DE102008061977B4

DE102008061977B4 - Vorrichtung zum Andocken eines Service-Satelliten an einen Zielsatelliten

Info

Publication number: DE102008061977B4
Application number: DE102008061977A
Authority: DE
Inventors: Robin Gruber; Andreas Baumann; Simon Kielhöfer
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2008-12-12
Filing date: 2008-12-12
Publication date: 2010-09-02
Anticipated expiration: 2028-12-13
Also published as: DE102008061977A1

Abstract

Vorrichtung zum Andocken eines Service-Satelliten im Inneren des Düsenhalses eines Apogäum-Triebwerkes eines im Umlauf befindlichen Zielsatelliten unter Verwendung eines am Service-Satelliten fest angebrachten Andock-Werkzeuges, das einen mit einem zentralen, längsverschiebbaren Aufspreizdorn und zwei oder mehr in ihrer Gesamtheit den Aufspreizdorn umgreifenden, aufspreizbaren Spreizklammern versehenen Greifmechanismus aufweist, der in den Düsenhals kontrolliert einführbar und durch Längsverschiebung des Aufspreizdorns über die dann mittels des abgeschrägten Kopfendes des Aufspreizdorns aufgespreizten Spreizklammern, die im Endbereich entsprechend abgeschrägt sind, form- und kraftschlüssig mit der Innenseite der metallischen Wandung des Düsenhalses verklemmbar ist, wobei der Außendurchmesser des Greifmechanismus im nicht aufgespreizten Zustand nur geringfügig kleiner als der Düsenhals-Innendurchmesser des Apogäum-Triebwerkes des zum Andocken vorgesehenen Zielsatelliten bemessen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur kontrollierten Einführung des Greifmechanismus des Andock-Werkzeugs des Service-Satelliten in den Düsenhals (4) des Apogäum-Triebwerkes des zum Andocken vorgesehenen Zielsatelliten das Andock-Werkzeug, auf dem der Aufspreizdorn (1) montiert ist, zumindest drei entlang des Umfangs verteilte...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Andocken eines Service-Satelliten im Inneren des Düsenhalses eines Apogäum-Triebwerkes eines im Umlauf befindlichen Zielsatelliten unter Verwendung eines am Service-Satelliten fest angebrachten Andock-Werkzeuges, das einen mit einem zentralen, längsverschiebbaren Aufspreizdorn und zwei oder mehr in ihrer Gesamtheit den Aufspreizdorn umgreifenden, aufspreizbaren Spreizklammern versehenen Greifmechanismus aufweist, der in den Düsenhals kontrolliert einführbar und durch Längsverschiebung des Aufspreizdorns über die dann mittels des abgeschrägten Kopfendes des Aufspreizdorns aufgespreizten Spreizklammern, die im Endbereich entsprechend abgeschrägt sind, form- und kraftschlüssig mit der Innenseite der metallischen Wandung des Düsenhalses verklemmbar ist, wobei der Außendurchmesser des Greifmechanismus im nicht aufgespreizten Zustand nur geringfügig kleiner als der Düsenhals-Innendurchmesser des Apogäum-Triebwerkes des zum Andocken vorgesehenen Zielsatelliten bemessen ist.
Beim Betrieb von Satellitensystemen ist es derzeit die allgemeine Praxis, dass Satelliten, deren Tank für Kurskorrekturen erschöpft ist, stillgelegt werden müssen bzw. defekte Satelliten weder repariert noch korrekt entsorgt werden können. Dieser Mangel soll in naher Zukunft durch das Konzept des ”On Orbit Servicing” mit Hilfe von speziellen Service-Satelliten behoben werden.
Um nun eine Wartung jedweder Form durchführen zu können, muss zunächst ein Andocken des Service-Satelliten an dem zu wartenden Zielsatelliten erfolgen. Heutige Satelliten sind dafür allerdings nicht ausgelegt, da sie keinerlei standardisierte ”Griffe” oder ”Haken” aufweisen, die einen stabilen Kontakt ermöglichen würden. Um dieses Problem zu umgehen, kann der Service-Satellit am bzw. im Apogäumsmotor, d. h. am Raketenmotor, der den nun zu wartenden Satelliten in seine Umlaufbahn gebracht hat und der später nicht mehr verwendet wird, andocken und sich mit einem aufspreizenden Verriegelungsmechanismus festhalten.
