DE10036840C2 - Greifvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrostatische Greifvorrichtung für Raumflugkörper.

Ein Raumflugkörper mit einer elektrostatischen Vorrichtung zum Greifen von Körpern im Weltraum ist in der DE 198 46 327 A1 beschrieben. Eine solche Vorrichtung weist generell den Vorteil auf, daß im Gegensatz zu den ansonsten für derartige Zwecke verwendeten standardisierten mechanischen Greifwerkzeuge eine flexible, universell einsetzbare Kraftübertragungseinrichtung, die auf der Wirkung elektrostatischer Felder basiert, zur Verfügung steht.

Standardisierte mechanische Greifvorrichtungen werden üblicherweise bereits bei der Entwicklung des Raumflugkörpers mit eingeplant und als Untersystem mit in das Gesamtkonzept integriert. Dies ist immer dann der Fall, wenn der Betrieb ein späteres Eingreifen, wie das Bewegen, Halten, Befestigen, Erweitern oder Modifizieren von Komponenten vorsieht. Derartige Aufgaben sind bei praktisch allen im Rahmen von bemannten Weltraummissionen ablaufenden Aktivitäten vorgesehen, während dies bei Satelliten im allgemeinen nicht der Fall ist. Wird bei letzteren ein späterer Eingriff erforderlich, so ist dies entweder nicht möglich oder nur durch den Einsatz von Astronauten realisierbar. Beispiele hierfür sind Reparaturen an Kommunikationssatelliten, die jeweils von der Besatzung einer Raumfähre durchgeführt wurden. Solche Einsätze mit dem direkten Eingriff durch den Menschen aber sind nicht nur teuer, sondern häufig auch gefährlich, da der Zustand des Zielkörpers nicht zuverlässig kontrolliert und überwacht werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine möglichst einfach aufgebaute und funktionstüchtige elektrostatische Greifvorrichtung für derartige Einsätze bereitzustellen.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art, bei der eine Vielzahl von Potentialflächen über strukturelle Verbindungen mit einem Trägerkörper verbunden sind, in dem eine Quelle zur Erzeugung eines elektrostatischen Feldes angeordnet ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet die Möglichkeit, sich auch bisher nicht zugänglichen, potentiell gefährlichen Raumflugkörpern zu nähern, sie einzufangen und einer Reparatur zugänglich zu machen, ohne daß hierzu ein direkter Eingriff durch den Menschen vor Ort erforderlich ist. Solche Einsätze werden insbesondere im Rahmen der Internationalen Raumstation ISS durchzuführen sein, bei der im Laufe des geplanten langjährigen Betriebs eine Vielzahl nicht planbarer Aktionen zu erwarten ist, bei denen Teile oder ganze Raumflugkörper ungewollt und unkontrolliert wegdriften können und wieder eingefangen werden müssen, um die Station nicht zu gefährden und um die teuren Teile bzw. Raumflugkörper für eine Weiternutzung zu retten.

Weiterhin kann die Greifvorrichtung nach der Erfindung auch zum Befestigen jeglicher Art von Komponenten, wie Werkzeugen, Lampen, Videokameras oder Materialien verwendet werden, ohne daß hierfür an der Station eigene mechanische standardisierte Vorrichtungen installiert werden müssen. Dies gilt in besonderem Maße für externe Aktivitäten und Experimente.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 einen seilgefesselten Kleinflugkörper für Überwachungs- Inspektions- und Wartungsaufgaben mit einer ersten elektrostatischen Greifvorrichtung,

Fig. 2 eine Detaildarstellung einer zweiten elektrostatischen Greifvorrichtung,

Fig. 3 eine Draufsicht auf die in Fig. 2 dargestellte Anordnung,

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Stromversorgung für die in den Fig. 2 und 3 gezeigte Anordnung und

Fig. 5 eine schematische Darstellung der Steuerungseinrichtung für die in den Fig. 2 und 3 gezeigte Anordnung.

In der in Fig. 1 gezeigten Anordnung ist ein Beispielkonzept für den Einsatz einer universellen elektrostatischen Greifvorrichtung dargestellt. Ein an einem Steuerungsmodul 1, einem sogenannten Tether, hängender und an einem Seil 4 gefesselter Satellit 2 ist als Kleinflugkörper für Überwachungs- Inspektions- und Wartungsaufgaben ausgebildet und zu diesem Zweck mit einer elektrostatischen Greifvorrichtung 3 ausgestattet. Der Satellit 2 bildet dabei das Trägerfahrzeug, das zugleich die Spannungsquelle, das Meßsystem für die elektrostatische Greifvorrichtung 3 aufnimmt. Der aktive Teil der Greifvorrichtung 3, der sogenannte Endeffektor, kann dabei sowohl, wie nachfolgend beschrieben, die Form einzelner Platten aufweisen, als auch, wie in Fig. 1 dargestellt, in Form einer Bürste ausgebildet sein.

In den Fig. 2 und 3 ist eine elektrostatische Greifvorrichtung im Detail dargestellt. Über strukturelle Verbindungen 5, die die Aufgabe haben, die auftretenden Kräfte zu übertragen, ist ein aus kleinen starren, metallbedampften Platten 6 als Potentialfläche bestehender Endeffektor mit dem Trägerfahrzeug 2 verbunden. Die strukturellen Verbindungen 5 können entweder starr oder flexibel ausgebildet sein und aus Seilen, Stäben und/oder Hebeln bestehen. In der Abbildung gemäß Fig. 2 sind diese Verbindungen 5 als Stäbe dargestellt, die über Kugellager drehbar mit den Platten 6 einerseits sowie mit dem Trägerfahrzeug 2 andererseits verbunden sind, und die so eine flexible Anpassung der Platten 6 an das Ziel zu erlauben. Durch Teleskopelemente 7 kann dabei ein unterschiedlicher Abstand zum Ziel realisiert werden.

