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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Entfalten einer Membran
im Weltraum mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen
Patentanspruchs 1 sowie auf eine Vorrichtung zum Entfalten einer
Membran im Weltraum mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen
Patentanspruchs 9.
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Unter
einer Membran sind hier insbesondere folgende Strukturen zu verstehen;
dennoch ist der Begriff der Membran nicht auf diese zweidimensionalen
Strukturen beschränkt sondern umfasst auch andere im Wesentlichen
zweidimensionale Strukturen von insbesondere großflächiger
Ausdehnung:
- – Membranantennen, z.
B. in C-Band, L-Band, P-Band für Fernerkundungsmissionen
(GMES);
- – Sonnensegel für treibstofflose Antriebe;
- – Ausleger mit flexiblen Solarzellen;
- – Reflektoren;
- – Luftbremsen für passives Deorbiting zur
Vermeidung von "Weltraummüll;
- – Sonnenschilde für Kühlungszwecke;
- – Solaröfen zu Erwärmungszwecken.
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STAND DER TECHNIK
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Große,
extrem leichte, entfaltbare Membranen spielen für eine
Reihe gegenwärtiger und zukünftiger Raumfahrtanwendungen
eine wichtige Rolle, z. B. als Reflektoren, Sonnensegel, Solarzellenausleger
und Membranantennen. Innovative Konzepte für derartige
Anwendungen ba sieren häufig auf sehr dünnen Membranen,
die über entfaltbare Rahmen oder Stützen im Weltraum
aufgespannt werden müssen. Dabei ist für die verlässliche
Funktion, z. B. von Membranantennen, die exakte und faltenfreie
Ausrichtung der jeweiligen Membran sehr wichtig. Aus diesem Grund
müssen Entfaltungs- und Aufspannverfahren und -vorrichtungen
bereitgestellt werden, die sowohl das sichere Entfalten der Membran
gewährleisten, als auch im Betrieb eine exakte und faltenfreie
Positionierung erlauben. Die Größe zukünftiger
Membransysteme wird von einigen 10 bis zu mehreren 100 m eingeschätzt,
was einer Membranfläche von einigen 100 bis zu mehreren
10.000 qm entspricht.
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Ein
Verfahren und eine Vorrichtung zum Entfalten von Membranen im Weltraum
sind aus der
DE 101
09 529 B4 bekannt. Hier werden von einem zentralen Punkt
aus mehrere zunächst flach zusammengedrückte und
aufgewickelte hohle Masten in verschiedene Raumrichtungen vorgeschoben,
wobei sich diese Masten aufgrund elastischer Rückstellkräfte
im Querschnitt entfalten und dadurch Stabilität erhalten.
Zwischen jeweils zwei benachbarten Masten wird dabei eine Membran
aufgespannt, die als Sonnensegel dienen soll. Insgesamt sind vier
Masten vorgesehen, zwischen denen vier dreieckige Membranen aufgespannt
werden. Die Masten selbst sind in CFK STEM-Technologie ausgebildet.
Die Teilmembranen sind nur an ihren Eckpunkten an den zentralen Punkt
und die freien Enden der Masten angehängt. Sie tendieren
aufgrund ihres inhomogenen Spannungszustands in Teilbereichen zum
Ausbilden von Knittermustern, die die Systemeigenschaften einschränken
oder gar zum Systemversagen führen können. Aus
diesem Grund ist der eigentliche Nutzungsbereich, in dem die Membran
gleichmäßig gespannt und glatt ist, im Vergleich
zur Größe der gesamten Struktur vergleichsweise
klein.