In DE 198 48 427 A1 und DE 10 2006 009 001 B3 sind an einem Reparatursatelliten bzw. an einem Raumtransporter angebrachte Greifvorrichtungen beschrieben, welche dazu geeignet sind, einen Zielsatelliten im Düsenhals seines Apogäumsmotors zu greifen und nach Verklemmen festzuhalten. Dabei wird ein Mechanismus aus einem Aufspreizdorn mit anliegenden Klemmbügeln in den Düsenhals des Apogäumsmotors des Zielsatelliten eingeführt und dann aufgespreizt, um eine form- und kraftschlüssige Verbindung herzustellen.
Dabei ist es wichtig, dass vor dem Aufspreizvorgang möglichst keine Berührung zwischen dem Aufspreizdorn und der Düse stattfindet, da sonst ein Stoßimpuls übertragen würde, der ein Wegdriften des zu greifenden Zielsatelliten verursachen würde. Da der sich aufspreizende Greifmechanismus beim Andocken und Festhalten sehr hohe Kräfte aufnehmen muss, darf der Außendurchmesser am Kopfende nur wenig kleiner gewählt werden als der Innendurchmesser der kleinsten zu greifenden Düse, weswegen der Greifmechanismus durch kontrollierte Bewegungen des andockenden Satelliten in die Düsenaufnahme des Zielsatelliten eingeführt wird, wie dies in DE 198 48 427 A1 beschrieben ist.
DE 10 2007 031 547 beschreibt einen kapazitiven Abstandssensor, der in einer Andockvorrichtung zum Andocken einer Wartungsvorrichtung an eine Düse eines Satelliten verwendet wird. Der Abstandssensor ist in einem kegelstumpfförmigen unteren Abschnitt der Andockvorrichtung angebracht. Die Andockvorrichtung weist einen Greifmechanismus auf, der im Bereich des Kopfendes eines Aufspreizdorns ausgebildet ist. Durch die kapazitiven Abstandssensoren wird der Abstand zwischen der Innenseite der Düse und dem kegelstumpfförmigen Abschnitt der Andockvorrichtung bestimmt. Bei der genannten Druckschrift handelt es sich um nachveröffentlichten Stand der Technik.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Andocken eines Service-Satelliten im Inneren des Düsenhalses eines Apogäum-Triebwerkes eines im Umlauf befindlichen Zielsatelliten so zu gestalten, dass sichergestellt wird, dass keine Kollision zwischen den beiden Satelliten beim Andocken verursacht wird und somit keine Stoßimpulse übertragen werden, die zum gegenseitigen Auseinanderdriften der Satelliten führen könnten. Da eine rein mechanische Vorrichtung immer den Nachteil besitzt, dass sie sich während oder nach dem Andockvorgang verklemmen kann oder dass sie durch die starken Vibrationen, die beim Start einer Rakete, welche den anzudockenden Service-Satelliten in die Umlaufbahn bringt, beschädigt werden kann, soll die Vorrichtung zum kollisionsfreien Einführen des Greifmechanismus des Andock-Werkzeugs in den Düsenhals des Zielsatelliten ohne mechanische Komponenten auskommen.
Gemäß der Erfindung, die sich auf eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bezieht, wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass zur kontrollierten Einführung des Greifmechanismus des Andock-Werkzeugs des Service-Satelliten in den Düsenhals des Apogäum-Triebwerkes des zum Andocken vorgesehenen Zielsatelliten das Andock-Werkzeug, auf dem der Aufspreizdorn montiert ist, zumindest drei entlang des Umfangs verteilte hochauflösende Abstandssensoren aufweist, die den Abstand von der zumindest angenähert dicksten Stelle des Greifmechanismus im Bereich des Kopfendes des Aufspreizdorns zur Innenseite der Wandung der Düse messen und jeweils ein Abstandssignal abgeben, und dass im Service-Satelliten eine während des Einführungsvorgangs bis zum Aufspreizen des Greifmechanismus wirksame Steuerungseinrichtung vorgesehen ist, welche die Abstandssignale aufnimmt und auf der Basis dieser Abstandssignale eine Berechnung zur Steuerung der Service-Satelliten-Antriebe vornimmt, so dass die zentrale Längsachse des Aufspreizdorns mit der Rotationssymmetrieachse des Düsenhalses präzise zusammenfällt.
