DE102006009001B3

DE102006009001B3 - Raumtransporter mit einer Vorrichtung zum Andocken an einen Satelliten

Info

Publication number: DE102006009001B3
Application number: DE200610009001
Authority: DE
Inventors: Andreas Baumann; Bertram Willberg
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2006-02-23
Filing date: 2006-02-23
Publication date: 2007-07-19
Anticipated expiration: 2026-02-24

Abstract

Bei einem Raumtransporter mit einer Vorrichtung zum Andocken an einen Satelliten, insbesondere Kommunikations- oder Navigationssatelliten sind an einem zu einer Zugstange (2) konzentrischen Halteteil (3) der Andock-Vorrichtung mindestens zwei Spreizelemente in Form von Hebelspreizern (4) schwenkbar angeordnet. Die Hebelspreizer (4) weisen an ihren - bezogen auf den Raumtransporter - proximalen Enden nach innen zur Zugstange (2) vorstehende Nasen (41) auf, welche beim Zurückziehen der mittels des Konus (21) der Zugstange (2) bis zu einem definierten Öffnungswinkel aufgespreizten Hebelspreizer (3) in einen in der Zugstange (2) ausgebildeten Einstich (22) einrasten. DOLLAR A Bei einem weiteren Zurückziehen der Zugstange (2) wird eine Druckfeder (5) zusammengedrückt. Gleichzeitig werden die in dem Einstich (22) eingerasteten Hebelspreizer (4) so weit zurückgezogen, dass die definiert aufgespreizten Enden (42) der Hebelspreizer (4) formschlüssig an der Innenwandung des Düsenhalses (10) anliegen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Raumtransporter mit einer Andock-Vorrichtung zum Andocken an einen Satelliten, insbesondere Kommunikations- oder Navigationssatelliten gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.
Im geostationären Orbit in etwa 36000km Höhe befinden sich derzeit eine große Anzahl von Kommunikationssatelliten, deren Treibstoffvorräte für das Lageregelungssystem im allgemeinen nach zwölf bis fünfzehn Jahren Betrieb verbraucht sind. Bevor solche Satelliten gänzlich abgeschaltet werden, werden sie im allgemeinen auf einen höheren Orbit, den so genannten "Friedhofs-Orbit" befördert. Meistens funktionieren jedoch noch alle anderen Systeme, so dass einem weiteren Betrieb dieser Systeme nichts im Wege stehen würde.
Bei der inzwischen einsatzfähigen Ariane-5-Trägerrakete ist die Hauptnutzlast, meist in Form von einem oder zwei Satelliten auf einem konischen Adapter montiert, durch welchen eine Verbindung zwischen der Raketen-Oberstufe und dem/den Satelliten hergestellt ist. Der Raum im Inneren des Adapters ist bis jetzt ungenutzt. Inzwischen ist jedoch ein den Abmessungen des Adapters entsprechender Satellit entwickelt worden, der beispielsweise als "Raumtransporter" genutzt werden kann.
Der "Raumtransporter" dient bei einem Start der Ariane-5-Trägerrakte als Adapter, auf den die Hauptnutzlast montiert ist. Nach Aussetzen der Hauptnutzlast im Weltraum erfolgt schließlich die Abtrennung des Adapters von der Raketenoberstufe und er fungiert als eigenständiger als Raumtrans porter einsetzbarer Satellit. Ein derartiger Raumtransporter könnte beispielsweise an einen Kommunikationssatelliten angedockt werden, dessen Treibstoffvorräte zur Steuerung beispielsweise des Lageregelungssystems weitestgehend verbraucht sind.
Eine erste Ausführungsform einer Andock-Vorrichtung (Capture Tool) ist von dem Anmelder Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) bereits 1996 entwickelt worden dieser Andock-Mechanismus ist seinerzeit im Labor-Testbetrieb eingesetzt worden.

Die Andock-Vorrichtung kann in die Düse eines in jedem Kommunikationssatelliten vorgesehenen Apogäum-Triebwerks eingeführt und an dem die engste Stelle der Düse darstellenden Düsenhals fixiert werden (siehe E. Settelmeyer et. al. Dornier Satellitensysteme GmbH und K. Landzettel, DLR "The experimental Servicing Satellite-ESS" (insbesondere 7), ISTS-Conferenc 1998, Omiya, Japan).

Diese Andock-Vorrichtung weist eine von einem Motor über ein zwischengeschaltetes Getriebe angetriebene Zugstange mit einen konusförmigen Körper auf. Um die Zugstange ist konzentrisch ein Spreizmechanismus mit einer Anzahl sehr dünner stabförmiger Spreizelemente aus Federstahl vorgesehen.

Beim Einführen der Andock-Vorrichtung durch den Düsenhals der Düse des Apogäum-Triebwerks liegen die Spreizelemente aus Federstahl am Konus der Zugstange an. Durch Zurückzie hen der Zugstange werden die Spreizelemente bis zu einem genau definierten Öffnungswinkel aufgespreizt und anschließend so weit zurückgezogen, bis die aufgespreizten sehr dünnen Spreizelemente satt an der Innenwandung des Düsenhalses anliegen.

