DE102012217485B4

DE102012217485B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Kompensation der Schwerkraft

Info

Publication number: DE102012217485B4
Application number: DE102012217485.0A
Authority: DE
Inventors: Siebo Reershemius; Tom SPRÖWITZ; Peter Spietz
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2012-09-26
Filing date: 2012-09-26
Publication date: 2023-03-02
Anticipated expiration: 2032-09-27
Also published as: DE102012217485A1

Abstract

Vorrichtung zur Kompensation der auf ein Testobjekt wirkenden Schwerkraft, insbesondere der auf eine Entfaltungseinrichtung (2) eines Mastmoduls zum Entfalten von Folien eines Sonnenseglers wirkenden Schwerkraft,
wobei die Vorrichtung mindestens eine Kompensationseinrichtung (4) umfasst, wobei die Kompensationseinrichtung (4) an dem Testobjekt befestigbar ist,
wobei mittels der Kompensationseinrichtung (4) eine Kompensationskraft derart erzeugbar und auf das Testobjekt übertragbar ist, dass die auf das Testobjekt wirkende Schwerkraft kompensierbar ist,
wobei
die Kompensationseinrichtung (4) durch das Testobjekt mit mindestens einem Bewegungsfreiheitsgrad frei bewegbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
durch die Kompensationseinrichtung (4) eine Kompensationskraft derart erzeugbar ist, dass ausschließlich die auf das Testobjekt wirkende Schwerkraft kompensiert und von der Schwerkraft verschiedene Kräfte nicht kompensiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kompensation einer auf ein Testobjekt wirkenden Schwerkraft. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kompensation der auf eine Entfaltungseinrichtung eines Mastmoduls wirkenden Schwerkraft, wobei das Mastmodul z.B. zum Entfalten von Folien eines Sonnenseglers dient.
In der Raumfahrt werden so genannte Solar- oder Sonnensegler erprobt. Hierbei wird zum Antrieb dieser Segler der Lichtdruck der Sonnenstrahlung ausgenutzt. Ein wesentlicher Bestandteil von Antrieben dieser Raumfahrzeuge ist ein unter Umständen sehr großes Sonnensegel, welches aus äußerst dünnen und einseitig hochreflektierenden Folien besteht. Hierbei kann es erforderlich sein, Segelfolien mit Abmessungen von 100 m × 100 m oder mehr einzusetzen. Derartige Folien können nicht im aufgefalteten Zustand in den Orbit transportiert werden. 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. Ein Aufspannen der Segel kann hierbei beispielsweise durch so genannte entfaltbare Mastmodule erfolgen, wobei die Mastmodule in einem Transportzustand z.B. Faltrohre in einem aufgerollten Zustand beinhalten. Beim Entfalten der Sonnensegel entfalten sich diese aufgerollten Faltrohrstrukturen zu einem Mast, der auch als Boom bezeichnet wird.
So beschreibt die DE 102 41 618 B4 ein Verfahren zum Stauen und Entfalten großflächiger Folien, insbesondere von Segelflächen für Sonnensegler, wobei der Sonnensegler ein Segel aufweist, welches aus mindestens drei Einzelfolien besteht, die durch von einem Zentralmodul ausgehende aufrollbare Booms voneinander getrennt sind. Hierbei werden die Segelflächen zum Stauen aus Folienbahnen zusammengefügt und im Verlauf des Zusammenfügens zu Wickeln aufgerollt. Die Entfaltung der Segelflächen erfolgt derart, dass Coils aus Staucontainern in einem Entfaltungsmodul über an Außenspitzen der Segelflächen angeordnete Seile bis an eine Endposition an Spitzen der Booms herausgezogen werden.
Es ist wünschenswert, ein Entfalten der Folien oder Segel auch am Boden zu testen. Hierzu ist es erforderlich, einen Prüfstand zu entwickeln, der einen möglichst realitätsnahen Entfaltungsvorgang gewährleisten kann. Hierbei besteht das Problem, dass die leichten Strukturen der entfaltbaren Mastmodule, die sowohl den Mast als auch eine Entfaltungseinrichtung umfassen, und der Folien unter Einfluss der Schwerkraft kollabieren können.
Die DE 100 63 775 C2 beschreibt ein Verfahren zur Entfaltung von Strukturen, die für den Einsatz im Weltall unter Schwerelosigkeit ausgebildet sind, in einer Umgebung unter Einwirkung der Schwerkraft. Hierbei erfolgt ein Anbringen von Auftriebskörpern an die Struktur, ein Entfalten der Struktur und ein Steuern des Auftriebs der Auftriebskörper in Abhängigkeit von der auf die Struktur wirkenden Kräfte. Nachteilig hierbei ergibt sich, dass eine variierende Masse der Struktur nur schwer, insbesondere nur in eine Richtung, nämlich die Auftriebsrichtung, kompensiert werden kann. Hierzu offenbart die Druckschrift Wassertanks, die je nach Ausfahrposition der Struktur eine Auftriebskraft über Ablassen von Wasser variieren.