Ein Wegdriften des zu greifenden Zielsatelliten infolge einer einen Stoßimpuls auslösenden Berührung zwischen dem Greifmechanismus und der Düsenwandung vor dem Aufspreizvorgang wird dadurch verhindert, dass die Einheit, auf welche der Aufspreizdorn montiert ist, Abstandssensoren aufweist, welche die zentrische Lage des Aufspreizdorns beim Eintritt in die Düse verifizieren und gegebenenfalls Korrektursignale zur Steuerung des andockenden Satelliten erzeugen. Sowohl ein radialer Versatz als auch eine Winkelabweichung zwischen dem anzudockenden Zielsatelliten und dem Service-Satelliten können zu einem Versatz des Aufspreizdorns führen. Wird der Abstand zur Düse direkt am Kopfende des Aufspreizdorns gemessen, so ist ein deutlich größerer Winkelfehler tolerierbar, als wenn die Sensoren weit vom Kopfende entfernt sind.
Besonders vorteilhaft können als Abstandssensoren optische Triangulationsmessvorrichtungen oder optische Laufzeitmessvorrichtungen unter Verwendung einer Lichtstrahlquelle und eines Detektors vorgesehen werden.
Eine mögliche vorteilhafte Realisierungsform einer Vorrichtung zur kontrollierten Einführung des Greifmechanismus des Andock-Werkzeugs des Service-Satelliten in den Düsenhals des Apogäum-Triebwerkes des zum Andocken vorgesehenen Zielsatelliten zeichnet sich dadurch aus, dass als Abstandssensoren optische Triangulationsmessvorrichtungen vorgesehen sind, die jeweils aus einer am Andock-Werkzeug befestigten Lichtstrahlquelle, einer im Bereich der dicksten Stelle des Greifmechanismus am Kopfende des Aufspreizdorns angeordneten und den Lichtstrahl zur Düsenwandung reflektierenden Spiegelfläche und einem am Andockwerkzeug angebrachten, positionsempfindlichen Detektor mit vorgelagerter Abbildungsoptik bestehen, so dass über die Spiegelfläche auf die Innenseite der Düsenwandung ein Lichtpunkt projiziert wird, dessen Reflexion über die Abbildungsoptik auf den positionsempfindlichen Detektor abgebildet wird, und sich aus der Auftreffposition des abgebildeten Lichtpunkts auf dem positionsempfindlichen Detektor der ein Maß für den Abstand zur Innenseite der Düsenwandung darstellende Winkel, unter dem der Lichtpunkt zu beobachten ist, bestimmen lässt.
Eine andere vorteilhafte Realisierungsform einer Vorrichtung zur kontrollierten Einführung des Greifmechanismus des Andock-Werkzeugs des Service-Satelliten in den Düsenhals des Apogäum-Triebwerkes des zum Andocken vorgesehenen Zielsatelliten besteht darin, dass als Abstandssensoren optische Laufzeitmessvorrichtungen vorgesehen sind, die jeweils aus einer am Andock-Werkzeug befestigten, Lichtimpulse aussendenden Lichtstrahlquelle, einer im Bereich der dicksten Stelle des Greifmechanismus am Kopfende des Aufspreizdorns angeordneten und den Lichtstrahl zur Düsenwandung reflektierenden Spiegelfläche und einem bei der Lichtstrahlquelle am Andockwerkzeug angebrachten Detektor bestehen, so dass über die Spiegelfläche auf die Innenseite der Düsenwandung ein Lichtpunkt projiziert wird, dessen Rückstreuung wiederum über die Spiegelfläche zum Detektor reflektiert wird, und sich aus der Impulslaufzeit der Abstand zur Innenseite der Düsenwandung ermitteln lässt.
Derartige optische Abstandssensoren arbeiten äußerst genau und sind sehr robust.
Bei den durch die vorliegende Erfindung vorgestellten Vorrichtungen wird es ermöglicht, direkt an der dicksten Stelle im Bereich des Kopfendes des Greifmechanismus oder nur wenig davon entfernt den Abstand zur Düsenwandung zu messen.
Als Lichtstrahlquelle kann vorteilhaft ein Festkörper-, ein Gas- oder ein Diodenlaser oder eine Leucht- oder Superlumineszenzdiode vorgesehen werden.
Die reflektierenden Spiegelflächen der Abstandssensoren können in vorteilhafter Weise auf den Rückseiten der vorne abgeschrägten Endbereiche der Spreizklammern, aber auch auf der hinteren abgeschrägten Fläche des Aufspreizdorns zwischen den Spreizklammern aufgebracht sein.
