Reaktionsräder

Ein Reaktionsrad ist ein in der Satellitentechnik verwendeter Aktuator zur Lageregelung. 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 System 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 die ganze Zeit auf einer hohen Drehzahl und erzeugt dadurch einen stabilisierenden Drall, d.h. es wird die Reaktion auf Störmomente quer zur Drehachse des Drallrades minimiert. Deshalb gibt es typischer Weise nur ein Drallrad (ggf. zwei redundante) pro Satellit. Drallräder werden zum Beispiel bei klassischen drallstabilisierten GEO-Satelliten eingesetzt.
• Ein Reaktionsrad dreht im Idealfall mit Null Drehzahl und nur zur Lageänderung des Satelliten oder zum Ausgleich von äußeren Störmomenten wird die Drehzahl des Rades geändert. Wenn die Maximaldrehzahl erreicht ist müssen die Reaktionsräder drallentsättigt (gestoppt) werden. Magnetspulen oder Lageregelungsdüsen bringen hierfür ein äußeres Moment auf, welches dem der herunterfahrenden Reaktionsrädern entgegengesetzt wirkt. So wird sichergestellt, dass der Satellit trotz der Drehzahländerung seine definierte Orientierung im Raum beibehält und nicht in eine unerwünschte Taumelbewegung übergeht.

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.

In Deutschland gibt es derzeit vier Hauptanbieter für Reaktionsräder (alphabetisch):

• Astro- und Feinwerktechnik Adlershof
• Institut für Luft- und Raumfahrt der TU Berlin
• Rockwell Collins Deutschland in Heidelberg (früher Teldix GmbH)
• Vectronic Aerospace Berlin