Die DE 10 2008 039 981 B3 offenbart eine Vorrichtung zur anteiligen Kompensation der Schwerkraft auf ein Testobjekt durch eine der Schwerkraft entgegengerichtete Kompensationskraft, mit einer das Testobjekt mit der Kompensationskraft elastisch abstützenden Federanordnung. Hierbei ist die Federanordnung an einem zumindest in Richtung der Schwerkraft verfahrbaren Abstützpunkt abgestützt, wobei eine Kraftmesseinrichtung die von der Federanordnung aktuell ausgeübte Kompensationskraft erfasst und wobei eine Steuerung den Abstützpunkt verfährt, um die Kompensationskraft konstant zu halten. Hierbei ist eine Federanordnung zwischen dem Testobjekt und einem verfahrbaren Abstützpunkt angeordnet. Die Druckschrift offenbart weiterhin, dass der Abstützpunkt durch einen Roboter verfahrbar ist. Der Einsatz von Robotern ist problematisch, da z.B. bei großen Strukturen möglichst viele Befestigungspunkte an der Struktur benötigt werden. Damit Relativbewegungen zwischen den Befestigungspunkten zugelassen werden, wird pro Stützpunkt jeweils ein Roboter benötigt. Dies führt zu einem unangemessenen Kosten- und Platzproblemen.
Die CN 2 018 622 60 U offenbart ein magnetisch aufgehängtes simuliertes Raumschiff, welches eine Magnetlagerungseinheit, eine Stützeinheit, eine Zwischeneinheit, eine Sitzeinheit, eine elektronische Steuereinheit und eine Rotationseinheit umfasst. Das magnetgelagerte simulierte Raumschiff kann hierbei eine gravitationsfreie Umgebung simulieren.
Es stellt sich das technische Problem, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kompensation der auf ein Testobjekt wirkenden Schwerkraft, insbesondere der auf eine Entfaltungseinrichtung eines Mastmoduls wirkenden Schwerkraft, zu schaffen, welche einerseits Bewegungsvorgänge des Testobjekts, z.B. einen Entfaltungsvorgang, im Orbit möglichst realitätsnah simulieren kann und andererseits eine einfache, insbesondere einen geringen Bauraum erfordernde, Ausbildung aufweist.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 8. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Vorgeschlagen wird eine Vorrichtung zur Kompensation einer Schwerkraft, die auf ein Testobjekt, insbesondere auf eine Entfaltungseinrichtung eines entfaltbaren Mastmoduls, z.B. eines Sonnenseglers, wirkt.
Wie in der DE 102 41 618 B4 beschrieben, kann ein entfaltbares Mastmodul einen (ent)faltbaren Boom beinhalten. Ein entfaltbares Mastmodul kann beispielsweise ein oder mehrere Faltrohre mit einer aufrollbaren Faltrohrstruktur umfassen. Weiter kann das Mastmodul eine Entfaltungseinrichtung zum Entfalten der Faltrohrstrukturen umfassen. Die Entfaltungseinrichtung kann hierbei die sich im aufgerollten Zustand befindlichen Faltrohrstrukturen und eine Antriebseinrichtung, z.B. eine elektrisch betreibbare Antriebseinrichtung, zum Entfalten oder Entrollen der Faltrohrstrukturen umfassen. An dem Mastmodul kann eine Folie z.B. des Sonnenseglers befestigt werden. Beim Entfalten des Mastmoduls werden die in der Entfaltungseinrichtung enthaltenen Faltrohre abgerollt, wobei auch die Folie aufgefaltet bzw. ausgebreitet wird. Beim Entfalten bewegt sich das Mastmodul bzw. die Entfaltungseinrichtung in einer Entfaltungsrichtung von einem Zentralmodul weg. Die Folie kann hierbei einerseits am Zentralmodul und andererseits am Mastmodul befestigt sein.
Die Vorrichtung umfasst mindestens eine Kompensationseinrichtung. Die Kompensationseinrichtung ist an dem Testobjekt befestigbar. Das Testobjekt kann insbesondere die vorhergehend erläuterte Entfaltungseinrichtung eines Mastmoduls sein oder diese umfassen.
Mittels der Kompensationseinrichtung ist eine Kompensationskraft derart erzeugbar und auf das Testobjekt übertragbar, dass eine auf das Testobjekt wirkende Schwerkraft kompensierbar ist. Hierzu kann die Kompensationseinrichtung ein aktives oder passives Mittel zur Krafterzeugung umfassen. Passiv bedeutet hierbei, dass das Mittel zur Krafterzeugung eine Kraft ohne Verbrauch von externer elektrischer Energie erzeugen kann. Aktiv bedeutet entsprechend, dass das Mittel zur Krafterzeugung die Kompensationskraft unter Verbrauch von externer Energie erzeugt.
Erfindungsgemäß ist die Kompensationseinrichtung durch das Testobjekt mit mindestens einem Bewegungsfreiheitsgrad frei, also möglichst ungehindert, bewegbar. Frei bewegbar bedeutet hierbei, dass die zur Bewegung der Kompensationseinrichtung erforderliche Kraft ausschließlich vom Testobjekt, insbesondere während einer Bewegung des Testobjekts, auf die Kompensationseinrichtung übertragen wird. Es ist keine zusätzliche, z.B. motorisch erzeugte Kraft, zur Bewegung der Kompensationseinrichtung notwendig. Hierbei kann sich die Kompensationseinrichtung um das gleiche Maß wie das Testobjekt bewegen. Auch kann die Kompensationseinrichtung keine der vom Testobjekt übertragenen Kraft entgegengesetzte Kraft erzeugen.
Hierzu kann das Testobjekt in bestimmter Art und Weise an der Kompensationseinrichtung befestigt sein.