Eine weitere Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aufspreizdorn hohl ausgeführt ist und die Lichtstrahlquelle so im Andock-Werkzeug angeordnet ist, dass der von ihr erzeugte Lichtstrahl ungeführt oder mittels eines Lichtwellenleiters geführt innerhalb des Hohlraumes des Aufspreizdorns zum Kopfende des Aufspreizdorns verläuft, und dass innerhalb des ebenfalls hohl ausgeführten Kopfendes des Aufspreizdorns ein oder mehrere Umlenkspiegel vorgesehen sind, die den Lichtstrahl in Radialrichtung zu einer Öffnung im Kopfende des Aufspreizdorns umlenken, so dass ein oder mehrere Punkte oder ein Ring auf die Innenseite der Düsenwandung projiziert wird.
Bei einer Ausführung der Abstandssensoren als optische Laufzeitmessvorrichtungen ist der Detektor jeweils so in Verbindung mit der Lichtstrahlquelle im Andock-Werkzeug angeordnet, dass der von der Innenseite der Düsenwandung rückgestreute Strahlanteil, der den gleichen Weg durch den Hohlraum des Aufspreizdorns wie der ausgesendete Lichtstrahl nimmt, auf den Detektor fällt. Innerhalb des hohl ausgeführten Kopfendes des Aufspreizdorns können eine oder mehrere Optiken zur Bündelung des Lichtstrahls vorgesehen werden.
Eine andere vorteilhafte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der Aufspreizdorn hohl ausgeführt ist und die Lichtstrahlquelle insbesondere im Falle einer Ausführung als Laserdiode im ebenfalls hohl ausgeführten Kopfende des Aufspreizdorns angeordnet ist und dass die Lichtstrahlquelle samt Bündelungsoptik entweder radial ausgerichtet ist und durch eine Öffnung des Aufspreizdorns hindurch einen Lichtpunkt auf der Innenseite der Düsenwandung projiziert oder axial ausgerichtet ist und über mindestens einen Umlenkspiegel durch eine Öffnung des Aufspreizdorns hindurch einen oder mehrere Lichtpunkte auf der Innenseite der Düsenwandung projiziert.
Vorteilhafte und zweckmäßige Realisierungsmöglichkeiten, Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung sind in den sich auf den Patentanspruch 1 unmittelbar oder mittelbar rückbeziehenden Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend im Einzelnen anhand von in Zeichnungen schematisch dargestellten, vorteilhaften Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:
1 in einer schematischen Seitenansicht eines in einen Düsenhals eines Zielsatelliten einzuführenden Greifmechanismus des andockenden Service-Satelliten eine erste Ausführungsform einer optischen Triangulationsmessvorrichtung zur Abstandsmessung,
2 ebenfalls in einer schematischen Seitenansicht eines in einen Düsenhals eines Zielsatelliten einzuführenden Greifmechanismus des andockenden Service-Satelliten eine erste Ausführungsform einer optischen Laufzeitmessvorrichtung zur Abstandsmessung,
3 in einer schematischen Seitenansicht eines in einen Düsenhals eines Zielsatelliten einzuführenden Greifmechanismus des andockenden Service-Satelliten eine zweite Ausführungsform einer optischen Triangulationsmessvorrichtung zur Abstandsmessung,
4 in einer schematischen Seitenansicht eines in einen Düsenhals eines Zielsatelliten einzuführenden Greifmechanismus des andockenden Service-Satelliten eine dritte Ausführungsform einer optischen Triangulationsmessvorrichtung zur Abstandsmessung,
5 in einer schematischen Seitenansicht eines in einen Düsenhals eines Zielsatelliten einzuführenden Greifmechanismus des andockenden Service-Satelliten eine zweite Ausführungsform einer optischen Laufzeitmessvorrichtung zur Abstandsmessung, und
6 in einer schematischen Seitenansicht eines in einen Düsenhals eines Zielsatelliten einzuführenden Greifmechanismus des andockenden Service-Satelliten zwei Varianten einer vierten Ausführungsform einer optischen Triangulationsmessvorrichtung zur Abstandsmessung.
Das in 1 bis 6 hälftig dargestellte Andock-Werkzeug weist einen Aufspreizdorn 1, Spreizklammern 2 und einen Betätigungskopf 3 auf, die entsprechend den aus DE 198 48 427 A1 und DE 10 2006 009 001 B3 bekannten Ausführungen realisiert und betrieben werden können. Das Andock-Werkzeug dient zum Andocken eines Service-Satelliten im Inneren des Düsenhalses 4 der Düse 5 eines Apogäum-Triebwerkes eines im Umlauf befindlichen Zielsatelliten.