Die Spreizelemente aus Federstahl, die einen Durchmesser in der Größenordnung von 2mm haben, sind somit ausgesprochen dünn und mit einer Oxydschicht überzogen. Da die dünnen Spreizelemente satt an dem Düsenhals anliegen, wird deren Oxydschicht, insbesondere vor allem durch unvermeidbare Vibrationen des Satelliten, an welchem der Raumtransporter angedockt hat, so stark beschädigt, dass bei einem längeren satten Anliegen auf Grund der hohen Flächenpressung die dünnen Spreizelemente aus Federstahl mit dem Düsenhals kalt verschweißt werden und somit die Andock-Vorrichtung unlösbar mit dem Kommunikationssatelliten verbunden ist.

In DE 198 48 427 A1 ist ein Raumtransporter mit einer Andock-Vorrichtung zum Andocken an einen Satelliten beschrieben, wobei die Andock-Vorrichtung eine verschiebbare Zugstange mit einem an ihrem distalen Ende vorgesehenen Konus und einem von dem Raumtransporter aus betätigbaren Spreizmechanismus mit Spreizelementen aufweist. Hierbei sind an einem zur Zugstange konzentrischen Halteteil der Andock-Vorrichtung mindestens zwei Spreizelemente schwenkbar angeordnet. Die Krümmung der Außenflächen jedes der Spreizelemente entspricht im Bereich ihrer nach außen weisenden distalen Enden der Krümmung des Düsenhalses der Düse des Satelliten-Triebwerks. Aus US 6 299 107 B1 ist bekannt, dass Spreizelemente als Hebelspreizer ausgebildet sein können.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Spreizelemente einer Andock-Vorrichtung so auszubilden, dass die Flächenpressung zwischen den Spreizelementen und dem Düsenhals so klein wie möglich ist und ein Kaltverschweißen zwischen Spreizelementen und der Innenseite des Düsenhalses mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen werden kann.

Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe bei einem Raumtransporter mit einer Andock-Vorrichtung zum Andocken an einen Satelliten, insbesondere Kommunikations- oder Navigationssatelliten nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs durch die Merkmale in dessen kennzeichnenden Teil gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Andock-Vorrichtung weisen die Spreizelemente in Form von Hebelspreizern an ihren – bezogen auf den Raumtransporter – proximalen Enden nach innen zur Zugstange vorstehende Nasen auf. Im mittleren Bereich der Zugstange ist ein Einstich ausgebildet, in welchem beim Zurückziehen der mittels des Konus der Zugstange bis zu einem definierten Öffnungswinkel aufgespreizten Hebelspreizer deren nach innen vorstehende Nasen einrasten.