Das Testobjekt kann z.B. mit mindestens einem ersten Freiheitsgrad relativ zur Kompensationseinrichtung frei bewegbar an der Kompensationseinrichtung befestigt sein. Dies bedeutet, dass bei einer Bewegung des Testobjekts mit diesem Freiheitsgrad keine Bewegung der Kompensationseinrichtung erfolgt, da keine Kraft vom Testobjekt auf die Kompensationseinrichtung übertragen wird.
Das Testobjekt kann mit mindestens einem weiteren Freiheitsgrad frei bewegbar an der Kompensationseinrichtung befestigt sein. Dies bedeutet, dass bei einer Bewegung des Testobjekts mit diesem Freiheitsgrad eine korrespondierende Bewegung der Kompensationseinrichtung durch das Testobjekt erfolgt, wobei die Bewegung ausschließlich durch die vom Testobjekt während der Bewegung auf die Kompensationseinrichtung übertragene Kraft bedingt ist.
Auch kann Testobjekt kann mit mindestens einem weiteren Freiheitsgrad geführt bewegbar an der Kompensationseinrichtung befestigt sein. Dies bedeutet, dass bei einer Bewegung des Testobjekts mit diesem Freiheitsgrad keine korrespondierende Bewegung der Kompensationseinrichtung erfolgt, die ausschließlich durch die vom Testobjekt während der Bewegung auf die Kompensationseinrichtung übertragene Kraft bedingt ist. Beispielsweise kann eine Bewegung des Testobjekts mit diesem Freiheitsgrad durch eine korrespondierende Bewegung der Kompensationseinrichtung bewirkt werden, wenn eine Kraft von der Kompensationseinrichtung auf das Testobjekt übertragen wird. Somit kann das Testobjekt durch die Kompensationseinrichtung mit mindestens einem geführten Freiheitsgrad bewegbar sein.
Beispielsweise kann das Testobjekt derart an der Kompensationseinrichtung befestigt sein, dass es relativ zur Kompensationseinrichtung mit drei rotatorischen Freiheitsgraden frei bewegbar ist. Weiter kann das Testobjekt derart an der Kompensationseinrichtung befestigt sein, dass die Kompensationseinrichtung durch das Testobjekt mit zwei translatorischen Freiheitsgraden frei bewegbar ist. Weiter kann eine Bewegung des Testobjekts mit einem verbleibenden translatorischen Freiheitsgrad, nämlich in einer vertikalen Richtung, durch die Kompensationseinrichtung geführt sein. Dies bedeutet, dass eine Bewegung in vertikaler Richtung des Testobjekts nur oder ausschließlich dann möglich ist, wenn sich auch zumindest ein Teil der Kompensationseinrichtung in der vertikalen Richtung bewegt. Die vertikale Richtung bezeichnet hierbei eine Richtung, in welche oder entgegen welcher die Schwerkraft auf das Testobjekt wirkt. Die zu den drei rotatorischen Freiheitsgraden korrespondierenden Rotationsachsen können hierbei senkrecht zueinander orientiert sein, wobei eine der Rotationsachsen in die vertikale Richtung orientiert ist. Die zwei verbleibenden Rotationsachsen definieren hierbei gleichzeitig eine Bewegungsrichtung der beiden freien translatorischen Freiheitsgrade.
So ist es z.B. möglich, dass das Testobjekt ausschließlich mit einem einzigen, z.B. dem vertikalen, Freiheitsgrad durch die Kompensationseinrichtung geführt bewegbar ist, während mit den verbleibenden Freiheitsgraden das Testobjekt relativ zur Kompensationseinrichtung frei bewegbar oder die Kompensationseinrichtung durch das Testobjekt frei bewegbar ist.
Beispielsweise kann die Kompensationseinrichtung durch die Entfaltungseinrichtung eines Mastmoduls in einer Entfaltungsrichtung des Mastmoduls frei bewegbar sein, wobei die sich während eines Entfaltungsvorgangs ändernde Schwerkraft, die auf die Entfaltungseinrichtung des entfaltbaren Mastmoduls wirkt, kompensierbar ist. Eine die Bewegung der Kompensationseinrichtung in die Entfaltungsrichtung bewirkende bzw. erzeugende Antriebskraft wird hierbei ausschließlich vom sich entfaltenden Mastmodul, insbesondere von der Entfaltungseinrichtung, auf die Kompensationseinrichtung übertragen. Während des Entfaltvorgangs, beispielsweise während des Entrollens der aufgerollten Faltrohre, verringert sich die Masse der Entfaltungseinrichtung, die die sich (noch) im aufgerollten Zustand befindlichen Faltrohre umfasst. Die auf die Entfaltungseinrichtung wirkende Schwerkraft ist proportional zur Masse und nimmt somit während des Entfaltvorgangs ab. Die Kompensationseinrichtung ist hierbei derart ausgebildet, dass zu jedem Zeitpunkt bzw. in jedem Zustand des Entfaltvorganges die auf das nicht entfaltete, teilweise entfaltete oder vollständig entfaltete Mastmodul wirkende Schwerkraft kompensierbar ist. Kompensieren bedeutet hierbei, dass die Kompensationseinrichtung eine Kompensationskraft erzeugt, die zumindest einen Anteil aufweist, der entgegen der Schwerkraft orientiert ist und eine gleiche Größe wie die Schwerkraft aufweist. Vorzugsweise erzeugt die Kompensationskraft ausschließlich eine Kraft, die entgegen der auf die Entfaltungseinrichtung des Mastmoduls wirkenden Schwerkraft orientiert ist und die gleiche Höhe wie diese Schwerkraft aufweist.
