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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Fixierung einer gefalteten Folie sowie ein Verfahren zur Entfaltung einer fixierten, gefalteten Folie.
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In der Raumfahrt werden so genannte Solar- oder Sonnensegler eingesetzt. Hierbei wird zum Antrieb dieser Segler der Lichtdruck von Sonnenstrahlung ausgenutzt. Ein wesentlicher Bestandteil von Antrieben dieser Segler ist ein unter Umständen sehr großes Sonnensegel, welches aus äußerst dünnen und einseitig hoch reflektierenden Folien besteht. Hierbei kann es erforderlich sein, Segelfolien mit Abmessungen von 100 m × 100 m oder mehr einzusetzen. Derartige Folien können nicht in aufgefaltetem Zustand in den Orbit transportiert werden.
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Zur Überführung der Folien in den Orbit können diese beispielsweise gefaltet werden. Nach Transport der gefalteten Folien in den Orbit können diese dann entfaltet und somit zum Antrieb genutzt werden.
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Hieraus ergibt sich die Notwendigkeit, die Folien für den Transport und insbesondere für die Aufstiegsphase in einer Rakete derart zu fixieren, dass ein möglichst geringes Volumen entsteht und die Folie durch ihre Faltungsart keine abgeschlossenen Hohlräume bildet, die sich dann während der Aufstiegsphase durch den Abfall des äußeren atmosphärischen Druckes aufblähen würden.
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Zusätzlich ergibt sich das Erfordernis, die gefaltete Folie während des gesamten Transportvorgangs bis zur Entfaltung gegen Umweltbelastungen, insbesondere Belastungen durch mechanisch dynamische Einwirkungen, Temperatur- und Druckwechsel zu schützen.
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Die
DE 102 41 618 B4 offenbart ein Verfahren zum Stauen und Entfalten großflächiger Folien, insbesondere von Segelflächen für Sonnensegler. Hierbei beschreibt die Druckschrift, dass Folienbahnen zu Wickeln aufgerollt werden. Nach dem Wickeln der Folien werden die derart entstandenen Wickel von ihrer Mitte heraus zu so genannten Coils (Spulen) auf ein dosenförmiges Volumen zusammengerollt, wobei die Coils in Transportcontainern verstaut werden.
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Es stellt sich das technische Problem, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Fixieren einer gefalteten Folie sowie ein Verfahren zum Entfalten einer fixierten, gefalteten Folie zu schaffen, welche eine Fixierung einer gefalteten Folie mit möglichst wenig Mechanismen und/oder Bauteilen ermöglicht, insbesondere kein Schutzcontainer oder Transportcontainer, der lediglich für die Transportphase Sinn macht und nach Entfaltung nur unnütze Masse wäre, benötigt und eine einfache und sichere Faltung, Fixierung sowie Entfaltung gewährleistet.
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Vorgeschlagen wird eine Vorrichtung zur Fixierung einer gefalteten Folie.
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Eine Folie, insbesondere eine dreieckförmige Folie, z. B. eine Folie eines Sonnensegels, wird in einen gefalteten Zustand überführt, indem die Folie in einer ersten Phase zu einem Wickel aufgerollt oder zickzack-förmig (ziehharmonikaförmig) gefaltet wird. Hierbei kann das Aufrollen zu einem Wickel beispielsweise um einen aufblasbaren Achskörper erfolgen. Nach der Aufwicklung wird der Achskörper entfernt und der nun hohlzylinderförmige Wickel zusammen gedrückt, wodurch, ebenso wie auch nach der ziehharmonikaförmigen Faltung, ein gurtförmiger oder quaderförmiger Körper entsteht. Hierbei ist eine Längsseite des quaderförmigen Körpers länger als eine Stirnseite des quaderförmigen Körpers. Hiernach wird der quaderförmige Körper derart gefaltet, dass ein erstes stirnseitiges Ende auf ein zweites stirnseitiges Ende gelegt oder über diesem angeordnet wird. Es wird also eine Faltung um eine Mittelachse des quaderförmigen Körpers durchgeführt, wobei die Mittelachse orthogonal zu einer zentralen Längsachse des quaderförmigen Körpers verläuft.
