DE102004056641B4

DE102004056641B4 - Vorrichtung zur lösbaren Halterung von Bauteilen

Info

Publication number: DE102004056641B4
Application number: DE102004056641.0A
Authority: DE
Inventors: Dr. Retat Ingo; Barbara Klotz; Dr. Wendorff Jens; Oliver Höni
Original assignee: Astrium GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2004-07-01
Filing date: 2004-11-24
Publication date: 2017-02-23
Anticipated expiration: 2024-11-25
Also published as: DE102004056641A1

Abstract

Vorrichtung zur lösbaren Halterung von Bauteilen in Form struktureller Elemente für einen Raumfahrteinsatz mit wenigstens einem die Bauteile verbindenden Halteelement in Form eines Fadens (11), der mittels Wärmezufuhr zerstörbar ist, wobei die Zerstörung des Halteelementes durch ein Durchschmelzen oder Auflösen der einen solchen Faden (11) bildenden Fasern unter Wärmeeinfluss durch direkt zugeordnete Heizvorrichtungen (12, 13) durchführbar ist und das Halteelement durch Aufschmelzen oder Zersetzen des Fadenmaterials zerstörbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Faden (11) eine Schlaufe bildet und dass wenigstens zwei Heizvorrichtungen (12, 13) derart angeordnet sind, dass sie auf jeweils einen Strang der Schlaufe einwirken.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur lösbaren Halterung von Bauteilen mit wenigstens einem die Bauteile verbindenden Halteelement.
In der Raumfahrt werden häufig Vorrichtungen verwendet, mittels derer strukturelle Elemente zunächst miteinander verbunden und zu einem späteren Zeitpunkt, beispielsweise nach Erreichen einer vorgegebenen Position im All, voneinander getrennt werden können, ohne dass ein erneutes Wiederherstellen der Verbindung zu einem späteren Zeitpunkt vorgesehen ist. Typische Beispiele für derartige Anwendungsfälle sind das Entfalten von Solargeneratoren im Orbit und die Abtrennung von Raketenstufen. Für diese Aufgaben werden üblicherweise keine motorischen Antriebe genutzt, da für eine einmalige Trennung der konstruktive Aufwand, der erforderlich wäre, um eine hohe Zuverlässigkeit zu erreichen, zu groß wäre. Stattdessen werden in der Regel Haltevorrichtungen eingesetzt, die durch die Kraft explosiver Ladungen gelöst werden. Beispiele hierfür sind explosive Muttern, Bolzenschneider oder Klemmbänder. Diese Vorrichtungen weisen eine geringe Baugröße auf und lassen sich einfach in ein vorhandenes System integrieren. Zudem besitzen diese bekannten Vorrichtungen in der Regel eine zuverlässige Funktionsweise.
Bei der Zündung der explosiven Ladungen zur Trennung derartiger Vorrichtungen können aber auch Schockbelastungen auftreten, die sensible Bauteile zerstören können. Die Handhabung der explosive Teile und auch die – in einigen Fällen – bei der Auslösung entstehen Fragmente können zudem sicherheitskritisch sein. Der Gebrauch der bekannten lösbaren Haltevorrichtungen bedarf daher besonderer Vorsicht, eine Nutzung im Inneren eines bemannten Raumfahrzeuges ist aufgrund der entstehenden Gase und der möglicherweise freigesetzten Fragmente von vornherein ausgeschlossen.
Analoges gilt für eine Vorrichtung der eingangs genannten Art, die aus der DE 36 41 599 C1 bekannt geworden ist und bei der das Auslöseelement eines selbsttätig öffnenden Verschlussventils aus einem leicht entzündlichen pyrotechnischen Material gebildet wird, das durch Hitzeeinwirkung zur Selbstzündung gebracht wird. Eine ähnliche Vorrichtung ist auch in der US 6 382 232 B1 beschrieben, bei der eine thermisch aktivierbare Entspannungsvorrichtung für einen Druckbehälter aus einem entflammbaren pyrotechnischen Material besteht, das auf thermischem Wege zur Entzündung gebracht wird und das dann mit einer einstellbaren Abbrandgeschwindigkeit verbrennt. Schließlich sind aus der EP 0 121 959 A1 sowie aus der EP 0 716 982 A1 Vorrichtungen der eingangs genannten Art bekannt geworden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart auszubilden, dass sie eine zuverlässige und zugleich ungefährliche Trennung der durch die Vorrichtung zunächst miteinander verbundenen Komponenten ermöglicht.