Weiter kann die Vorrichtung eine zentrale Befestigungseinrichtung umfassen, wobei mittels der zentralen Befestigungseinrichtung das vorhergehend erwähnte Zentralmodul befestigbar ist. Hierbei ist mittels der Befestigungseinrichtung das Zentralmodul vorzugsweise vollständig fixierbar, wobei im fixierten Zustand keine translatorische oder rotatorische Bewegung des Zentralmoduls möglich ist. Das Zentralmodul kann das mindestens eine Mastmodul aufweisen. Z.B. kann die Entfaltungseinrichtung des mindestens einen Mastmoduls sich beim Entfaltungsvorgang in der Entfaltungsrichtung weg von dem Zentralmodul bewegen.
Die vorgeschlagene Vorrichtung ermöglicht in vorteilhafter Weise eine präzise, zuverlässige und an eine sich ändernde Schwerkraft, die auf das Testobjekt wirkt, anpassende Kompensation der Schwerkraft. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise z.B. ein Entfaltungsvorgang von z.B. Folien eines Sonnenseglers auch in einer Umgebung simuliert werden, in welcher eine Schwerkraft auf das Mastmodul wirkt.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Kompensationseinrichtung zumindest in vertikaler Richtung starr mit dem Testobjekt verbunden. Starr bedeutet hierbei, dass sich bei einer Bewegung in vertikaler Richtung ein testobjektseitiger Verbindungspunkt in der vertikalen Richtung um das gleiche Maß bewegt wie ein kompensationseinrichtungsseitiger Verbindungspunkt, wobei die Verbindungspunkte die starre Verbindung ausbilden. Insbesondere schließt die starre Verbindung der Kompensationseinrichtung mit dem Testobjekt aus, dass das Testobjekt und die Kompensationseinrichtung in der vertikalen Richtung mittels einer elastischen Verbindung, z.B. einer Feder oder eines Federelements, verbunden sind. Die starre Verbindung kann hierbei auch bedeuten, dass die von der Kompensationseinrichtung in der vertikalen Richtung erzeugte Kompensationskraft direkt auf das Testobjekt übertragen wird. Der Begriff starre Verbindung schließt hierbei jedoch nicht aus, dass aufgrund von Materialeigenschaften der Verbindungselemente minimale Abweichungen bei der übertragenen Kraft bzw. bei der Bewegung der Verbindungspunkte auftreten.
Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise eine möglichst einfache Übertragung von einer Kompensationskraft auf das Testobjekt, da keine weiteren kraftabhängigen Übertragungselemente, z.B. Federn, in der mechanischen Übertragungsstrecke der Kraft von der Kompensationseinrichtung auf das Testobjekt berücksichtigt werden müssen.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Kompensationseinrichtung reibungsfrei gelagert. Beispiele für eine reibungsfreie Lagerung ist z.B. eine Luftlagerung, eine Magnetlagerung oder eine Kombination einer Luft- und Magnetlagerung. Die vorgeschlagene Vorrichtung kann hierzu einen unbeweglichen Teil umfassen, z.B. ein Stativ oder Tisch, auf dem die Kompensationseinrichtung reibungsfrei, z.B. luftgelagert, bewegbar ist. Die reibungsfreie Lagerung ermöglicht in vorteilhafter Weise eine freie Bewegbarkeit der Kompensationseinrichtung durch das Testobjekt in einer Ebene senkrecht zu der vertikalen Richtung. Auch kann die reibungsfreie Lagerung eine Rotationsbewegung der Kompensationseinrichtung durch das Testobjekt um eine vertikale Rotationsachse erlauben. Weiter wird durch die Ausbildung der Lagerung eine möglichst reibungsfreie und somit ungehinderte oder freie Bewegung der Kompensationseinrichtung durch das Testobjekt in den vorhergehend genannten Freiheitsgraden ermöglicht.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Kompensationseinrichtung um eine vertikale Achse, also eine in die vertikale Richtung orientierte Achse, drehbar. Diese drehbare Lagerung kann beispielsweise durch die vorhergehend erläuterte reibungsfreie Lagerung, insbesondere die Luftlagerung, ermöglicht werden. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise eine freie Rotationsbewegung des Testobjekts um die vertikale Achse ermöglicht, wobei die Kompensationseinrichtung und das Testobjekt derart mechanisch verbunden sind, dass sich bei einer Rotation des Testobjekts um die vertikale Achse auch die Kompensationseinrichtung um die vertikale Achse dreht, beispielsweise um das gleiche Maß. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise eine ungehinderte oder freie Rotation des Testobjekts um die vertikale Achse erfolgen.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Kompensationseinrichtung einen Aktor, wobei der Aktor derart auf oder an der Kompensationseinrichtung angeordnet ist, dass mittels des Aktors die Kompensationskraft erzeugbar ist. Der Aktor ist vorzugsweise als Linearmotor ausgebildet, wobei eine Bewegungsachse eines beweglichen Teils des Linearmotors in die vertikale Richtung orientiert ist. Somit kann der Linearmotor eine Kraft in oder entgegen der vertikalen Richtung erzeugen. Auch kann der bewegliche Teil des Linearmotors in der vertikalen Richtung oder entgegen der vertikalen Richtung bewegt werden.
Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine einfache Ausbildung der Kompensationseinrichtung, die ausschließlich eine Kraft in vertikaler Richtung erzeugen kann.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Kompensationseinrichtung eine Einrichtung zur Erfassung der auf das Testobjekt wirkenden Schwerkraft. Hierbei ist die von der Kompensationseinrichtung, beispielsweise von dem vorhergehend erläuterten Aktor, erzeugte Kompensationskraft in Abhängigkeit der auf das Testobjekt wirkenden Schwerkraft regelbar. Die Kompensationseinrichtung kann hierzu beispielsweise eine Regeleinrichtung umfassen, die signaltechnisch mit der Einrichtung zur Erfassung der Schwerkraft und dem Aktor verbunden ist und eine Kraftregelung durchführt. Insbesondere kann die von der Kompensationseinrichtung erzeugte Kompensationskraft derart geregelt werden, dass die Kompensationskraft entgegen der Schwerkraft wirkt und die gleiche Höhe wie die auf das Testobjekt wirkende Schwerkraft aufweist. Insbesondere kann ein Sollwert der Kompensationskraft der Gewichtskraft des Testobjekts entsprechen.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Testobjekt mittels einer kardanischen Lagerung an der Kompensationseinrichtung befestigbar. Hierbei kann die Kompensationseinrichtung und/oder das Testobjekt die kardanische Lagerung oder Teile der kardanischen Lagerung umfassen. Die kardanische Lagerung kann eine freie Rotation um eine erste Rotationsachse erlauben, die z.B. parallel zu einer Entfaltungsrichtung und senkrecht zu der vertikalen Richtung orientiert ist. Ebenfalls kann die kardanische Lagerung eine freie Rotation um eine weitere Rotationsachse erlauben, die senkrecht zu der ersten Rotationsachse und senkrecht zu der vertikalen Achse orientiert ist. Es ist möglich, dass die kardanische Lagerung zusätzlich eine freie Rotation um die vertikale Achse erlaubt.
Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise eine freie Rotation des Testobjekts relativ zur Kompensationseinrichtung um die erläuterten Rotationsachsen, z.B. auch während einer Entfaltung eines Mastmoduls. Hierdurch wird eine Bewegung des Testobjekts nicht oder nur in minimaler Weise durch eine Befestigung des Testobjekts an der Kompensationseinrichtung behindert.
Weiter vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Kompensation einer auf mindestens ein Testobjekt, insbesondere auf eine Entfaltungseinrichtung eines entfaltbaren Mastmoduls, wirkenden Schwerkraft. Hierbei wird eine Kompensationseinrichtung an dem Testobjekt befestigt. Insbesondere kann die Kompensationseinrichtung derart an dem Testobjekt befestigt werden, dass eine vorhergehend erläuterte freie, also möglichst ungehinderte, Bewegung des Testobjekts mit vorbestimmten Freiheitsgraden und eine geführte Bewegung des Testobjekts mit mindestens einem weiteren geführten Bewegungsfreiheitsgrad, insbesondere in einer vertikalen Richtung, ermöglicht wird. Weiter wird die Kompensationseinrichtung mit mindestens einem Bewegungsfreiheitsgrad durch das Testobjekt bewegt. Beispielsweise kann die Kompensationseinrichtung durch die Entfaltungseinrichtung eines Mastmoduls während des Entfaltungsvorganges in die Entfaltungsrichtung bewegt werden. Die Kompensationseinrichtung kann hierbei aufgrund der mechanischen Kopplung mit dem Testobjekt von diesem angetrieben werden. Hierbei wird von dem Testobjekt eine Kraft auf die Kompensationseinrichtung ausgeübt, die zu einer Bewegung der Kompensationseinrichtung führt. Die Kompensationsrichtung wird somit durch das sich bewegende Testobjekt, insbesondere ausschließlich durch das sich bewegende Testobjekt, mit dem vorhergehend genannten Freiheitsgrad bewegt.
Weiter wird mittels der Kompensationseinrichtung eine auf das Testobjekt wirkende Kompensationskraft derart erzeugt und auf das Testobjekt übertragen, dass eine auf das Testobjekt wirkende Schwerkraft, die sich z.B. während eines Entfaltungsvorgangs ändern kann, kompensiert wird.
Es ist auch möglich, dass ein Zentralmodul, welches ein Mastmodul umfasst oder beinhaltet, vorab auf einer Befestigungseinrichtung oder in einer Befestigungseinrichtung befestigt, insbesondere fixiert, wird. Insbesondere kann die Kompensationseinrichtung zumindest in Bezug auf die vertikale Richtung starr an einer Entfaltungseinrichtung eines Mastmoduls befestigt werden. In diesem Fall ist eine Bewegung der Entfaltungseinrichtung in vertikaler Richtung eine unfreie bzw. geführte Bewegung.
Das vorgeschlagene Verfahren erlaubt z.B. in vorteilhafter Weise, dass eine sich während des Entfaltungsvorgangs aufgrund einer sich verringernden Masse der Entfaltungseinrichtung ändernde Schwerkraft möglichst genau und zeitnah kompensiert werden kann, wobei der Entfaltungsvorgang möglichst realitätsnah simuliert wird.
In einer weiteren Ausführungsform wird von der Kompensationseinrichtung ausschließlich eine Kraft in vertikaler Richtung erzeugt. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine möglichst einfache Ausführbarkeit des vorgeschlagenen Verfahrens, da eine Richtung der Kompensationskraft festgelegt und somit ausschließlich eine Höhe der zu erzeugenden Kompensationskraft bestimmt und eingestellt werden muss.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Kraft in Abhängigkeit einer sich während des Entfaltungsvorgangs verändernden Masse des Testobjekts erzeugt. Hierzu kann beispielsweise die sich verändernde Masse in Abhängigkeit eines Ausgangssignals einer Einrichtung zur Erfassung der auf das Testobjekt, insbesondere der auf das Mastmodul, wirkenden Schwerkraft, beispielsweise eines Kraftsensors, bestimmt werden.