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Als
Vorrichtung mit dem Merkmal des unabhängigen Patentanspruchs
9 ist ein L-Band Antennendemonstrator der Firma ILC Dover mit aufblasbarem
Rahmen bekannt. Durch das Aufblasen des Rahmens nimmt dieser seine
vorgesehene ebene Form ein, in der er dann im Weltraum aushärten kann,
um auch nach einem Verlust des Drucks in seinem Inneren die vorgegebene
Form beizubehalten. Vorteil ist dabei, dass die in dem Rahmen angeordnete
Membranantenne an vielen Punkten randseitig an dem Rahmen befestigt
ist und dadurch eine gleichmäßigere Spannungsverteilung
aufweist. Allerdings ist die geometrische Konturtreue beim Aushärten
des Rahmens im Weltraum relativ gering, da während der Aushärtung
kein formgebendes Werkzeug zur Verfügung steht. Inhomogenitäten
während der Aushärtung des Rahmens und der damit
verbundene geometrische Verzug übertragen sich auf die
Membran. Das mit der Aushärtung im Weltraum verbundene
Risiko ist folglich sehr hoch. Insbesondere bei Anwendungen, die
eine hohe Konturtreue verlangen, wie dies bei Membranantennen der
Fall ist.
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Neben
dem voranstehend beschriebenen L-Band Antennendemonstrator der Firma
ILC Dover, bei dem der ganze Rahmen aus durch Aufblasen entfaltbaren
Masten besteht, die ein gemeinsames Innenvolumen einschließen,
ist als weitere Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des
unabhängigen Patentanspruchs 9 eine SAR Antenne der Firma L'Garde
mit zwei parallel zueinander angeordneten aufblasbaren Masten bekannt,
die parallel zueinander angeordnete starre Rahmenabschnitte auseinander
bewegen, um eine Membranantenne zu entfalten. Hier ist die Membranantenne
jedoch wieder nur punktuell randseitig angehängt, was mit
den bereits voranstehend beschriebenen Nachteilen verbunden ist.
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Es
ist auch in Betracht gezogen worden, Membranen im Weltraum durch
Einsatz von Pantograph-artigen Systemen zu entfalten. Der konstruktive
Aufwand und das Gewicht solcher Systeme sind jedoch groß,
wenn die jeweilige Membran mit dichten randseitigen Anbindungspunkten
an einen allseitig geschlossenen Rahmen angebunden sein soll, um sie über
ihre gesamte Fläche geometrisch genau zu entfalten.
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Aus
der
US 5,515,067 ist
eine faltbare selbsttragende Struktur zur Anwendung im Weltraum
bekannt, die eine flexible Membran mit darin ausgebildeten Taschen
zur Aufnahme von elastischen Streben aufweist. Wenn die Streben
mittels der Membran gebogen werden, spannen sie die auf ihnen angeordnete
Membran. So können schüsselartige Membranstrukturen
ausgebildet werden, bei denen die elastischen Streben wie die Stangen
eines Regenschirms gebogen sind.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Entfalten einer Membran im Weltraum aufzuzeigen, die es mit vergleichsweise
geringem Aufwand erlauben, eine homogene Spannungsverteilung über
der Membran einzustellen, um insbesondere ungewollte Knittermuster
und andere nicht homogen gespannte Bereiche zu vermeiden.
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LÖSUNG
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Erfindungsgemäß wir
diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs
1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen
Patentanspruchs 9 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen
des Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen
2 bis 8, bevorzugte Ausführungsformen der Vorrichtung in den
abhängigen Patentansprüchen 10 bis 16 beschrieben.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei
dem neuen Verfahren wird der mindestens eine Mast, der Teil des
Rahmens ist, zum Vergrößern der von dem Rahmen
umschlossenen Fläche gebogen. Diese Deformation erfolgt
dabei zumindest teilweise elastisch. Der Mast kann auch zu einem
Teil plastisch verformt werden. In jedem Fall ist aber ein wesentlicher
Anteil der Verformung elastisch. Die Biegeverformung des Mastes
wird dabei nicht nur durch die Elastizität des Mastes selbst
sondern auch durch die von der entfalteten Membran bereitgestellten
Gegenkräfte abgestützt, so dass ein Einknicken
des Mastes in Folge einer überhöhten Durchbiegung
durch eine adäquate Ausbildung der Deformationseigenschaften
des Mastes leicht zu vermeiden ist. Die gewünschte Formstabilität
der entfalteten Membran stellt sich bei dem neuen Verfahren dadurch
ein, dass sich ein Kräftegleichgewicht zwischen den Biegemomenten
auf den Mast bzw. den daraus resultierenden Kräften einerseits
und den elastischen Rückstellkräften des Masts
und der Spannung der Membran andererseits einstellt. So kann durch
Variation des beim Biegen auf den Mast aufgebrachten Biegemoments
eine vorgegebene Spannungsverteilung über der Membran eingestellt werden.