Das Andock-Werkzeug weist einen mit dem zentralen, längsverschiebbaren Aufspreizdorn 1 und zwei oder mehr in ihrer Gesamtheit den Aufspreizdorn 1 umgreifenden, aufspreizbaren Spreizklammern 2 versehenen Greifmechanismus auf, der mit seinem Kopfende 6 in den Düsenhals 4 einführbar und nach erfolgter Einführung durch Längsverschiebung des Aufspreizdorns 1 in Rückwärtsrichtung über die dann mittels des Kopfendes 6 des Aufspreizdorns 1 aufgespreizten Spreizklammern 2 form- und kraftschlüssig mit der Innenseite der metallischen Wandung 7 des Düsenhalses 4 verklemmbar ist. Der Außendurchmesser des Greifmechanismus am Kopfende 6 ist im nicht aufgespreizten Zustand nur geringfügig kleiner als der Düsenhals-Innendurchmesser des Apogäum-Triebwerkes des zum Andocken vorgesehenen Zielsatelliten bemessen.
Die im Folgenden anhand von 1 bis 6 beschriebenen Ausführungsformen eines Abstandssensors ermöglichen es, direkt an der dicksten Stelle im Bereich des Kopfendes 6 des Aufspreizdorns 1 bzw. nur wenig davon entfernt den Abstand zur Wandung 7 der Düse 5 zu messen. Dabei wird entweder das Verfahren der optischen Triangulationsmessung (1, 3, 4 und 6) oder der optischen Laufzeitmessung (2, 5) verwendet.
Für gängige Satelliten liegt der Innendurchmesser des Düsenhalses 4 in der Größenordnung von etwa 20 mm, so dass es kaum möglich ist, aufwändige Messschaltungen im Kopfende 6 des Aufspreizdorns 1 unterzubringen.
Daher liegen sowohl die Lichtstrahlquelle 8, für die sich vorzugsweise ein Festkörper-, ein Gas- oder ein Diodenlaser oder aber eine Leucht- oder Superlumineszenzdiode verwenden lässt, als auch die Anordnung zum Empfangen und Auswerten des Lichtsignals bei den meisten dargestellten Ausführungsformen außerhalb des Kopfendes 6. Es ist in 1 bis 6 exemplarisch jeweils nur ein Messsystem dargestellt. Für eine Bestimmung der Ablage von der Zentralachse in der Düse 5 und der Winkelabweichung sind jedoch mindestens drei um den Umfang des Andock-Werkzeugs verteilte Abstandssensoren erforderlich.
1 zeigt für eine Laser-Triangulationsmessvorrichtung eine z. B. mittels eines Lasers realisierbare Lichtstrahlquelle 8, die über eine auf der Rückseite der zum Festhalten des Zielsatelliten verwendeten Spreizklammer 2 im abgeschrägten Endbereich 9 aufgebrachte Spiegelfläche 10 einen Lichtpunkt 11 auf die Innenseite der Düsenwandung 7 projiziert. Die durch eine Abbildungsoptik 12 auf einen positionsempfindlichen Detektor 13 (CMOS-Zeile oder -Matrix, CCD-Zeile oder -Matrix) abgebildete Reflexion wird ausgewertet. Der Winkel, unter dem der Lichtpunkt 11 zu beobachten ist, bildet ein Maß für den Abstand zur Innenseite der Düsenwandung 7. Die Lichtstrahlquelle 8, die Abbildungsoptik 12 und der positionsempfindliche Detektor 13 sind in dem den Greifmechanismus mit dem Aufspreizdorn 1 tragenden Betätigungskopf 3 des Andock-Werkzeugs untergebracht.
Bei der Lasertriangulation wird allgemein ein Laserstrahl oder der Strahl einer anderen Lichtquelle, z. B. einer Leuchtdiode, auf das Messobjekt fokussiert und mit einem daneben im Sensor befindlichen positionsempfindlichen Detektor beobachtet. Ändert sich die Entfernung des Messobjekts vom Sensor, so ändert sich auch der Winkel, unter dem der Lichtpunkt beobachtet wird, und damit die Position seines Abbildes auf dem positionsempfindlichen Detektor. Aus der Positionsänderung wird mit Hilfe trigonometrischer Winkelfunktionen die Distanz des Objekts vom Laserprojektor berechnet. Beim positionsemp findlichen Detektor handelt es sich um ein lichtempfindliches Element, das die Position des Lichtpunktes im Abbild bestimmt. Aus dieser Bildposition wird der Abstand zwischen Sensor und Objekt berechnet.