Alternativ ist es möglich, dass eine Position des Mastmoduls relativ zu einem Zentralmodul erfasst oder bestimmt wird, wobei in Abhängigkeit dieser Position ein Entfaltungszustand des Mastmoduls und somit eine aktuelle Masse der Entfaltungseinrichtung des Mastmoduls bestimmt werden kann. So kann beispielsweise in einem Kalibrierschritt bestimmt werden, welche Masse die Entfaltungseinrichtung in einzelnen oder allen Positionen des Entfaltungsvorganges aufweist. Auf diese Weise kann eine Positions-Masse-Beziehung bestimmt werden, wobei während eines weiteren Entfaltungsvorganges nunmehr die Kompensationskraft in Abhängigkeit einer erfassten oder bestimmten Position bestimmt werden kann.
Vorzugsweise erfolgt jedoch eine Kraftregelung in Abhängigkeit der von der vorhergehend erläuterten Einrichtung zur Erfassung der Schwerkraft erzeugten Ausgangssignale.
Insgesamt ermöglichen das vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Vorrichtung eine möglichst realitätsnahe Simulation z.B. eines Entfaltungsvorgangs von Folien eines Sonnenseglers, wobei eine auf den Sonnensegler, insbesondere auf entfaltbare Mastmodule des Sonnenseglers, wirkende Schwerkraft möglichst genau und möglichst schnell kompensiert wird. Weiter vorteilhaft ist, dass die vorgeschlagene Vorrichtung mit einem geringen Bauraum ausgebildet werden kann, wodurch es möglich ist, mehrere der vorgeschlagenen Vorrichtung an verschiedenen Stützpunkten z.B. des Sonnenseglers anzubringen, wobei eine Kompensation der Schwerkraft in jedem dieser Punkte erfolgen kann und sich die Vorrichtungen während des Entfaltungsvorganges nicht gegenseitig behindern.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Fig. zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht eines Zentralmoduls und Kompensationseinrichtungen in einem eingefalteten Zustand,
2 eine perspektivische Ansicht des in 1 dargestellten Zentralmoduls im entfalteten Zustand und
3 eine Detailansicht einer Kompensationseinrichtung.

Nachfolgend bezeichnen Elemente mit gleichen Bezugszeichen Elemente mit gleichen oder ähnlichen technischen Merkmalen.
In 1 ist perspektivisch ein Zentralmodul 1 dargestellt. Das Zentralmodul 1 umfasst vier entfaltbare Mastmodule. Das Zentralmodul 1 enthält während eines Transports in den Weltraum eine Nutzlast, Messgeräte und/oder sonstige zu transportierende Raumfahrtelemente und die entfaltbaren Mastmodule. Ein Mastmodul umfasst hierbei Faltrohrstrukturen 6 und eine Entfaltungseinrichtung 2, die die sich noch im aufgerollten Zustand befindlichen Faltrohrstrukturen 6 aufnimmt. An jeder Entfaltungseinrichtung 2 ist eine Kompensationseinrichtung 4 befestigt. Ein Aufbau der Kompensationseinrichtung 4 und die Befestigung der Kompensationseinrichtung 4 an den jeweiligen Entfaltungseinrichtungen 2 wird in Bezug auf 3 näher erläutert.
In 2 ist das in 1 dargestellte Zentralmodul 1 in einem entfalteten Zustand dargestellt. Der entfaltete Zustand wird erreicht, indem die Entfaltungseinrichtungen 2 sich jeweils in einem Entfaltungsvorgang in einer jeweils durch Pfeile 5 dargestellten Entfaltungsrichtung von einem Mittelpunkt des Zentralmoduls 1 wegbewegen. Hierbei werden die im eingefalteten Zustand in den Entfaltungseinrichtungen 2 aufgerollten Faltrohrstrukturen 6 ausgerollt und bilden somit Masten (Booms) aus. Die Masten schließen hierbei z.B. Winkel von 90° ein. Während des Entfaltungsvorgangs werden Folien 3, die mit Eckpunkten jeweils an zwei benachbarten Entfaltungseinrichtungen 2 und an dem Zentralmodul 1 befestigt sind, entfaltet. In 2 ist dargestellt, dass sich die Kompensationseinrichtungen 4 während des Entfaltungsvorgangs jeweils mit den entsprechenden Entfaltungseinrichtungen 2 mitbewegen.
In 3 ist eine Detailansicht einer Kompensationseinrichtung 4 dargestellt, die an einer Entfaltungseinrichtung 2 befestigt ist. In 3 ist ein Koordinatensystem dargestellt, wobei eine vertikale Achse Z, eine erste horizontale Achse X und eine weitere horizontale Achse Y dargestellt sind. Die Achsen X, Y, Z verlaufen hierbei rechtwinklig zueinander. Eine auf die Entfaltungseinrichtung 2 wirkende Schwerkraft wirkt hierbei entgegen der Richtung der vertikalen Achse Z. Die in 2 dargestellte Entfaltungseinrichtung (Pfeil 5) ist hierbei in Richtung der ersten horizontalen Achse X orientiert.