Zumindest kann überall eine gewisse Mindestspannung der
Membran erreicht werden. Bei adäquater Abstimmung der Membran
auf den Rahmen ist die Spannungsverteilung auch weitgehend homogen
und durch Erhöhung des Biegemoments wird die im Wesentlichen
homogene Spannung der Membran ohne Änderung dieser Homogenität
erhöht. Durch Variation des beim Biegen auf den Mast aufgebrachten
Biegemoments kann auch eine vorgegebene Oberflächenqualität
der Membran aktiv kontrolliert werden, wobei es nicht direkt auf
eine homogene Spannungsverteilung über die Membran ankommt, solange
diese z. B. glatt, d. h. knitterfrei bleibt. So neigen Membranstrukturen
zum Beispiel dazu, unter Temperatureinflüssen Knittermuster
auszubilden. Durch das neue Verfahren besteht die Möglichkeit, die
Spannungsverteilung der Membran auch während des Betriebs
im Weltraum unter unterschiedlichen Umgebungsbedingungen zu korrigieren.
Das Biegen des Masts hat bei dem neuen Verfahren dem nach häufig
eine doppelte Funktion, nämlich einerseits das eigentliche
Entfalten der Membran und andererseits die anschließende
die anschließende aktive Kontrolle einer gewünschten
Spannungsverteilung über der Membran bzw. einer gewünschten Oberflächenqualität
der Membran während ihres Betriebs. Die aktive Flächenkontrolle
ist insbesondere bei Antennenentwicklungen wichtig.
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Es
gibt verschiedene Möglichkeiten, den Mast zur Vergrößerung
der von dem Rahmen umschlossenen Fläche zu biegen. So kann
mindestens eines seiner Enden eingebogen werden. Es können auch
beide Enden gleichzeitig gegeneinander eingebogen werden. Dies kann
aktiv geschehen oder auch passiv, indem die Enden des Masts wie
beim Spannen eines Bogens aufeinander zu bewegt werden.
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Besonders
bevorzugt ist es bei dem neuen Verfahren, wenn der Mast vor dem
Biegen selbst erst entfaltet wird. Dabei ist die Art und Weise,
wie der Mast entfaltet wird, nicht entscheidend. Vielmehr kann dies
auf sehr unterschiedliche Weise erfolgen, beispielsweise durch Entfalten
eines am Boden ausgehärteten zusammengedrückten
und aufgerollten Masts entsprechend der
DE 101 09 429 B4 , oder durch
Aufblasen eines Masts und anschließendes Aushärten
desselben im Weltraum. Auch teleskopierbare oder gelenkige Masten
sind grundsätzlich denkbar, soweit die Gelenke bzw. Teleskopanordnungen im
entfalteten Zustand des Masts blockierbar sind.
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Vorzugsweise
werden bei dem neuen Verfahren mehrere Masten zum Vergrößern
der von dem Rahmen umschlossenen Fläche zumindest teilweise elastisch
gebogen. Beispielsweise können zwei zunächst parallel
zueinander angeordnete Masten voneinander weg auseinandergebogen
werden. Der Rahmen kann auch eine noch mehrgliedrigere Kette von
Masten längs seines Umfangs aufweisen. Vorzugsweise sind
die einzelnen Masten dabei in zueinander symmetrischen Randbereichen
der Membran angeordnet und werden entsprechend symmetrisch zueinander
gebogen. Es versteht sich, dass dabei auch die Membran eine entsprechende
Symmetrie aufweist.
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Die
neue Vorrichtung zum Entfalten einer Membran im Weltraum weist eine
Einrichtung auf, die den Mast zum Vergrößern der
von dem Rahmen umschlossenen Fläche zumindest teilweise
elastisch biegt. Das Biegen erfolgt mit Hilfe mindestens eines Biegeaktuators.
Dieser kann dazu vorgesehen sein, ein Ende des Mastes einzubiegen.
Zu diesem Zweck kann er einen Zugaktuator aufweisen, mit dem die Enden
des Mastes aufeinander zu bewegbar sind.