Alternativ kann entsprechend der Ausführungsform nach 2 auch über eine Laufzeitmessung der Objektabstand bestimmt werden. Dabei wird die Spiegelfläche 10 auf der Rückseite der Spreizklammer 2 sowohl für die Projektion des Lichtpunkts 11 als auch zur Auswertung des Reflexionssignals verwendet. Bei der Laufzeitmessung wird von der als Laser realisierten Lichtstrahlquelle 8 ein Lichtpuls ausgesendet. Die Pulslaufzeit ist die Zeit, die der Lichtstrahl benötigt, um zu dem in Verbindung mit der Lichtquelle 8 angeordneten Detektor 13a reflektiert zu werden.
Durch Messen dieser Laufzeit kann über die Lichtgeschwindigkeit die Distanz zwischen Lichtstrahlquelle 8 und Lichtpunkt 11 ermittelt werden, wobei der Faktor 1/2 dem Umstand Rechnung trägt, dass das Licht die Entfernung zum Lichtpunkt 11 hin und zurück durchlaufen muss. Da die Entfernung zwischen der Lichtstrahlquelle 8/Detektor 13a und der Spiegelfläche 10 bekannt ist, kann aus der über die Laufzeitmessung ermittelten Gesamtentfernung durch Differenzbildung der Abstand zwischen dem Reflexionspunkt auf der Spiegelfläche 10 und dem Lichtpunkt 11 rechnerisch bestimmt werden.
Statt der Rückseite der Spreizklammer 2 kann auch die hintere Abschrägung am Kopfende des Aufspreizdorns zwischen den Spreizklammern 2 zum Aufbringen einer alternativen Spiegelfläche 14 zur Strahlumlenkung verwendet werden. Dies gilt auch für die Triangulationsmessvorrichtung nach 1.
Wie die im Zusammenhang mit einer optischen Triangulationsmessung stehenden Ausführungsbeispiele nach 3 und 4 zeigen, kann der Aufspreizdorn 1 hohl ausgeführt werden, was das Durchleiten eines von der Lichtstrahlquelle 8 ausgehenden Laserstrahls entweder direkt ohne Führung (3) oder per Lichtwellenleiter 15 (4) im Hohlraum 16 ermöglicht. Der Lichtstrahl 8 wird dann durch einen oder mehrere innerhalb des hohlen Kopfendes 6 des Aufspreizdorns 1 angebrachte Umlenkspiegel 17 in Radialrichtung umgelenkt und wie entsprechend dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel über eine oder mehrere Optiken 18 gebündelt, so dass ein Lichtpunkt 11 oder mehrere Lichtpunkte oder ein Lichtring auf die Innenseite der Düsenwandung 7 projiziert werden. Der Lichtpunkt 11 bzw. die Lichtpunkte oder der Lichtring kann dann wieder wie gemäß dem Ausführungsbeispiel von 1 von dem im Betätigungskopf 3 enthaltenen positionsempfindlichen Detektor 13 nach Bündelung durch die Abbildungsoptik 12 aufgenommen und ausgewertet werden.
Wie das Ausführungsbeispiel nach 5 zeigt, kann der Abstand des projizierten Lichtpunktes 11 alternativ auch durch Laufzeitmessung bestimmt werden. Dort wird der Lichtstrahl von der Lichtstrahlquelle 8 durch den Hohlraum 16 innerhalb des Abspreizdorns 1 mittels eines Lichtwellenleiters 15 geführt. Die Laufzeitmessung erfolgt analog zu der anhand von 2 beschriebenen Vorrichtung.
Da Laserdioden im Allgemeinen nicht allzu groß sind, ist es zur optischen Triangulationsmessung, wie 6 zeigt, auch möglich, bei einem hohl ausgebildeten Aufspreizdorn 1 die durch mindestens eine Laserdiode realisierte Lichtstrahlquelle 8, 8a im ebenfalls hohl ausgeführten Kopfende 6 des Aufspreizdorns 1 anzuordnen. Eine Lichtstrahlquelle 8 kann samt Bündelungsoptik entweder radial ausgerichtet sein und durch eine Öffnung des Aufspreizdorns 1 hindurch einen Lichtpunkt 11 auf der Innenseite der Düsenwandung 7 projizieren. Alternativ kann, wie in 6 gestrichelt dargestellt, eine Lichtstrahlquelle 8a aber auch axial ausgerichtet sein und über mindestens einen Umlenkspiegel 19 durch eine Öffnung des Aufspreizdorns 1 hindurch einen Lichtpunkt 11 oder mehrere Lichtpunkte auf der Innenseite der Düsenwandung 7 projizieren.