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Die derart gefaltete Folie wird folgend als gefaltete Folie bezeichnet. Diese weist nun zwei Teilabschnitte oder Schenkel auf, wobei ein erstes Ende der gefalteten Folie als das Ende definiert ist, an welchen die beiden Teilabschnitte oder Schenkel der gefalteten Folie verbunden sind. Als ein zweites Ende wird das Ende der gefalteten Folie bezeichnet, an welchem die vorhergehend definierten Teilabschnitte oder Schenkel der gefalteten Folie nicht verbunden sind, insbesondere weist das zweite Ende der gefalteten Folie zwei freie Teilenden auf, nämlich ein erstes freies Ende des ersten Teilabschnitts bzw. des ersten Schenkels und ein zweites freies Ende des zweiten Teilabschnitts oder zweiten Schenkels.
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Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung mindestens einen rotierbaren Spulenkörper. Der Spulenkörper kann hierbei zylindrisch oder hohlzylindrisch ausgeführt sein. Die gefaltete Folie ist auf den mindestens einen rotierbaren Spulenkörper aufwickelbar, wobei das vorhergehend definierte erste Ende der gefalteten Folie mittels einer Befestigungseinrichtung lösbar mit dem Spulenkörper verbindbar ist. Beispielsweise kann das erste Ende mittels der Befestigungseinrichtung an den Spulenkörper geklemmt werden. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass die gefaltete Folie zum Aufwickeln mechanisch fest mit dem rotierbaren Spulenkörper verbunden werden kann. Während des Abwickelns, insbesondere vor dem Aufspannen oder Entfalten der gefalteten Folie kann diese von dem Spulenkörper gelöst werden. Durch das derartige Auf- und Abwickeln ergibt sich in vorteilhafter Weise ein einfaches und zuverlässiges sowie sicheres Fixieren und Transportieren einer Folie, welches mit einfachen Mechanismen und einer geringen Anzahl von Bauteilen realisierbar ist.
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In einer weiteren Ausführungsform verbindet die mindestens eine Befestigungseinrichtung das erste Ende der gefalteten Folie mit dem Spulenkörper, falls die aufgewickelte, gefaltete Folie den Spulenkörper mit zumindest einer vollständigen Umwicklung umschließt. Eine vollständige Umwicklung des Spulenkörpers bedeutet hierbei, dass die gefaltete Folie zumindest ein Teil einer Mantelfläche des Spulenkörpers entlang dessen Umfang mindestens einmal umschließt. Weiter gibt die mindestens eine Befestigungseinrichtung das erste Ende der gefalteten Folie frei, falls die aufgewickelte, gefaltete Folie den Spulenkörper mit weniger als einer vollständigen Umwicklung umschließt, insbesondere nur noch einen vorbestimmten Anteil der Mantelfläche des Spulenkörpers entlang dessen Umfang umschließt. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass die gefaltete Folie in einem aufgewickelten Zustand mechanisch fest mit dem Spulenkörper verbunden ist, beim Abwickeln jedoch rechtzeitig von dem Spulenkörper freigegeben wird.
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In einer weiteren Ausführungsform ist zumindest ein weiteres Ende der gefalteten Folie mit einem Koppelbereich eines Masts gekoppelt, wobei der Mast ein faltbarer Mast ist. Ein faltbarer Mast kann hierbei faltbar und entfaltbar sein. Vorzugsweise ist das erste freie Teilende des zweiten Endes mit einem Koppelbereich eines ersten faltbaren Mastes und das zweite freie Teilende des zweiten Endes mit einem Koppelbereich eines zweiten faltbaren Mastes gekoppelt. Die Kopplung bezeichnet hierbei eine mechanische Kopplung, vorzugsweise eine nicht lösbare, jedoch in ihrer Länge veränderbare mechanische Kopplung. Vorzugsweise sind das erste freie Teilende mit einer Spitze eines ersten Masts und das zweite freie Teilende mit einer Spitze eines zweiten Masts mechanisch gekoppelt. Der mindestens eine bzw. beide Masten sind hierbei vorzugsweise rollfaltbar. Weiter ist der mindestens eine bzw. sind die Masten vorzugsweise derart zu dem Spulenkörper angeordnet, dass die auf den jeweiligen Mast bezogene Entfaltrichtung der faltbaren Masten senkrecht zu einer zentralen Rotationsachse des Spulenkörpers verläuft. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise eine möglichst störungsfreie Entfaltung durch ein vorzugsweise simultanes Entfalten oder Entrollen der gefalteten Masten ermöglicht, da in diesem Falle die Entfaltrichtung der faltbaren Masten der Entrollrichtung der gefalteten Folie vom Spulenkörper entspricht.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das mindestens eine Ende der gefalteten Folie, über eine Konstantkraftfeder mit dem Koppelbereich des mindestens einen Masts gekoppelt. Analog zu den vorhergehenden Ausführungen ist vorzugweise das erste freie Teilende des zweiten Endes über eine erste Konstantkraftfeder mit dem Koppelbereich eines ersten Mastes und das zweite freie Teilende des zweiten Endes über eine zweite Konstantkraftfeder mit dem Koppelbereich eines zweiten Mastes gekoppelt. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass eine Spannung zwischen dem Koppelbereich des Masts und dem Ende der gefalteten Folie unabhängig von einem Abstand des Koppelbereichs des Masts von dem jeweiligen Teilende auf eine vorbestimmte mechanische Spannung, beispielsweise auf 2 Newton, begrenzt ist und stets gewährleistet bleibt.