Die Kompensationseinrichtung 4 umfasst einen Schlitten 7, der beispielsweise dreieckförmig ausgebildet ist. An Eckpunkten des Schlittens 7 sind Luftlager 8 angeordnet. Mittels der Luftlager 8 ist die Kompensationseinrichtung 4 luftgelagert in einer horizontalen Ebene, die senkrecht zu der vertikalen Achse Z orientiert ist, bewegbar. Auch erlaubt die Luftlagerung eine reibungsfreie Rotation des Schlittens 7 um eine Rotationsachse, die parallel zu der vertikalen Achse Z verläuft und den Schlitten 7 zentral durchläuft. Weiter umfasst die Kompensationseinrichtung 4 einen Linearmotor 9, wobei der Linearmotor 9 einen Stator 10 und einen beweglichen Teil (Läufer) 11 umfasst. Der bewegliche Teil 11 ist in einer Bewegungsrichtung bewegbar, welche parallel zu der vertikalen Achse Z ist. An einem freien Ende des beweglichen Teils 11 ist eine kardanische Lagerung 12 angeordnet, wobei die Entfaltungseinrichtung 2 mittels der kardanischen Lagerung 12 mit dem beweglichen Teil 11 der Kompensationseinrichtung 4 gekoppelt ist. Die kardanische Lagerung 12 ist hierbei derart ausgebildet, dass eine Rotation der Entfaltungseinrichtung 2 relativ zum beweglichen Teil 11 mit zwei rotatorischen Freiheitsgraden möglich ist, wobei die zu den zwei rotatorischen Freiheitsgraden korrespondierenden Rotationsachsen jeweils parallel zu den horizontalen Achsen X, Y des Koordinatensystems verlaufen.
Weiter ist zwischen dem freien Ende des beweglichen Teils 11 und der kardanischen Lagerung 12 ein Kraftsensor 13 angeordnet. Der Kraftsensor 13 erfasst hierbei eine Gewichtskraft der Entfaltungseinrichtung 2, wobei die Gewichtskraft der auf die Entfaltungseinrichtung 2 wirkenden Schwerkraft entspricht. Auch kann der Kraftsensor 13 weitere Kräfte, z.B. dynamische Kräfte erfassen. In einem zumindest teilweise entfalteten Zustand bilden der entfaltete Teil des Masts und die am Ende des Masts angeordnete Entfaltungseinrichtung 2 eine schwingungsfähige Biegebalkenstruktur. Während des Entfaltungsvorgangs können Schwingungen dieser Biegebalkenstruktur erzeugt werden, wodurch z.B. die Entfaltungseinrichtung 2 in vertikaler Richtung Z schwingt, also bewegt wird. Nicht dargestellt ist eine Regeleinrichtung, die in Abhängigkeit des Ausgangssignals des Kraftsensors 13 den Linearmotor 9 regelt.
Die Kompensationseinrichtung 4 ermöglicht in vorteilhafter Weise, dass ein in einer Schwerelosigkeit durchgeführter Entfaltungsvorgang möglichst realitätsnah simuliert werden kann. Hierzu müssen prinzipiell Bewegungen mit allen Freiheitsgraden ermöglicht werden. Durch die Luftlagerung wird eine freie Bewegung der Kompensationseinrichtung 4 durch die Entfaltungseinrichtung 2 mit translatorischen Freiheitsgraden, die zu der ersten horizontalen Achse X und der weiteren horizontalen Achse Y korrespondieren, sowie eine freie Rotation mit einem rotatorischen Freiheitsgrad um eine zur vertikalen Achse Z parallelen Rotationsachse ermöglicht. Weiter werden rotatorische Freiheitsgrade für eine freie Rotation der Entfaltungseinrichtung 2 relativ zur Kompensationseinrichtung 4 um Rotationsachsen, die parallel zu den horizontalen Achsen X, Y verlaufen, durch die kardanische Lagerung 12 bereitgestellt. Ein dritter translatorischer geführter Bewegungsfreiheitsgrad in vertikaler Richtung wird mit Hilfe des kraftgeregelten Linearmotors 9 bereitgestellt. Die vorhergehend erläuterte Steuereinrichtung kann hierzu in einem Kraftregelmodus betrieben werden. Ein Sollwert der vom Linearmotor 9 zu erzeugenden Kraft, also der Kompensationskraft, entspricht hierbei der Gewichtskraft der Entfaltungseinrichtung 2.
Übt die Entfaltungseinrichtung 2 während des Entfaltungsvorgangs die vorhergehend erläuterten dynamischen Kräften auf den Kraftsensor 13 aus, so kann der Linearmotor 9 derart gesteuert werden, dass sich der bewegliche Teil 11 des Linearmotors 9 entsprechend dieser dynamischen Kräfte bewegt. Hierdurch werden die vorhergehend erläuterten Schwingungen des Mastmoduls während eines Entfaltungsvorganges zugelassen, während jedoch die Schwerkraft kompensiert wird. Hierzu kann die Steuereinheit aus der vom Kraftsensor 13 erfassten Kraft einen Anteil der Schwerkraft und einen Anteil der dynamischen Kräfte bestimmen. Eine Bewegung der Entfaltungseinrichtung 2 in vertikaler Richtung aufgrund der Schwerkraft kann durch eine vom Linearmotor 9 ausgeübte Kompensationskraft kompensiert werden. Über den Entfaltungsweg wird sich die Gewichtskraft der Enfaltungseinrichtung 2 aufgrund einer Massereduktion der Entfaltungseinrichtung 2 verringern. Somit verändert sich auch der Sollwert für den Linearmotor 9.