Somit ist durch Vorsehen der schwenkbaren Hebelspreizer nicht nur eine formschlüssige Verbindung zwischen den Hebelspreizern und dem Düsenhals geschaffen, sondern auch die Flächenpressung zwischen den Hebelspreizern und der Düsenhals-Innenwandung gegenüber der bekannten Andock-Vorrich tung in einem solchen Maße reduziert, dass mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit davon auszugehen ist, dass ein Kaltverschweißen zwischen den Helbelspreizern und dem Düsenhals nicht zu befürchten ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Andock-Vorrichtung mit anliegenden Hebelspreizern;
2 eine schematische Darstellung mit bis zu einem definierten Öffnungswinkel aufgespreizten Hebelspreizern;
3 eine der 1 entsprechende Darstellung der Andock-Vorrichtung nach dem Einführen durch einen Düsenhals;
4 eine der 2 entsprechende Darstellung der Andockvorrichtung mit bis zum vorgegebenen Öffnungswinkel aufgespreizten Hebelspreizern, und
5 eine schematische Darstellung mit am Düsenhals formschlüssig anliegenden Hebelspreizern.
In 1 sind in einer schematischen unmaßstäblichen Schnittansicht die wesentlichen Teile einer Andock-Vorrichtung wiedergegeben, nämlich eine durchgehende Zugstange 2 an deren in 1 oberen Ende ein Konus 21 vorgesehen ist und in welcher im mittleren unteren Bereich ein Einstich 22 ausgebildet ist; ein zu der Zugstange 2 konzentrisches Halteteil 3, unter dem eine zylinderförmige Druckfeder 5 angeordnet ist und in dem als Drehachsen dienende Haltestifte 31 eingesetzt sind, um welche mindestens zwei, vorzugsweise vier oder mehr gleichmäßig verteilte He belspreizer 4 schwenkbar gehaltert sind; an den in 1 unteren Enden der Hebelspreizer 4 sind nach innen zur Zugstange 2 vorstehende Nasen 41 ausgebildet.
Die Außenflächen der Hebelspreizer 4 weisen an den nach außen weisenden Enden 42 jeweils eine Krümmung auf, welche der Krümmung des Düsenhalses 10 (3 bis 5) eines Satelliten-Triebwerks, üblicherweise eines Apogäumtriebwerks entspricht. Ferner sind die schwenkbaren Hebelspreizer 4 im Bereich (in 1) oberhalb der Haltestifte 31 und den Enden 42 so ausgebildet, dass sie, wie in 1 wiedergegeben, etwa parallel zu der Zugstange 2 verlaufen.
Der Unterschied zwischen den schematischen Darstellungen der 1 und 2 besteht darin, dass im Unterschied zu 1 in 2 die Hebelspreizer 4 durch ein Zurückziehen des an der Zugstange 2 vorgesehenen Konus 21 bis zu einem definierten Öffnungswinkel aufgespreizt sind. Hierbei ist die Zugstange 2 soweit zurückgezogen, dass die an den unteren Enden der Hebelspreizer 4 ausgebildeten Nasen 21 hinter dem in der Zugstange 2 ausgebildeten Einstich 22 eingerastet sind.
In 3 ist die anhand von 1 beschriebene Andock-Vorrichtung in eine Düse 1 eines nicht näher dargestellten Apogäum-Triebwerks so weit eingeführt, dass sich der am in 3 oberen Ende der Zugstange 2 vorgesehene Konus 21 oberhalb des die engste Stelle der Düse 1 darstellenden Düsenhalses 10 befindet. In der sich im unteren Teil der 3 erweiternden Expansionsdüse ist eine Art an die Ex pansionsdüse angepasster Adapter 6 vorgesehen, an dessen in 3 oberen Querteil 61 das Halteteil 3 der Andock-Vorrichtung anliegt.
Der Unterschied zwischen den schematischen Darstellungen von 3 und 4 besteht darin, dass in 4 die Zugstange soweit in Richtung des nicht dargestellten Raumtransporters zurückgezogen ist, dass, bezogen auf 4, die am unteren Ende der Hebelspreizer 4 ausgebildeten Nasen 41 in den Einstich 22 der Zugstange 2 eingerastet sind. Durch das Einrasten sind die Hebelspreizer soweit gespreizt, dass zwischen ihnen der vorgegebene definierte Öffnungswinkel erreicht ist.
Wie der schematischen Darstellung in 5 zu entnehmen ist, wird bei einem weiteren Zurückziehen der Zugstange, beispielsweise mittels eines Motors und eines dem Motor nachgeordneten Getriebes, wie beispielsweise bei der eingangs beschriebenen bekannten Ausführungsform, die Druckfeder 5 zusammengedrückt; gleichzeitig werden die in dem Einstich 22 eingerasteten Hebelspreizer 4 soweit zurückgezogen, dass die definiert aufgespreizten Enden 42 der Hebelspreizer 4 formschlüssig an der Innenwandung des Düsenhalses 10 anliegen. Durch die unter dem Halteteil 3 angeordnete schraubenförmige Druckfeder 5 werden die Hebelspreizer 4 sicherer und schneller aufgespreizt.
Da, wie vorstehend ausgeführt, die Außenflächen der Hebelspreizer 4 an deren oberen Enden 42 eine Krümmung aufweisen, welche der Krümmung des Düsenhalses 10 entspreched angepasst ist, ist die Flächenpressung zwischen den Enden 42 der Hebelspreizer 4 und dem Düsenhals 10 sehr viel geringer als bei den bekannten Ausführungsformen.
Aufgrund der, wie vorstehend ausgeführt, wesentlich geringeren Flächenpressung zwischen den Hebelspreizern 4 und dem Düsenhals 10 ist die Wahrscheinlichkeit sehr groß, dass es zu keinem Kaltverschweißen zwischen den oberen Enden 42 der Hebelspreizer 4 und der Innenwandung im Bereich des Düsenhalses 10 kommt.

1: Düse eines Apogäum-Triebwerks
10: Engstelle von 1
2: Zugstange
21: Konus an 2
22: Einstich in 2
3: Halteteil
31: Haltestifte
4: Hebelspreizer
41: Nase an 4
42: Enden von 4
5: Druckfeder
6: Adapter
61: Querteil von 6

Claims

Raumtransporter mit einer Andock-Vorrichtung zum Andocken an einen Satelliten, insbesondere Kommunikations- oder Navigationssatelliten, welche Vorrichtung eine verschiebbare Zugstange (2) mit einem an deren – bezogen auf den Raumtransporter – distalen Ende vorgesehenen Konus (21) und einen von dem Raumtransporter aus betätigbaren Spreizmechanismus mit Spreizelementen aufweist, wobei an einem zur Zugstange (2) konzentrischen Halteteil (3) der Andock-Vorrichtung mindestens zwei Spreizelemente schwenkbar angeordnet sind, und die Krümmung der Außenflächen jedes der Spreizelemente im Bereich ihrer nach außen weisenden distalen Enden der Krümmung des Düsenhalses (10) der Düse (1) des Satelliten-Triebwerks entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass die Spreizelemente in Form von Hebelspreizern (4) an ihren – bezogen auf den Raumtransporter – proximalen Enden nach innen zur Zugstange (2) vorstehende Nasen (41) aufweisen, und dass im mittleren Bereich der Zugstange (2) ein Einstich (22) ausgebildet ist, in welchen beim Zurückziehen der mittels des Konus (21) der Zugstange (2) bis zu einem definierten Öffnungswinkel aufgespreizten Hebelspreizer (3) deren nach innen vorstehende Nasen (41) einrasten.