Die als Potentialfläche dienenden Greifelemente 6 können als starre oder flexible Platten oder als Bürsten ausgebildet sein, sie können aber auch durch einzelne Stifte gebildet werden oder aber die Form eines Netzes, eines Gewebes oder einer Folie aufweisen. In jeden Fall muß ihr Material eine metallene Komponente enthalten, um die elektrischen Ladungen zu transportieren. Dieses Metall muß andererseits gegenüber dem Zielobjekt isoliert sein, um einen Abfluß der Ladungen auf dieses Objekt und damit einen Zusammenbruch der die Haltekraft liefernden Kondensatorkraft zu verhindern. Die dabei verwendete Isolationsschicht ist vorzugsweise sehr dünn und besitzt eine hohe Durchschlagfestigkeit. Auch weisen die als Potentialfläche verwendeten Materialien eine nur geringe Dichte auf, so daß das Eigengewicht der Anordnung möglichst gering ist. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Potentialflächen als sechseckige Platten 6 ausgebildet, deren elektrische Versorgung über in den strukturellen Verbindungen 5 verlaufende, in den Fig. 2 und 3 nicht dargestellte Leitungen erfolgt.

Eine elektrische Spannungsquelle hat die Aufgabe, ein definiertes elektrostatisches Feld aufzubauen und aufrecht zu halten. Dies kann im einfachsten Fall, wie in Fig. 4 angedeutet, durch eine Primärzelle oder Batterie 8 realisiert werden. Dabei wird an den Endflächen 6 der Greifvorrichtung 3 der eine Pol des Feldes, im Trägerfahrzeug 2 der andere Pol erzeugt. Die Batterie 8 ist über einen Schalter 9 mit diesen beiden Kondensatorflächen verbunden; in den strukturellen Verbindungen 5 verlaufende Zuleitungen 10 stellen die Verbindung mit den als Potentialfläche dienenden Platten 6 her.

Elektrische Meßaufnehmer und Sensoren 11 und 12 haben die Funktion, das elektrische Feld zwischen den beiden zunächst getrennten Körpern, d. h. der Greifvorrichtung einerseits und dem zu greifenden Objekt andererseits, zu messen und Daten für die Regelung bzw. Steuerung der Greifvorrichtung bereitzustellen. In Fig. 5 sind zu diesem Zweck ein Voltmeter 11 zur Messung der angelegten Spannung und ein Sensor 12 zur Druckmessung mittels Dehnungsmeßstreifentechnik vorgesehen, die zusammen die Daten für die Berechnung der Stärke des elektrostatischen Feldes generieren. Über zusätzliche Meßaufnehmer 13 an den strukturellen Verbindungen 5 bzw. an den Stellgliedern dieser Verbindungen kann deren Zustand festgestellt und verfolgt und damit die Funktion der Gesamtvorrichtung überprüft werden.

Die Greifwirkung der Vorrichtung basiert auf dem Kondensatoreffekt, bei dem ein elektrostatisches Feld erzeugt wird, das eine Haltekraft ausübt. Diese Feldkraft ist um so höher, je größer die Fläche, je höher die angelegte Spannung und je geringer der Abstand zum Objekt ist. Eine einmal angelegte Spannung bleibt erhalten und benötigt zur Aufrechterhaltung keine weitere Energiezufuhr. Für die Greifvorrichtung bedeutet dies, daß die Kraftschlüssigkeit zuverlässig ohne zusätzliche Stromzufuhr bestehen bleibt.

Die durch das zwischen den Potentialflächen bzw. den Bürstenhaaren oder -stiften und dem Zielobjekt anliegende elektrostatische Feld aufgebrachten Haltekräfte werden über die Satellitenstruktur an den Tether 1 weitergeleitet. Dieser wird dann eingefahren, so daß das Zielobjekt auf diese Weise zum Missionsziel, beispielsweise zur Internationalen Raumstation ISS, transportiert werden kann, um dort gewartet bzw. weiter genutzt zu werden.

Das Trägerfahrzeug, in das eine solche Greifvorrichtung integriert ist, kann je nach Verwendungszweck unterschiedlich konzipiert sein. Die Greifvorrichtung kann dabei in einen frei fliegenden Servicesatelliten integriert sein, sie kann, wie in den Figuren dargestellt, als Box am Ende eines Tethers angeordnet sein oder aber als kleiner Kondensator in oder an einer Experimentierbox oder an einem Werkzeug angebracht sein.

Claims (10)

1. Elektrostatische Greifvorrichtung für Raumflugkörper, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Potentialflächen (6) über strukturelle Verbindungen (5) mit einem Trägerkörper (2) verbunden sind, in dem eine Quelle (8) zur Erzeugung eines elektrostatischen Feldes angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentialflächen als Bürsten (3) ausgebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentialflächen als Platten (6) ausgebildet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (6) steif ausgebildet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (6) flexibel ausgebildet sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (6) gelenkig gelagert sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungselemente (5) als Stäbe ausgebildet sind, die über Kugellager drehbar mit den Platten (6) einerseits sowie mit dem Trägerkörper (2) andererseits verbunden sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungselemente (5) mit Teleskopelementen (7) ausgestattet sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Versorgung der Potentialflächen (6) über in den strukturellen Verbindungen (5) verlaufende Leitungen (10) erfolgt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß elektrische Meßaufnehmer und Sensoren (11-13) für die Regelung und Steuerung vorgesehen sind.