Gelöst wird diese Aufgabe durch den geltenden Patentanspruch 1, indem die Erfindung vorsieht, dass bei einer derartigen Vorrichtung die Halterung über wenigstens ein mittels Wärmezufuhr zerstörbares Halteelement, insbesondere ein Faden, erfolgt. Die Erfindung nutzt dabei das Durchschmelzen oder Auflösen der einen solchen Faden bildenden Fasern unter Wärmeeinfluss aus, um eine vorhandene strukturelle Verbindung einmalig zu trennen. Auf diese Weise lassen sich kleine, einfache und sicher zu handhabende lösbare Haltevorrichtungen aufbauen. Das Material der für das erfindungsgemäße Halteelement verwendeten Fasern kann entweder synthetisch hergestellt oder aber natürlichen Ursprungs sein und wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung entsprechend den jeweiligen Einsatzbedingungen, insbesondere im Hinblick auf die erforderliche Reißfestigkeit und den optimalen Temperaturbereich, angepasst ausgewählt.
Vorteilhafte Ausbildungen sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden hochfeste Kunststoffasern eingesetzt, beispielsweise solche aus Hochmodul-Polyethylen, wie sie unter dem Markennamen "Spectra" bekannt sind, oder Fasern aus Polyparaphenylenterephtalamid, die unter dem Markennamen "Kevlar" kommerziell erhältlich sind und die den Bau von lösbaren Haltevorrichtungen mit geringen Abmessungen ermöglichen, die aber dennoch für hohe Belastungen geeignet sind.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Es zeigen
1 eine Haltevorrichtung gemäß dem Stand der Technik in geschlossenem Zustand,
2 die Haltevorrichtung gemäß 1 in geöffnetem Zustand,
3 ein Gehäuse mit einer ersten erfindungsgemäßen Haltevorrichtung und
4 das Gehäuse gemäß 3 in geöffnetem Zustand.
Das grundlegende Funktionsprinzip der Haltevorrichtung ist in den 1 und 2 dargestellt, während die 3 und 4 eine praktische Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigen. Gemäß 1 überträgt ein Faden 1, der mit einer Heizvorrichtung 2 versehen ist, Lasten in Form von Zugspannungen zwischen einer ersten Struktur 3 und einer zweiten Struktur 4. Nach dem Aktivieren der Heizvorrichtung 2 wird der Faden 1 durch die eingebrachte Wärmezufuhr zerstört und die beiden Bauteile 3 und 4 werden freigegeben und voneinander getrennt.
Bei der in den 3 und 4 dargestellten praktischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Haltevorrichtung in einem Gehäuse 10 angeordnet, das mittels Schrauben an einem ersten, in der Figur nicht dargestellten Bauteil befestigbar ist, in dem auch eine Stromversorgung untergebracht ist, die die für die Trennung erforderliche Wärmeenergie liefert. Ein Faden 11 aus einem hochfestem Material verbindet zwei Gleitsteine 14 und 15. Bei der Montage wird der Faden 11 durch jeweils in den Gleitsteinen 14, 15 vorgesehene Ösen gezogen und zu einer Schlaufe verknotet. Der Knoten wird in der Öse des am Gehäuse 10 verbleibenden Gleitsteins 14 verklebt. Das abzutrennende, ebenfalls in der Figur nicht dargestellte Bauteil wird über ein im zweiten Gleitstein 15 vorgesehenes Gewinde 16 angeschraubt. Die beiden Stränge des Fadens 11 sind mit zwei unabhängig voneinander arbeitenden Heizvorrichtungen 12, 13 verbunden, die an einen elektrischen Stecker 17 angeschlossen sind.
Wird an eine der Heizvorrichtungen 12, 13 eine Spannung gelegt, so schmilzt der Faden 11 durch. Für einen Faden aus dem Werkstoff "Spectra" mit einer Stärke von 0,1 Millimetern sind dabei typischerweise etwa 10 Watt über einen Zeitraum von weniger als einer Sekunde zum Durchschmelzen erforderlich. Dadurch wird der zweite Gleitstein 15 zusammen mit dem abzutrennenden Bauteil freigegeben und kann aus dem Gehäuse 10 gleiten. Der Faden 11 rutscht dabei durch die Öse und verbleibt, da mit diesem verklebt, an dem mit dem Gehäuse 10 verbundenen ersten Gleitstein 14.