1: Aufspreizdorn
2: Spreizklammer
3: Betätigungskopf
4: Düsenhals
5: Düse
6: Kopfende des Greifmechanismus
7: Wandung der Düse
8, 8a: Lichtstrahlquelle
9: Abgeschrägter Endbereich
10: Spiegelfläche
11: Lichtpunkt
12: Abbildungsoptik
13: Positionsempfindlicher Detektor
13a: Detektor
14: Alternative Spiegelfläche
15: Lichtwellenleiter
16: Hohlraum
17: Umlenkspiegel
18: Optik
19: Umlenkspiegel

Claims

Vorrichtung zum Andocken eines Service-Satelliten im Inneren des Düsenhalses eines Apogäum-Triebwerkes eines im Umlauf befindlichen Zielsatelliten unter Verwendung eines am Service-Satelliten fest angebrachten Andock-Werkzeuges, das einen mit einem zentralen, längsverschiebbaren Aufspreizdorn und zwei oder mehr in ihrer Gesamtheit den Aufspreizdorn umgreifenden, aufspreizbaren Spreizklammern versehenen Greifmechanismus aufweist, der in den Düsenhals kontrolliert einführbar und durch Längsverschiebung des Aufspreizdorns über die dann mittels des abgeschrägten Kopfendes des Aufspreizdorns aufgespreizten Spreizklammern, die im Endbereich entsprechend abgeschrägt sind, form- und kraftschlüssig mit der Innenseite der metallischen Wandung des Düsenhalses verklemmbar ist, wobei der Außendurchmesser des Greifmechanismus im nicht aufgespreizten Zustand nur geringfügig kleiner als der Düsenhals-Innendurchmesser des Apogäum-Triebwerkes des zum Andocken vorgesehenen Zielsatelliten bemessen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur kontrollierten Einführung des Greifmechanismus des Andock-Werkzeugs des Service-Satelliten in den Düsenhals (4) des Apogäum-Triebwerkes des zum Andocken vorgesehenen Zielsatelliten das Andock-Werkzeug, auf dem der Aufspreizdorn (1) montiert ist, zumindest drei entlang des Umfangs verteilte hochauflösende Abstandssensoren (8, 10, 12, 13, 13a) aufweist, die den Abstand von der zumindest angenähert dicksten Stelle des Greifmechanismus im Bereich des Kopfendes (6) des Aufspreizdorns zur Innenseite der Wandung (7) der Düse messen und jeweils ein Abstandssignal abgeben, und dass im Service-Satelliten eine während des Einführungsvorgangs bis zum Aufspreizen des Greifmechanismus wirksame Steuerungseinrichtung vorgesehen ist, welche die Abstandssignale aufnimmt und auf der Basis dieser Abstandssignale eine Berechnung zur Steuerung der Service-Satelliten-Antriebe vor nimmt, so dass die zentrale Längsachse des Aufspreizdorns mit der Rotationssymmetrieachse des Düsenhalses präzise zusammenfällt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Abstandssensoren optische Triangulationsmessvorrichtungen unter Verwendung einer Lichtstrahlquelle (8) und eines positionsempfindlichen Detektors (13) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Abstandssensoren optische Triangulationsmessvorrichtungen vorgesehen sind, die jeweils aus einer am Andock-Werkzeug befestigten Lichtstrahlquelle (8), einer im Bereich der dicksten Stelle des Greifmechanismus am Kopfende (6) des Aufspreizdorns (1) angeordneten und den Lichtstrahl zur Düsenwandung (7) reflektierenden Spiegelfläche (10) und einem am Andockwerkzeug angebrachten, positionsempfindlichen Detektor (13) mit vorgelagerter Abbildungsoptik (12) bestehen, so dass über die Spiegelfläche auf die Innenseite der Düsenwandung ein Lichtpunkt (11) projiziert wird, dessen Reflexion über die Abbildungsoptik auf den positionsempfindlichen Detektor abgebildet wird, und sich aus der Auftreffposition des abgebildeten Lichtpunkts auf dem positionsempfindlichen Detektor der ein Maß für den Abstand zur Innenseite der Düsenwandung darstellende Winkel, unter dem der Lichtpunkt zu beobachten ist, bestimmen lässt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Abstandssensoren optische Laufzeitmessvorrichtungen unter Verwendung einer Lichtstrahlquelle (8) und eines mit der Lichtstrahlquelle verbundenen