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Eine
Entfaltungseinrichtung kann zum Entfalten des Mastes vor dem Biegen
vorgesehen sein. Dabei kann zusätzlich eine Aushärteeinrichtung
zum Aushärten des Mastes nach dem Entfalten und vor dem
Biegen vorgesehen sein. Ein Aushärten des Mastes zu diesem
Zeitpunkt kann aber auch bei entsprechender Zusammensetzung des
Mastes durch äußere Einflüsse, wie beispielsweise
Licht, automatisch erfolgen.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsformen der neuen Vorrichtung entsprechen
den bereits beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen
des neuen Verfahrens.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen,
der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung
genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer
Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ
oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend
von erfindungsgemäßen Ausführungsformen
erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere
den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer
Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu
entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen
der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche
ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen
der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt.
Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen
dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese
Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche
kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen
aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen
der Erfindung entfallen.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher
erläutert und beschrieben.
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1 zeigt
eine Vorrichtung zum Entfalten einer Membran im Weltraum mit bereits
entfalteten Masten, vor dem Entfalten der Membran.
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2 zeigt
die Vorrichtung gemäß 1 nach dem
Entfalten der Membran.
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3 zeigt
einen Rahmen einer Vorrichtung zum Entfalten einer Membran im Weltraum
ohne Wiedergabe der Membran und vor dem Entfalten von Masten des
Rahmens.
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4 zeigt
den Rahmen der Vorrichtung gemäß der 3 zu
Beginn des Entfaltens der Masten des Rahmens.
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5 zeigt
den Rahmen der Vorrichtung gemäß den 3 und 4 nach
weiter fortgeschrittenem Entfalten der Masten des Rahmens und teilweisem
Biegen derselben.
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6 zeigt
den Rahmen der Vorrichtung gemäß den 3 bis 5 nach
vollständigem Entfalten und Biegen der Masten des Rahmens.
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7 zeigt
eine weitere Vorrichtung zum Entfalten einer Membran im Weltraum
mit einem aus zwei gebogenen Masten bestehenden Rahmen und einer
darin entfalteten und allseitig gespannten Membran.
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8 zeigt
eine finite Elemente-Simulation zu der Spannungsverteilung über
dem Rahmen bei der Vorrichtung gemäß 7;
und
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9 zeigt
eine finite Elemente-Simulation zu der Spannungsverteilung über
der Membran bei der Vorrichtung gemäß 7.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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1 zeigt
eine Vorrichtung 1, die zum Entfalten einer Membran 2 im
Weltraum dient. Die Membran 2 ist randseitig an einen Rahmen 3 angebunden,
der im Wesentlichen aus zwei Masten 4 besteht. Die Masten 4 verlaufen
in der Stellung der Vorrichtung 1 gemäß 1 in
geringem Abstand parallel zueinander zwischen Entfaltungsmodulen 5,
aus denen heraus sie auf ihre volle Länge entfaltet wurden.
Dabei wurde die Membran 2 in die dargestellte teilentfaltete
Verteilung auseinandergezogen, wozu die Membran 2 über
Zugseile 6 mit zwei der Entfal tungsmodule 5 verbunden
ist. Die Entfaltungsmodule an jeweils einem Ende der Masten 4 sind über
ein Gelenk 7 gelenkig miteinander verbunden.
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Mit
Hilfe von Biegeaktuatoren 8 kann der Winkel zwischen den
jeweils über ein Gelenk 7 verbundenen Entfaltungsmodulen 5 und
damit der Winkel zwischen den Enden der starr in den Entfaltungsmodulen 5 abgestützten
Masten 4 vergrößert werden. Dies führt
dazu, dass die gesamten Masten 4 so gebogen werden, dass
sich die von dem Rahmen 3 umschlossene Fläche
erheblich vergrößert. Hierdurch wird die in Anbindungspunkten 9 an
die Masten 4 angebundene Membran allseitig gespannt. Bei
adäquater Abstimmung der Lage der Anbindungspunkte 9 und
der Form der Membran 2 an die Masten 4 ergibt
sich dabei eine homogene Spannungsverteilung über die gesamte
Membran 2. Statt der in 2 schematisch
dargestellten Biegeaktuatoren 8 könnte auch ein
Zugaktuator vorgesehen sein, der die beiden Gelenke 7 z.