Sollte die erste Heizvorrichtung 12 versagen, so kann die zweite Heizvorrichtung 13 aktiviert werden, wodurch die analogen Vorgänge ablaufen. Werden beide Heizvorrichtungen 12 und 13 gleichzeitig aktiviert, so ist eine sehr schnelle, redundante Trennung möglich, wobei allerdings möglicherweise ein kleines Stück des Fadens 11 freigesetzt werden kann.
Vorsprünge im Inneren des Gehäuses 10 verhindern, dass die Gleitsteine 14 und 15 zusammentreffen können, wenn die Vorrichtung noch nicht eingebaut ist, und dabei die Heizvorrichtungen 12, 13 zerstören. Deshalb sind keine besonderen Vorsichtsmaßnahmen bei der Lagerung und Handhabung der Vorrichtung erforderlich.
Der im Gehäuse 10 verbleibende Gleitstein 14 ist mit einer Spannschraube versehen, über die der Faden nach der Montage gespannt wird, so dass die Vorrichtung kein Spiel aufweist und bei oszillierenden Belastungen kein Spalt zwischen dem abzutrennenden Bauteil und der Vorrichtung entstehen kann.
Die maximal mit der hier beschriebenen Vorrichtung zu halternde Last bestimmt die Größe der in den Gleitsteinen 14 und 15 vorzusehenden Gewinde und damit die Größe des Vorrichtung. Bedingt durch die hohe Bruchfestigkeit der verwendeten Fasern, bei der Faser "Spectra" beträgt beispielsweise die Bruchfestigkeit σ_Bruch ~ 2700 MPa, ist der Durchmesser des Fadens 11 von untergeordneter Bedeutung für die Baugröße des Vorrichtung. Bei der Verwendung eines M4-Gewindeanschlusses bzw. eines 0,1 mm starken "Spectra"-Fadens ist eine maximale Belastung von bis zu ca. 2000 N möglich, und das Gehäuse weist dann eine Größe von ca. 60 × 30 × 40 Millimetern auf.
Wird ein Faden 11 aus dem Material "Spectra" verwendet, dann bewirken die Heizvorrichtungen 12 und 13 ein Durchschmelzen des Fadens, ohne dass sich das Fadenmaterial chemisch verändert, so dass weder Gase noch Schmutzteile frei werden. Da die Vorrichtung keine explosiven Stoffe nutzt und brennbaren Materialien nicht frei liegen, kann diese Vorrichtung somit auch in einem Bereich eingesetzt werden, der den Astronauten zugänglich ist.
Bei einem Polyparaphenylenterephtalamid-Material wie beispielsweise "Kevlar" bewirken die Heizvorrichtungen 12 und 13 kein Durchschmelzen, sondern es erfolgt eine Zersetzung des Materials. Hierzu sind höhere Temperaturen und damit eine größere Heizleistung erforderlich. Die Wirkung der Heizvorrichtungen kann dabei durch das Auftragen eines Oxidationsmittels auf den Faden 11 unterstützt werden. Eine derartige Ausführungsform verträgt im Betrieb höhere Temperaturen, weist allerdings den Nachteil auf, dass bei der Aktivierung der Heizvorrichtungen in geringem Maße Oxidationsprodukte, z.B. C0₂, freigesetzt werden können.

Claims

Vorrichtung zur lösbaren Halterung von Bauteilen in Form struktureller Elemente für einen Raumfahrteinsatz mit wenigstens einem die Bauteile verbindenden Halteelement in Form eines Fadens (11), der mittels Wärmezufuhr zerstörbar ist, wobei die Zerstörung des Halteelementes durch ein Durchschmelzen oder Auflösen der einen solchen Faden (11) bildenden Fasern unter Wärmeeinfluss durch direkt zugeordnete Heizvorrichtungen (12, 13) durchführbar ist und das Halteelement durch Aufschmelzen oder Zersetzen des Fadenmaterials zerstörbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Faden (11) eine Schlaufe bildet und dass wenigstens zwei Heizvorrichtungen (12, 13) derart angeordnet sind, dass sie auf jeweils einen Strang der Schlaufe einwirken.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Faden (11) an Gleitsteinen (14, 15) befestigt ist und dadurch ein geschlossenes System gebildet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Faden (11) aus einem Gehäuse (10) des Halteelementes herausgeführt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Faden (11) aus Fasern eines natürlich vorkommenden Werkstoffes besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Faden (11) aus Fasern eines synthetisch hergestellten Werkstoffes besteht.