DE102015211480A1

DE102015211480A1 - Satellit zum Entfernen von Weltraumschrott und Einheit für einen solchen Satelliten

Info

Publication number: DE102015211480A1
Application number: DE102015211480.5A
Authority: DE
Inventors: Franz Lura; Winfried Halle
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2014-07-02
Filing date: 2015-06-22
Publication date: 2016-01-07
Also published as: DE202014005333U1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Satelliten (1) zum Entfernen von Weltraumschrott (20), umfassend mindestens einen Roboterarm (2) und mindestens ein Gecko-Pad (7) zum Andocken an ein Weltraumschrottteil, wobei das Gecko-Pad (7) mit einem Bremsschirm oder einer Folie verbunden ist, wobei der Roboterarm (2) derart ausgebildet ist, dass dieser die Einheit (6) vom Gecko-Pad (7) und Bremsschirm oder Folie an ein Weltraumschrottteil andocken kann und nach dem Andocken die Verbindung zur Einheit (6) lösen kann sowie eine Einheit (6) zum Einsatz in einem Satelliten (1) zum Entfernen von Weltraumschrott (20), umfassend mindestens ein Gecko-Pad (7) und einen Bremsschirm oder eine Folie.

Description

Die Erfindung betrifft einen Satelliten zum Entfernen von Weltraumschrott und eine Einheit für einen solchen Satelliten.
Für Raumfahrtzeuge/Satelliten in erdnahen Orbits ist die Kollisionsgefahr mit ausgedienten Satelliten bzw. Trümmerteilen von Raumfahrtzeugen wegen ihrer Vielzahl inzwischen enorm hoch, weil die „normale“ Lebensdauer solcher Systeme im Orbit, je nach Orbit-Anfangshöhe, viele Jahre bis Jahrzehnte betragen kann. Es besteht deshalb der dringende Bedarf, die meistgenutzten Orbits (LEO und GEO) zu „säubern“, d.h. ausgediente Systeme aus diesen Orbits zwangsweise zurückzuholen. Dazu sind sogenannte „Deorbiter“ nötig, die sich an die ausgedienten Systeme ankoppeln und anschließend durch Bremsung den schnellen Eintritt in die obere Atmosphärenschicht bewirken, in der beide dann verglühen.
Aus der DE 10 2010 024 644 A1 ist eine Vorrichtung zum Einfangen von Weltraumschrott bekannt, mit einer ersten, vorderen Fängerfläche und zumindest einer weiteren, hinteren Fängerfläche, wobei die Fängerflächen im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet und in Normalenrichtung voneinander beabstandet sind.
Aus dem Fachartikel „Controllable ON-OFF Adhesion for Earth Orbit Grappling Applications; Parness et al. ISBN 978-1 4577-0557-1" ist ein an- und abschaltbarer Gecko-Pad bekannt. Gecko-Pads sind biomimetische Werkstoffe, die ähnliche trocken-adhäsive Hafteigenschaften haben wie die Gecko-Füße. Die Haftung der haarigen Strukturen beruht auf Van der Waals Kräften der micro- und nanostrukturierten Härchen (Setae), die an ihrem Ende (zur Kontaktfläche hin) verzweigt sind (Spatulea). Ein solches Haftprinzip funktioniert auch und gerade gut unter Hochvakuumbedingungen im Weltraum. Daher wird in dem Fachartikel vorgeschlagen, die Gecko-Pads zur Beseitigung von Weltraumschrott zu benutzen. Weitere Ausführungsformen für Gecko-Pads sind beispielsweise aus der US 7811272 B2 , der DE 10 2012 100 933 A1 oder der DE 10 2004 012 067 A1 bekannt.
Aus der DE 10 2010 048 054 A1 ist eine Vorrichtung zur Fixierung einer gefalteten Folie bekannt, die mindestens einen rotierbaren Spulenkörper umfasst, wobei die gefaltete Folie auf den mindestens einen Spulenkörper aufwickelbar ist, wobei ein erstes Ende der gefalteten Folie mittels einer Befestigungseinrichtung lösbar mit dem Spulenkörper verbindbar ist.