Somit kann durch die Kompensationseinrichtung 4 eine Kompensationskraft derart erzeugt werden, dass ausschließlich eine auf ein Testobjekt wirkende Schwerkraft kompensiert wird. Von der Schwerkraft verschiedene Kräfte, z.B. die vorhergehend erläuterten dynamischen Kräfte, werden nicht kompensiert. Insbesondere kann eine Bewegung des beweglichen Teils 11 der Kompensationseinrichtung 4 derart gesteuert werden, dass durch die von der Schwerkraft verschiedene Kräfte bewirkte Bewegungen des Testobjekts mit allen Bewegungsfreiheitsgraden, insbesondere auch mit dem geführten Bewegungsfreiheitsgrad, zugelassen werden.
Insgesamt ergibt sich vorteilhaft, dass die Kompensationseinrichtung 4, insbesondere der Schlitten 7, klein, also mit geringem Bauraum, ausgebildet werden kann. Somit ist es ohne weiteres möglich, dass mehrere derartige Kompensationseinrichtungen 4 verwendet werden können, um mehrere Stützpunkte einer Struktur zu stützen und die an diesen Stützpunkten wirkende Schwerkraft zu kompensieren. Hierbei kann aufgrund der Ausbildung mit geringem Bauraum eine freie Bewegbarkeit der Kompensationseinrichtungen 4 zueinander gewährleistet werden. Weiter ergibt sich vorteilhaft, dass eine über den Entfaltungsweg veränderliche Kraft kompensiert werden kann. Auch Kosten für die vorgeschlagene Vorrichtung sind aufgrund der einfachen Bauform und einer Verwendung von kommerziell erhältlichen Produkten vergleichsweise gering.
Bezugszeichenliste

1: Zentralmodul
2: Entfaltungseinrichtung
4: Kompensationseinrichtung
5: Pfeile
6: Faltrohrstrukturen
7: Schlitten
8: Luftlager
9: Linearmotor
10: Stator
11: beweglicher Teil
12: Lagerung
13: Kraftsensor
X: erste horizontale Achse
Y: weitere horizontale Achse
Z: vertikale Achse

Claims

Vorrichtung zur Kompensation der auf ein Testobjekt wirkenden Schwerkraft, insbesondere der auf eine Entfaltungseinrichtung (2) eines Mastmoduls zum Entfalten von Folien eines Sonnenseglers wirkenden Schwerkraft, wobei die Vorrichtung mindestens eine Kompensationseinrichtung (4) umfasst, wobei die Kompensationseinrichtung (4) an dem Testobjekt befestigbar ist, wobei mittels der Kompensationseinrichtung (4) eine Kompensationskraft derart erzeugbar und auf das Testobjekt übertragbar ist, dass die auf das Testobjekt wirkende Schwerkraft kompensierbar ist, wobei die Kompensationseinrichtung (4) durch das Testobjekt mit mindestens einem Bewegungsfreiheitsgrad frei bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Kompensationseinrichtung (4) eine Kompensationskraft derart erzeugbar ist, dass ausschließlich die auf das Testobjekt wirkende Schwerkraft kompensiert und von der Schwerkraft verschiedene Kräfte nicht kompensiert werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationseinrichtung (4) zumindest in vertikaler Richtung starr mit dem Testobjekt verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationseinrichtung (4) reibungsfrei gelagert ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationseinrichtung (4) um eine vertikale Achse (Z) drehbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationseinrichtung (4) einen Aktor umfasst, wobei der Aktor derart auf oder an der Kompensationseinrichtung (4) angeordnet ist, dass mittels des Aktors die Kompensationskraft erzeugbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationseinrichtung (4) eine Einrichtung zur Erfassung der auf das Testobjekt wirkenden Schwerkraft umfasst, wobei die von der Kompensationseinrichtung (4) erzeugte Kompensationskraft in Abhängigkeit der auf das Testobjekt wirkenden Schwerkraft regelbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Testobjekt mittels einer kardanischen Lagerung (12) an der Kompensationseinrichtung (4) befestigbar ist.
Verfahren zur Kompensation einer Schwerkraft auf mindestens ein Testobjekt, insbesondere einer auf eine Entfaltungseinrichtung (2) eines Mastmodul zum Entfalten von Folien eines Sonnenseglers wirkenden Schwerkraft, wobei eine Kompensationseinrichtung (4) an dem Testobjekt befestigt wird, wobei die Kompensationseinrichtung (4) mit mindestens einem Bewegungsfreiheitsgrad durch das Testobjekt bewegt wird, wobei mittels der Kompensationseinrichtung (4) eine auf das Testobjekt wirkende Kompensationskraft derart erzeugt und auf das Testobjekt übertragen wird, dass eine auf das Testobjekt wirkende und sich ändernde Schwerkraft kompensiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Kompensationseinrichtung (4) eine Kompensationskraft derart erzeugt wird, dass ausschließlich die auf das Testobjekt wirkende Schwerkraft kompensiert und von der Schwerkraft verschiedene Kräfte nicht kompensiert werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass von der Kompensationseinrichtung (4) ausschließlich eine Kraft in vertikaler Richtung erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kraft in Abhängigkeit einer sich während des Entfaltungsvorgangs verändernden Masse einer Entfaltungseinrichtung (2) eines Mastmoduls erzeugt wird.