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In einer weiteren Ausführungsform ist eine Rotationsbewegung des mindestens einen Spulenkörpers freigebbar und/oder blockierbar und/oder bremsbar. Während eines Transports der aufgewickelten, gefalteten Folie kann eine Rotationsbewegung des Spulenkörpers beispielsweise blockiert werden. Während eines Aufwickelvorgangs einer gefalteten Folie kann eine Rotationsbewegung des Spulenkörpers freigegeben sein. Während eines Abwickelvorgangs einer aufgewickelten, gefalteten Folie kann die Rotationsbewegung des Spulenkörpers mit einer vorbestimmten Bremskraft gebremst werden. Hierdurch ergeben sich in vorteilhafter Weise ein sicherer Transport, ein zügiges Aufwickeln sowie ein kontrolliertes Abwickeln einer gefalteten Folie mit einer vorbestimmten Abwickelgeschwindigkeit.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der mindestens eine Spulenkörper und/oder der mindestens eine Mast an einer gemeinsamen Grundplatte befestigt. Vorzugsweise sind der Spulenköper und die beiden vorhergehend erläuterten Masten an einer gemeinsamen Grundplatte befestigt. Weiter kann eine Spitze der noch nicht zu einer gefalteten Folie geformten Folie an dem Spulenkörper oder an der gemeinsamen Grundplatte befestigt sein. Ist die Folie beispielsweise eine dreieckförmige Folie, so kann eine erste Spitze der noch nicht in einen gefalteten Zustand überführten Folie an dem Spulenkörper oder an der Grundplatte befestigt sein, während die beiden weiteren Spitzen der dreieckförmigen Folie nach der Faltung zur gefalteten Folie das erste und das zweite freie Teilende der gefalteten Folie ausbilden. Sind diese jeweils an eine Spitze eines Masts gekoppelt, der ebenfalls mit einem Basisabschnitts des Masts an der gemeinsamen Grundplatte befestigt ist, so kann durch ein vorzugsweise simultanes Entfalten oder Entrollen der Masten die dreieckförmige Folie aufgespannt werden, wobei das erste Ende an dem Spulenkörper oder an der Grundplatte befestigt und die beiden weiteren Enden nun an Spitzen der entrollten oder entfalteten Masten befestigt sind. Hierdurch ergeben sich in vorteilhafter Weise eine möglichst einfache Aufspannung einer gefalteten Folie sowie ein möglichst einfacher und kompakter Transport, da alle notwendigen Bauteile auf einer gemeinsamen Grundplatte angeordnet werden können.
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Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Fixieren einer gefalteten Folie. Hierbei wird die gefaltete Folie auf mindestens einen rotierbaren Spulenkörper aufgewickelt, wobei ein erstes Ende der gefalteten Folie lösbar mit dem Spulenkörper verbunden ist. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine einfache und mit wenigen Bauteilen realisierbare Fixierung einer Folie zum Transport in einen Orbit.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das erste Ende der gefalteten Folie mit dem Spulenkörper mechanisch lösbar verbunden, falls die aufgewickelte, gefaltete Folie den Spulenkörper mit zumindest einer vollständigen Umwicklung umschließt. Weiter wird das erste Ende der gefalteten Folie vom Spulenkörper gelöst, falls die aufgewickelte, gefaltete Folie den Spulenkörper mit weniger als einer vollständigen Umwicklung umschließt, insbesondere nur einen vorbestimmten Anteil einer Mantelfläche des Spulenkörpers entlang dessen Umfang umschließt. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass eine gefaltete Folie im aufgewickelten Zustand an dem Spulenkörper fixiert ist, wobei die Folie bei Abwicklung rechtzeitig von dem Spulenkörper gelöst wird.