Aus der DE 103 18 885 B4 ist ein Foliensystem zum Falten und Entfalten einer Folie bekannt, umfassend ein Basismodul, mehrere tangential am Basismodul verankerte elastische Spannmasten sowie mindestens eine zwischen den Spannmasten befestigte Folie, wobei die Spannmasten zum Falten eng an das Basismodul anschmiegbar sind und die Spannmasten allein durch ihre Formänderungsenergie entfaltbar sind, wobei zwischen dem Basismodul und den Spannmasten Spannfäden und zwischen verschiedenen Spannmasten Begrenzungsfäden gespannt sind.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, einen Satelliten zu schaffen, mittels dessen einfach und preiswert Weltraumschrott entfernt werden kann, sowie eine Einheit für einen solchen Satelliten zu schaffen.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich mittels eines Satelliten mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einer Einheit mit den Merkmalen des Anspruchs 4. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der Satellit zum Entfernen von Weltraumschrott umfasst mindestens einen Roboterarm und mindestens ein Gecko-Pad zum Andocken an ein Weltraumschrottteil. Das Gecko-Pad ist mit einem Bremsschirm oder einer Folie verbunden, wobei der Roboterarm derart ausgebildet ist, dass dieser die Einheit von Gecko-Pad und Bremsschirm oder Folie an ein Weltraumschrottteil andocken kann und nach dem Andocken die Verbindung zur Einheit lösen kann. Dies erlaubt es, dass der Satellit und der Roboterarm weiterverwendbar bleiben und nicht mit dem Schrottteil verglühen. Vorzugsweise wird dabei mittels des Roboterarms das Gecko-Pad an einer glatten Fläche wie beispielsweise eine Thermalschutzhülle oder einem Photovoltaik-Modul des ausgedienten Satelliten befestigt. Über den Bremsschirm oder die Folie wird dann unter Ausnutzung der oberflächenabhängigen Reibung mit der Restgasatmosphäre (Drag) das Weltraumschrottteil relativ schnell in niedrige Orbits gezogen und kann anschließend beim Eintritt in die dichteren atmosphärischen Schichten verglühen.
Da Satellit und Roboterarm einsatzfähig bleiben, weist in einer bevorzugten Ausführungsform der Satellit ein Magazin auf, in dem mindestens zwei Einheiten von Gecko-Pad und Bremsschirm oder Folie angeordnet sind, wobei der Roboterarm derart ausgebildet ist, dass jeweils eine Einheit aus dem Magazin entnommen werden kann. Dadurch kann der Satellit nacheinander mehrere Weltraumschrottteile anfliegen und jeweils eine Einheit anbringen, was die Entfernung von Weltraumschrott erheblich verbilligt.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Folie als selbstentfaltendes Foliensystem ausgebildet, so wie es beispielsweise aus der DE 103 18 885 B4 oder der DE 10 2010 048 054 A1 bekannt ist. Hierdurch wird keine weitere Energie benötigt, wobei nur die Lösung der Arretierung sichergestellt werden muss.
Dabei sei angemerkt, dass das Gecko-Pad an- und abschaltbar ausgebildet sein kann, aber nicht sein muss.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figuren zeigen:
1 ein schematisches Blockschaltbild eines Satelliten zum Entfernen von Weltraumschrott
2 eine perspektivische Detaildarstellung eines Teils des Satelliten.