Detektors (13a) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Abstandssensoren optische Laufzeitmessvorrichtungen vorgesehen sind, die jeweils aus einer am Andock-Werkzeug befestigten, Lichtimpulse aussendenden Lichtstrahlquelle (8), einer im Bereich der dicksten Stelle des Greifmechanismus am Kopfende (6) des Aufspreizdorns (1) angeordneten und den Lichtstrahl zur Düsenwandung (7) reflektierenden Spiegelfläche (10) und einem bei der Lichtstrahlquelle am Andock-Werkzeug angebrachten Detektor (13a) bestehen, so dass über die Spiegelfläche auf die Innenseite der Düsenwandung ein Lichtpunkt (11) projiziert wird, dessen Rückstreuung wiederum über die Spiegelfläche zum Detektor reflektiert wird, und sich aus der Impulslaufzeit der Abstand zur Innenseite der Düsenwandung ermitteln lässt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtstrahlquelle (8) ein Festkörper-, ein Gas- oder ein Diodenlaser oder eine Leucht- oder Superlumineszenzdiode vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierenden Spiegelflächen (10) der Abstandssensoren auf den Rückseiten der abgeschrägten Endbereiche (9) der Spreizklammern (2) aufgebracht sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierenden Spiegelflächen (14) der Abstandssensoren auf den hinteren abgeschrägten Flächen des Aufspreizdorns (1) zwischen den Spreizklammern (2) aufgebracht sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufspreizdorn (1) hohl ausgeführt ist und die Lichtstrahlquelle (8) so im Andock-Werkzeug angeordnet ist, dass der von ihr erzeugte Lichtstrahl ungeführt oder mittels eines Lichtwellenleiters (15) geführt innerhalb des Hohlraumes (16) des Aufspreizdorns zum Kopfende (6) des Aufspreizdorns verläuft, und dass innerhalb des ebenfalls hohl ausgeführten Kopfendes des Aufspreizdorns ein oder mehrere Umlenkspiegel (17) vorgesehen sind, die den Lichtstrahl in Radialrichtung zu einer Öffnung im Kopfende des Aufspreizdorns umlenken, so dass ein oder mehrere Punkte oder ein Ring auf die Innenseite der Düsenwandung (7) projiziert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 4 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Ausführung der Abstandssensoren als optische Laufzeitmessvorrichtungen der Detektor (13a) jeweils so in Verbindung mit der Lichtstrahlquelle (8) im Andock-Werkzeug angeordnet ist, dass der von der Innenseite der Düsenwandung (7) rückgestreute Strahlanteil, der den gleichen Weg durch den Hohlraum (16) des Aufspreizdorns wie der ausgesendete Lichtstrahl nimmt, auf den Detektor fällt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des hohl ausgeführten Kopfendes (6) des Aufspreizdorns (1) eine oder mehrere Optiken (18) zur Bündelung des Lichtstrahls vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufspreizdorn (1) hohl ausgeführt ist und die Lichtstrahlquelle (8; 8a) insbesondere im Falle einer Ausführung als Laserdiode im ebenfalls hohl ausgeführten Kopfende (6) des Aufspreizdorns angeordnet ist und dass die Lichtstrahlquelle (8) samt Bündelungsoptik entweder radial ausgerichtet ist und durch eine Öffnung des Aufspreizdorns hindurch einen Lichtpunkt (11) auf der Innenseite der Düsenwandung (7) projiziert oder (8a) axial ausgerichtet ist und über mindestens einen Umlenkspiegel (19) durch eine Öffnung des Aufspreizdorns hindurch einen oder mehrere Lichtpunkte auf der Innenseite der Düsenwandung projiziert.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Ausführung der Abstandssensoren als optische Laufzeitmessvorrichtungen der Detektor jeweils so in Verbindung mit der Lichtstrahlquelle im Hohlraum des Kopfendes des Aufspreizdorns angeordnet ist, dass der von der Innenseite der Düsenwandung rückgestreute Strahlanteil, der den gleichen Weg durch die Öffnung des Aufspreizdorns wie der ausgesendete Lichtstrahl nimmt, auf den Detektor fällt.