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Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Entfaltung einer fixierten, insbesondere einer auf einem rotierbaren Spulenkörper aufgewickelten, gefalteten Folie, wobei die gefaltete Folie in einem fixierten Zustand auf einen rotierbaren Spulenkörper aufgewickelt ist. Ein erstes Ende der gefalteten Folie ist lösbar mit dem Spulenkörper verbunden. Mindestens ein weiteres Ende, insbesondere die vorgehenden ersten und zweiten Teilenden der gefalteten Folie sind jeweils mit einem Koppelbereich mindestens eines gefalteten, insbesondere rollgefalteten, Masts verbunden, insbesondere mechanisch verbunden. Hierbei wird die gefaltete Folie entfaltet, in dem der gefaltete Mast in eine vorbestimmte Richtung entfaltet wird oder die gefalteten Masten vorzugsweise simultan in die vorbestimmte Richtung entfaltet werden. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine einfach durchzuführende Entfaltung einer auf einen rotierbaren Spulenkörper aufgewickelten gefalteten Folie. Insbesondere kann eine Geschwindigkeit der Entfaltung der gefalteten Folie mittels einer Steuerung oder Regelung einer Geschwindigkeit einer Entfaltung des oder der gefalteten Masten erfolgen. Alternativ oder kumulativ kann, wie vorhergehend beschrieben, die Geschwindigkeit der Entfaltung der gefalteten Folie mittels einer vordefinierten Bremswirkung des rotierbaren Spulenkörpers bei einer Rotation des Spulenkörpers gesteuert oder geregelt werden.
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Hierbei sind zwei Alternativen zur Entfaltung der gefalteten Folie mittels einer Entfaltung von gefalteten Masten vorstellbar. In einer ersten Alternative sind Enden, insbesondere das erste und das zweite Teilende der gefalteten Folie derart mit Koppelbereichen, insbesondere Spitzen, von gefalteten, insbesondere rollgefalteten, Masten verbunden, dass bei einer simultanen Entfaltung der gefalteten Masten gleichzeitig eine Entfaltung der gefalteten Folie erfolgt, insbesondere ein Sonnensegel aufgespannt oder gehisst wird.
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In einer zweiten Alternative sind Enden, insbesondere das erste und das zweite Teilende, der gefalteten Folie derart mit Spitzen von Masten verbunden, beispielsweise über Seilwinden, dass erst eine vollständige Entfaltung der faltbaren Masten erfolgt und hiernach, beispielsweise über eine vorzugsweise simultane Betätigung oder Rotation der Seilwinden, die entsprechenden Enden der gefalteten Folie hin zu den Spitzen gezogen werden, wobei hierdurch die Folie entfaltet wird, insbesondere ein Sonnensegel aufgespannt oder gehisst wird.
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Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figuren zeigen:
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1 einen Querschnitt durch einen rotierbaren Spulenkörper,
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2 eine isometrische Darstellung einer Vorrichtung zur Fixierung einer gefalteten Folie und
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3 eine Draufsicht auf eine Vorrichtung zur Fixierung einer gefalteten Folie.
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Nachfolgend bezeichnen gleiche Bezugszeichen Elemente mit gleichen oder ähnlichen technischen Merkmalen.
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In 1 ist ein Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen rotierbaren Spulenkörper 1 dargestellt. Hierbei ist weiter dargestellt, dass auf den hohlzylinderförmigen Spulenkörper 1 eine gefaltete Folie 2 aufgewickelt ist. Die Folie 2 ist vorzugsweise eine Polyimid-Folie, die einseitig hochreflektierend beschichtet ist. Die gefaltete Folie 2 weist hierbei ein erstes Ende 3 und ein zweites Ende auf, wobei das zweite Ende ein erstes Teilende 4.1 und ein zweites Teilende 4.2 umfasst. Das erste Teilende 4.1 ist hierbei über eine Konstantkraftfeder 5 mit einer Spitze, welche einen Koppelbereich darstellt, eines rollgefalteten Mastes 7 gekoppelt. In analoger Weise ist das zweite Teilende 4.2 mit einer Spitze eines weiteren rollgefalteten Mastes 7 gekoppelt. In 1 ist dargestellt, dass die gefaltete Folie 