Schubvektorsteuerung

Ein Feststoffmotor brennt, bis er leer ist, ganz gleich, wohin die Rakete zeigt. Das Gimbal richtet stattdessen den Schub: eine zweiachsige Aufhängung, zwei Servos, Schubstangen und ein Regler, der nur arbeitet, solange der Motor brennt.

Zweiachsiges Gimbal in der Zelle, Schnittdarstellung Schnitt durch das Heck der Zelle. Der Motor sitzt in einem zweiachsigen Gimbal; beide Servos, der Gimbal-Ring und die Schubstangen liegen im Rohr. Wird die Rakete aus der Senkrechten gedrückt, schwenkt das Nick-Servo den Motor über seine Schubstange, sodass der Schub die Rakete zurückbringt. Eine kleine Ansicht von oben zeigt, wo die beiden Servos und die beiden Drehachsen im Rohr liegen. Nick-Servo Gier-Servo von oben
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    Der Mechanismus

    Die einzige Steuermöglichkeit eines Feststoffmotors ist die Richtung seines Schubs. Der Motor sitzt in einem zweiachsigen Gimbal: zwei ineinanderliegende Ringe, die jeweils von einem Servo über eine Schubstange gedreht werden. Kippt der Motor, kippt die Schubachse, und das dreht die Rakete.

    Das Schubvektor-Gimbal: gedruckte Halterung, zwei Servos und Schubstangen
    Abb. 2.1  –  Gimbal mk10 · aufgebaute Hardware und CAD
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    Messung

    In jedem Zyklus des Brennvorgangs liest der Flugrechner Nick- und Gierwinkel aus der IMU. Die gemessene Lage wird mit dem Ziel verglichen: senkrecht nach oben, null Grad auf beiden Achsen.

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    Regelung

    Jede Achse hat ihren eigenen PID-Regler. Die Abweichung zwischen gemessenem Winkel und Ziel wird zum Servo-Befehl: ein proportionaler Anteil für die aktuelle Abweichung, ein Differenzialanteil, der darauf reagiert, wie schnell sie sich ändert, und ein Integralanteil für bleibende Abweichungen. Die Verstärkungen werden auf dem Prüfstand abgestimmt und beim Start von der SD-Karte gelesen, sodass die Rakete am Startplatz ohne Entwicklungsumgebung neu abgestimmt werden kann.

    Die Animation ist eine Schemazeichnung. Verstärkungen und Grenzen sind beispielhaft und nicht die Flugwerte.

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    Grenzen und Selbsttest

    Beide Achsen werden in der Software auf ein Stellfenster um die Mitte begrenzt, bevor etwas an die Servos geschrieben wird, sodass ein Reglerfehler das Gimbal nicht in die mechanischen Anschläge treiben kann. Beim Einschalten fährt der Regler beide Achsen durch ihren Bereich und zurück, eine sichtbare Bestätigung, dass der Stellpfad lebt, bevor der Motor scharf gemacht wird. Das Gimbal ist nur im Antriebsflug aktiv: Die Servos werden beim Abheben angesteuert und beim Brennschluss freigegeben.

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    Technische Daten

    Revision
    mk10  (mk1 → mk10)
    Rumpf
    75 mm
    Achsen
    2 – Nicken, Gieren, unabhängig
    Regelung
    PID je Achse, Sollwert 0°
    Aktiv
    nur im Antriebsflug
    Parametrierung
    beim Start von der SD-Karte geladen
    Stellbereich
    in jedem Zyklus vor der Ausgabe begrenzt
    Aktorik
    2 Servos, über Schubstangen
Die Teile des Gimbals mk1 und zwei Servos auf einer Schneidematte neben einer Zange
mk1
Das Gimbal mk2 auf einem Prüfstand neben Laptop und Monitor
mk2 auf dem Prüfstand
Das Gimbal mk6 mit zwei Servos und ihren Kabeln auf einem Holztisch
mk6
Revisionsverlauf
FahrzeugZeitraumGimbal
EA-32021Erstes Gimbal samt Lenkeinheit
EA-42022 →Gimbal mk10 mit zwei Servos und Schubstangen, der aktuelle Erprobungsträger

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