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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 basieren 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 Nützungsbereich, 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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Aus der
DE 2 144 034 A sind ein Verfahren zum Entfalten einer Membran im Weltraum und eine entsprechende Vorrichtung bekannt, bei denen die Membran zur raumsparenden Verstauung auf die Mantelfläche eines im Zentrum der kreisrunden Membran konzentrisch angebrachten Zylinders oder Prismas aufgewickelt wird. Zur anschließenden Entfaltung wird ein um den Zylinder mit der darauf angeordneten Membran angeordnetes Band gelöst. Die Entfaltung selbst erfolgt automatisch, wenn in die Membran Versteifungsglieder eingelegt sind, die mit der Membran auf den Zylinder aufgewickelt und dabei elastisch verformt wurden. Die elastische Rückformung der Versteifungsglieder, bei der sich die Biegung der Versteifungsglieder reduziert, entwickelt die gesamte Membran von dem Zylinder.
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Aus der
DE 1 531 559 A sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Entfalten einer Membran im Weltraum bekannt, bei denen die Membran in einem ringförmigen, aber durch Gelenke in einander entgegen gesetzten Richtungen zu der Ebene der Membran zusammenfaltbaren Rahmen aufgehängt ist. Durch Entfalten des Rahmens um seine Gelenke wird die in ihm aufgehängte Membran ebenfalls entfaltet. Im entfalteten Zustand ist die Membran so in dem ringförmig entfalteten Rahmen gespannt, dass sie Deformationen Widerstand leistet, so dass der Rahmen und die Membran stabilisiert 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 demnach 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 09 529 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.
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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 Entfaltungsmodule 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 kreisförmiger 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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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Membran
- 3
- Rahmen
- 4
- Mast
- 5
- Entfaltungsmodul
- 6
- Zugseil
- 7
- Gelenk
- 8
- Biegeaktuator
- 9
- Anbindungspunkt
- 10
- Gehäuse