2 mit mehr als einer vollständigen Umwicklung auf den hohlzylinderförmigen rotierbaren Spulenkörper 1 aufgewickelt ist. Ein Abschnitt 8 des Spulenkörpers 1 ist hierbei um ein Scharnier 9 herum klappbar, d. h. in Bezug auf eine zentrale Rotationsachse 10 des Spulenkörpers radial nach außen bewegbar. Hierbei kann das Scharnier 9 eine vorgespannte Rotationsfeder umfassen, die mit einem vorbestimmten Drehmoment vorgespannt ist. Umschließt die gefaltete Folie 2 den Spulenkörper 1 mit mehr als einer vollständigen Umwicklung, so bewirkt die von der gefalteten Folie 2 auf den Abschnitt 8 des Spulenkörpers 1 ausgeübte Kraft einen Formschluss des Abschnitts 8 mit dem Spulenkörper 1 und somit die Klemmung des ersten Endes 3 in einem Schlitz 11, der zwischen dem Abschnitt 8 und dem verbleibenden Spulenkörper 1 ausgebildet ist. Umschließt die gefaltete Folie 2 den Spulenkörper 1 mit weniger als einer vollständigen Umwicklung, so entfällt die von der gefalteten Folie 2 auf den Abschnitt 8 ausgeübte Kraft, der Abschnitt 8 lässt sich aufklappen und gibt somit das erste Ende 3 der gefalteten Folie 2 frei. Somit ist gewährleistet, dass sich die gefaltete Folie 2 zuverlässig von dem Spulenkörper 1 bei einer Entfaltung der gefalteten Folie 2 lösen kann. Zudem ist der als Klappe ausgeführte Abschnitt 8 derart dimensioniert, dass er das erste Ende 3 nicht in seiner gesamten Höhe klemmt. Insbesondere ragt ein Teil des ersten Endes 3 in den von dem Spulenkörper 1 umschlossenen Hohlraum hinein. Somit werden von der gefalteten Folie 2 keine abgeschlossenen Hohlräume gebildet, die sich dann während der Aufstiegsphase durch den Abfall des äußeren atmosphärischen Drucks aufblähen würden.
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In 2 ist eine schematische, isometrische Ansicht einer Vorrichtung zur Fixierung einer gefalteten Folie 2 dargestellt. Hierbei ist eine Grundplatte 13 dargestellt, auf welcher der rotierbare Spulenkörper 2 drehbar gelagert angeordnet ist. Weiter sind auf der Grundplatte rollgefaltete Masten 7 angeordnet, die jeweils Koppelbereiche, insbesondere an den Spitzen, der rollgefalteten Masten 7, aufweisen. Die gefaltete Folie 2 ist mit einem ersten Teilende 4.1 über eine Konstantkraftfeder 5 mit der Spitze eines rollgefalteten Mastes 7 gekoppelt. Weiter ist ein zweites Teilende 4.2 der gefalteten Folie 2 über eine Konstantkraftfeder 5 mit einer Spitze eines weiteren rollgefalteten Mastes 7 gekoppelt.
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In 3 ist eine schematische Draufsicht auf eine Vorrichtung zur Fixierung einer gefalteten Folie 2 dargestellt. Hierbei sind auf einer Grundplatte 13 vier rotierbare Spulenkörper 1 drehbar gelagert angeordnet. Weiter sind auf der Grundplatte 13 vier rollgefaltete Masten 7 angeordnet, die jeweils eine Spitze aufweisen. Die auf den Spulenkörpern 1 aufgewickelten gefalteten Folien 2, insbesondere deren Enden 4.1, 4.2, sind mit den Spitzen der rollgefalteten Masten 7 über in 3 nicht dargestellte Konstantkraftfedern mechanisch gekoppelt. In 3 ist hierbei eine Entrollrichtung der rollgefalteten Masten 7 über Pfeile 14 angedeutet. Werden die rollgefalteten Masten 7 in die mit den Pfeilen 14 angedeuteten Entrollrichtung simultan entrollt, so werden die gefalteten Folien 2 von den Spulenkörpern 1 abgewickelt und somit aufgespannt. Umschließt bei dieser Abwicklung die gefaltete Folie 2 einen Spulenkörper 1 mit weniger als einer vollständigen Umwicklung, so lösen sich die gefalteten Folien 2 von den Spulenkörpern 1. Die Spulenkörper 1 können dann von der Grundplatte 13 entfernt werden (Fly-Away-Komponente). Nicht dargestellt ist, dass die gefalteten Folien in einem entfalteten Zustand dreieckförmig sind, wobei eine Spitze der entfalteten Folie 2 mechanisch mit der Grundplatte 13 gekoppelt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Spulenkörper
- 2
- Folie
- 3
- erstes Ende
- 4.1
- erstes Teilende
- 4.2
- zweites Teilende
- 5
- Konstantkraftfeder
- 7
- Mast
- 8
- Abschnitt
- 9
- Scharnier
- 10
- zentrale Rotationsachse
- 11
- Schlitz
- 13
- Grundplatte
- 14
- Pfeil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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