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.2 Der Laserkreisel

Der Laserkreisel, im englischen Ring Laser Gyro (RLG) genannt, ist einer der ersten Schritte hin zum verschleißfreien Messen von Bewegungen. Er misst, wie der mechanische Kreisel auch, absolute Bewegungen im Raum.

Der Laserkreisel nutzt, wie der Name schon sagt einen Laserstrahl, der in zwei gegenläufige Richtungen über drei oder mehr Spiegel eine geschlossene Bahn durchläuft, die mit Helium- und Neongas gefüllt ist. Im Detektor werden die beiden Strahlen kombiniert und das resultierende Interferenzmuster wird analysiert. Wird der Kreisel bewegt, ändert sich das Interferenzmuster aufgrund der Phasenverschiebung.[9]

Das Prinzip dieses Kreisels beruht auf dem Sagnac-Effekt, der in einem späteren Kapitel beschrieben wird. In Abbildung 5 ist eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Laserkreisels zu sehen.

Ein großes Problem des Laserkreisels ist, dass er nicht beliebig verkleinert werden kann, ohne an Präzision zu verlieren. Weiterhin besitzt er den sogenannten "lock-in" Effekt. Dieser bewirkt, dass der Kreisel erst ab einer bestimmten Drehgeschwindigkeit brauchbare Daten liefert. Aus diesem Grund wird er meist mittels eines Motors in ständiger Drehung gehalten, um den lock-in-Effekt zu umgehen.[10]

Hier entsteht nun ein ähnliches Problem wie beim mechanischen Gyro: Verschleißteile werden verwendet, die auch gewartet werden müssen. Dank der großen Genauigkeit der Laserkreisel, wird oder wurde dies aber lange Zeit in Kauf genommen.

Doch mit der Entwicklung hochwertiger Glasfasern bekam der Laserkreisel einen mehr als würdigen Konkurrenten.

[...]


[1] Vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Gyroskop, eingesehen am 26.12.2009 um 11.29 Uhr

[2] Vgl. Deppner, Heinz Georg: Drehratenmessgeber, Bremen 1990, S. 10

[3] Vgl. Deppner, H. G., a.a.O., S. 10

[4] Vgl. Deppner, H. G., a.a.O., S. 10

[5] Vgl. ebenda, S. 11

[6] Vgl. Deppner, H. G., a.a.O., S. 12

[7] Quelle: ebenda, S. 12

[8] Quelle: KVH Industries, Inc.: An update on KVH Fiber Optic Gyros and their benefits relative to other Gyro technologies, Middletown 2007, S. 2-3

[9] Vgl. KVH Industries, Inc., a.a.O., S. 4

[10] Vgl. ebenda, S. 4

Ende der Leseprobe aus 25 Seiten

Details

Titel
Gyroskope in Raketen
Untertitel
Werden Faseroptische Kreisel eingesetzt?
Hochschule
Hochschule Heilbronn, ehem. Fachhochschule Heilbronn
Note
2.0
Autor
Jahr
2010
Seiten
25
Katalognummer
V161974
ISBN (eBook)
9783640755783
ISBN (Buch)
9783640755905
Dateigröße
1782 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
FOG, Gyroskop, Militär, Raumfahrt, Kreisel
Arbeit zitieren
Heiko Henn (Autor), 2010, Gyroskope in Raketen, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/161974

Kommentare

  • Noch keine Kommentare.
Im eBook lesen
Titel: Gyroskope in Raketen



Ihre Arbeit hochladen

Ihre Hausarbeit / Abschlussarbeit:

- Publikation als eBook und Buch
- Hohes Honorar auf die Verkäufe
- Für Sie komplett kostenlos – mit ISBN
- Es dauert nur 5 Minuten
- Jede Arbeit findet Leser

Kostenlos Autor werden