B. mittels eines Zugseils gegeneinander beaufschlagt, d. h. aufeinander
zu bewegt.
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Die
in verschiedenen Stellungen in den 3 bis 6 ohne
Wiedergabe ihrer Membran gezeigte Vorrichtung 1 weist die
Entfaltungsmodule 5 und die Gelenke 7 an den beiden
Enden der Masten 4 innerhalb von Gehäusen 10 auf. 3 dokumentiert
dabei, wie kompakt die Ausgangsstellung der Vorrichtung 1 sein
kann, wenn die Masten 4 noch nicht entfaltet sind. Die
weiteren 4 bis 6 zeigen,
dass das Biegen der Masten 4 zur Vergrößerung der
von dem Rahmen 3 umschlossenen Fläche parallel
zu, d. h. gleichzeitig mit dem Entfalten der Masten 4 erfolgen
kann, wobei die Biegung der Masten 4 mit ihrer zunehmenden
Entfaltung ebenfalls zunimmt. Bei vollständig entfalteten
Masten 4 sind diese auch bereits vollständig gebogen.
Die an beiden Enden der Masten 4 vorgesehenen, in den 1 und 2 sichtbaren,
hier aber innerhalb der Gehäuse 10 verborgenen
Entfaltungsmodule haben den Vorteil, dass die Membran 2 beim
Entfalten der Masten 4 in zwei Richtungen auseinandergezogen
wird und beim Biegen der Masten 4 in den beiden dazu senkrecht
verlaufenden Richtungen. So kann zumindest ein fester Anbindungspunkt 9 der
Membran 2 in der jeweiligen Mitte der beiden Masten 4 vorgesehen sein,
der verhindert, dass sich die Membran nicht gleichmäßig über
die von dem Rahmen 3 umschlossene Fläche entfaltet.
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In 7 ist
schematisch eine Vorrichtung 1 skizziert, bei der aus zwei
Masten 4 mit dazwischen angeordneten Biegeaktuatoren 8 (die
Gelenke 7 und die Entfaltungsmodule 5 an den Enden
der Biegeaktuatoren 4 sind hier nur in der zeichnerischen
Darstellung weggelassen) ein kreis förmiger Rahmen 3 ausgebildet
ist, in dem eine nahezu kreisflächenförmige Membran 2 entfaltet
und gespannt ist.
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Die
folgende 8 gibt für die in 7 skizzierte
Anordnung unter Berücksichtigung eines Durchmessers des
Kreises von 55 m die Spannungsverteilung über dem Rahmen 3 wieder.
Es ist eine absolute Gleichverteilung der Spannung zu erkennen.
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Auch
die in 9 gezeigte Spannungsverteilung über der
in dem Rahmen 3 gemäß 7 gespannten
Membran 2 demonstriert eine ausgesprochene Homogenität.
D. h. die Membran 2 weist an allen Stellen die gleiche
Spannung auf, was für eine ebene zweidimensionale Erstreckung
der Membran 2 die beste Voraussetzung ist.
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Die
vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf zweidimensionale Rahmen 3 beschränkt,
sondern der Rahmen kann auch einen dreidimensionalen Verlauf aufweisen.
Dabei können auch nur einer oder mehr als zwei Masten 4 vorgesehen
sein, die zur Vergrößerung der von dem Rahmen
umschlossenen Fläche gebogen werden. Das zum Biegen der
Masten 4 aufgebrachte Biegemoment kann gezielt variiert
werden, um eine vorgegebene Spannung auf die Membran 2 aufzubringen
und/oder dieser eine bestimmte Spannungsverteilung aufzuprägen.
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Membran
- 3
- Rahmen
- 4
- Mast
- 5
- Entfaltungsmodul
- 6
- Zugseil
- 7
- Gelenk
- 8
- Biegeaktuator
- 9
- Anbindungspunkt
- 10
- Gehäuse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10109529
B4 [0004]
- - US 5515067 [0008]
- - DE 10109429 B4 [0013]