AMSAT-HB ist Kollektivmitglied der USKA

V3.6 Rotoren und Automatisierung

Niveau: K5 Analysieren

Zeitbedarf: ca. 35 Minuten

Einstiegsfrage:
Dein Rotor soll jahrelang halten. Was belastet ihn mehr: das Gewicht der Antennen oder die Zahl der Überflüge?

Hebelkräfte und Stützlager

Ein Rotor für Satellitenbetrieb dreht in zwei Achsen: Azimut und Elevation. Die Antennen sitzen meist an einem Querträger, links und rechts des Elevationsrotors.

Gewicht und Windlast der Antennen wirken über einen Hebelarm auf die Getriebe. Je länger der Hebel, desto grösser das Moment.

Ein Stützlager über dem Azimutrotor nimmt die Querkräfte auf. Das Getriebe muss dann nur noch drehen. Montiere die Antennen so, dass der Querträger im Gleichgewicht ist.

Kräfte an einem Azimut-Elevations-Rotor Ein Mast trägt unten den Azimutrotor, darüber ein Stützlager. Oben sitzt der Elevationsrotor mit einem waagrechten Querträger, an dessen Enden je eine Antenne hängt. Die Gewichtskraft einer Antenne wirkt im Abstand r von der Drehachse und erzeugt ein Moment auf das Getriebe. Windkräfte drücken seitlich auf Antennen und Mast; das Stützlager nimmt diese Querkräfte auf, damit das Rotorgetriebe nur das Drehen übernimmt. Az Azimutrotor (Getriebe) Stützlager El Elevationsrotor 2 m 70 cm Hebelarm r Gewicht F Moment am Getriebe: M = F · r Wind nimmt Querkräfte auf, entlastet das Getriebe
Hebelkräfte: Gewicht und Wind wirken über einen Hebelarm auf die Getriebe. Ein Stützlager über dem Azimutrotor nimmt die Querkräfte auf. Eigene Darstellung nach Lipp (2017), Folie 12.

Gelegenheitsbetrieb oder 24-Stunden-Monitoring

Für die Wahl des Rotors zählt auch, wie oft er läuft. Wer einzelne Überflüge arbeitet, belastet ihn wenig. Wer rund um die Uhr Satelliten verfolgt, verschleisst Motor und Getriebe schneller.

Der Öffnungswinkel der Antennen bestimmt, wie oft der Rotor bei einem Überflug anfahren und bremsen muss. Breitere Antennen schonen den Rotor, bringen aber weniger Gewinn.

Denke auch an die Kabel: Sie bewegen sich mit. Achte auf Zuggewicht, Biegeradius und eine gute Zugentlastung. An den Verbindungsstellen entstehen sonst schnell Defekte.

Formeln: Wie schnell muss der Rotor nachführen?

Bahngeschwindigkeit und Winkelgeschwindigkeit im Zenit:

v = G M R + h ω ≈ v h
  • v: Bahngeschwindigkeit in km/s (Kreisbahn)
  • GM = 398 600 km³/s²: Gravitationsparameter der Erde
  • R = 6371 km: mittlerer Erdradius
  • h: Bahnhöhe in km
  • ω: Winkelgeschwindigkeit am Himmel bei einem Überflug durch den Zenit, in rad/s (mal 57,3 ergibt °/s); Erddrehung vernachlässigt

Zeit für das Durchqueren des Öffnungswinkels:

t ≈ Θ ω
  • t: Zeit, in der der Satellit im Zenit den Öffnungswinkel durchquert, in s
  • Θ: Öffnungswinkel der Antenne in Grad, ω in °/s

Moment auf das Getriebe:

M = F · r
  • M: Drehmoment in N·m
  • F: Kraft (Gewicht oder Windlast) in N
  • r: Hebelarm in m

Rotorwahl: Gelegenheitsbetrieb oder 24-Stunden-Monitoring

Kriterium Gelegenheitsbetrieb 24-h-Monitoring
Bewegungen einzelne Überflüge jeder Überflug aller verfolgten Satelliten, Tag und Nacht
Belastung von Motor und Getriebe gering hoch, Verschleiss einplanen
Mechanik Stützlager empfohlen Stützlager und robuste Ausführung
Öffnungswinkel der Antennen breiter Winkel spart Anfahr- und Bremsvorgänge besonders wichtig: jeder Start und Halt belastet das Getriebe
Kabel am Rotor Zugentlastung, Biegeradius beachten Verbindungsstellen regelmässig auf Abnutzung prüfen
Bedienung Automatik mit Eingriff von Hand vollautomatisch, mit Überwachung

Automatisierung

Ein Tracking-Programm berechnet Azimut, Elevation und Doppler-Verschiebung. Es steuert Rotor und TRX. Die USKA Academy gibt dazu zwei Empfehlungen.

Empfehlungen zur Stationsautomatisierung

Empfehlung Was das bedeutet Hinweis
1: Automation mit manuellem Eingriff Die Software korrigiert den Doppler-Effekt fortlaufend. Du kannst am TRX jederzeit von Hand nachstimmen. Ältere Satelliten-TRX wie der FT-736 senden keinen Status an den Rechner. Die Software erfährt nichts von deiner Korrektur und überschreibt sie.
2: Ohne Automation: Kanalpaare speichern Für FM-Satelliten speicherst du die Frequenzpaare von AOS bis LOS als Kanäle, der Uplink bleibt meist fest, der Downlink wandert in Schritten. Bei Lineartranspondern nur begrenzt nutzbar: Den Downlink korrigierst du dann mit Clarifier oder RIT.

Empfehlung 1 ist der Normalfall für eine Heimstation: Die Automatik nimmt dir die Routine ab. Trotzdem behältst du die Kontrolle, denn dein QSO-Partner korrigiert den Doppler oft anders als du.

Für Empfangsstationen gibt es auch vollautomatische Lösungen. Das offene Bodenstationsnetz SatNOGS stellt zum Beispiel 3D-Druckvorlagen für Rotor und Antennen bereit.

Kontrollfrage

Eine 70-cm-Kreuzyagi hat einen Öffnungswinkel von 30°. Ein Satellit in 500 km Höhe fliegt genau durch den Zenit. Wie lange braucht er dort, um den Öffnungswinkel zu durchqueren? Wie oft muss der Rotor anfahren, wenn er jeweils nachstellt, sobald der Fehler den halben Öffnungswinkel erreicht?

Lösung anzeigen

v = √(398 600 / 6871) ≈ 7,62 km/s. ω ≈ 7,62 / 500 = 0,0152 rad/s ≈ 0,87 °/s.

t ≈ 30° / 0,87 °/s ≈ 34 s. Bei einer Nachstellschwelle von 15° (Annahme) muss der Rotor im Zenit etwa alle 17 s anfahren.

Zusätzlich springt der Azimut bei einem Zenitdurchgang um fast 180°. Die Steuerung muss diesen Sprung abfangen, zum Beispiel über eine Elevation über 90°. Eine Antenne mit breiterem Öffnungswinkel reduziert die Zahl der Anfahr- und Bremsvorgänge.

Merksatz:
Ein Stützlager entlastet das Getriebe, ein passender Öffnungswinkel spart Bewegungen. Automatisiere die Station, aber behalte immer den Eingriff von Hand.

Mini-Selbsttest