Der Satellit 1 zum Entfernen von Weltraumschrott 20 weist einen Roboterarm 2 mit Greifelementen 3 auf, der durch ein Steuergerät 4 gesteuert wird. Weiter weist der Satellit 1 ein Magazin 5 auf, in dem Einheiten 6 angeordnet sind. Eine Einheit 6 weist dabei jeweils mindestens ein Gecko-Pad 7 sowie ein gefaltetes Foliensystem 8 auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist dabei dargestellt, dass der Roboterarm 2 eine solche Einheit 6 mit seinen Greifelementen 3 hält. Weiter weist der Satellit 1 noch ein Sonnensegel 9 auf, dessen Ausrichtung mittels eines weiteren Steuergeräts 10 zur Steuerung des Satelliten veränderbar ist. Anstelle eines Sonnensegels 9 können auch andere Antriebs- und Steuersysteme zur Anwendung kommen. Die Steuersignale für den Satelliten 1 und/oder Roboterarm 2 können dabei beispielsweise von einer Station auf der Erde über eine nicht dargestellte Schnittstelle zum Satelliten 1 übertragen werden.
Zum Entfernen von Weltraumschrott 20 wird der Satellit 1 zu dem Weltraumschrott 20 manövriert. Befindet sich dann der Satellit 1 in einer geeigneten Position, greift sich der Roboterarm 2 eine Einheit 6 aus dem Magazin 5 und dockt die Einheit 6 mit Hilfe des Gecko-Pads 7 an einer geeigneten glatten Fläche am Weltraumschrott 20 an. Anschließend löst der Roboterarm 2 eine Arretierung des gefalteten Foliensystems 8, sodass sich die gefaltete Folie selbständig entfaltet. Aufgrund der damit verbundenen Abbremsung gelangt der Weltraumschrott 20 in erdnähere Schichten, wo dieser dann verglüht. Anschließend kann der Vorgang an weiterem Weltraumschrott wiederholt werden, bis alle Einheiten 6 verbraucht sind. Dabei sind die Haltekräfte des Gecko-Pads 7 entsprechend groß auszulegen, dass dieser die auftretenden Bremskräfte aufnehmen kann.
In der 2 ist die entfaltete Folie des Foliensystems 8 dargestellt. Dabei ist dargestellt, dass der Roboterarm 2 die Einheit 6 noch hält. Dabei kann aber vorgesehen sein, dass der Roboterarm 2 nach Lösung der Arretierung und vor der kompletten Entfaltung des Foliensystems 8 die Einheit 6 freigibt. Weiter sei angemerkt, dass der Einheit 6 auch eine Steuereinheit zugeordnet sein kann, die das Foliensystem 8 ausrichten kann, um die Abbremsung gezielt zu steuern.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010024644 A1 [0003]
US 7811272 B2 [0004]
DE 102012100933 A1 [0004]
DE 102004012067 A1 [0004]
DE 102010048054 A1 [0005, 0011]
DE 10318885 B4 [0006, 0011]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Controllable ON-OFF Adhesion for Earth Orbit Grappling Applications; Parness et al. ISBN 978-1 4577-0557-1” [0004]

Claims

Satellit (1) zum Entfernen von Weltraumschrott (20), umfassend mindestens einen Roboterarm (2) und mindestens ein Gecko-Pad (7) zum Andocken an ein Weltraumschrottteil, dadurch gekennzeichnet, dass das Gecko-Pad (7) mit einem Bremsschirm oder einer Folie verbunden ist, wobei der Roboterarm (2) derart ausgebildet ist, dass dieser die Einheit (6) vom Gecko-Pad (7) und Bremsschirm oder Folie an ein Weltraumschrottteil andocken kann und nach dem Andocken die Verbindung zur Einheit (6) lösen kann.
Satellit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Satellit (1) ein Magazin (5) aufweist, in dem mindestens zwei Einheiten (6) von Gecko-Pad (7) und Bremsschirm oder Folie angeordnet sind, wobei der Roboterarm (2) derart ausgebildet ist, dass jeweils eine Einheit (6) aus dem Magazin (5) entnommen werden kann.
Satellit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie als selbstentfaltendes Foliensystem (8) ausgebildet ist.
Einheit (6) zum Einsatz in einem Satelliten (1) zum Entfernen von Weltraumschrott (20), umfassend mindestens ein Gecko-Pad (7) und einen Bremsschirm oder eine Folie.